石河子市地下水源热泵的适宜性评价研究

薛光，姜曙光，王蕾，张庆，苏小磊

石河子市地下水源热泵的适宜性评价研究

薛光1，姜曙光2，王蕾2，张庆1，苏小磊2

（1石河子大学生命科学学院，石河子832003；2石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003）

采用层次分析法建立了石河子市地下水源热泵发展适宜性分区的数学模型，获得了适宜性分区图，分区结果为禁止区1块，适宜区2块、可使用区1块。对各区进行适宜性评价，为设计、管理部门提供了市区地下水源热泵的实施范围参考。

地下水源热泵；层次分析；适宜性评价

地下水源热泵是一种利用地下浅层水既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，系统能效比COP可达到4.0～5.5。该系统具有稳定的高效率和良好的经济性，国内目前地下水源热泵系统应用面积约占地源热泵一半的市场份额［1］。

地下水地源热泵系统的设计、应用与工程场地的水文地质条件密切相关。水资源是新疆各地发展的最重要因素之一，为合理、有效、健康地在新疆推广地源热泵技术，研究地下水源热泵的适应性分区，对避免项目应用的盲目性具有非常重要的意义。

本文对新疆石河子市地下水源热泵进行适宜性分区评价，可为设计、管理部门提供原则性的分区参考。

1 研究对象概况

1.1 地理气象条件

石河子地处天山北麓中段，准噶尔盆地及古尔班通古特大沙漠南缘，即东径84′58″～86′24″，北纬43′26～45′20″；南倚天山，东以玛纳斯河为界与玛纳斯县为邻，南、西、北三面与沙湾县环接。该区属典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年平均气温7.5℃～8.2℃，平均海拔高度450.8 m。

1.2 水文地质、工程地质情况

石河子水资源较为丰富，地表有河水、泉水，境内有玛纳斯河、宁家河、金沟河、大南沟河、巴音沟河5条河流，河水年径流量19亿 m3，地下水可采量4亿m3［2］。根据石河子地下水动态长期观测资料，其水温平均在11℃左右，满足地源热泵系统对水质水温的要求。

从区域构造单元看，石河子属北天山褶皱带山前准噶尔盆地中南部坳陷区，区内沉积了巨厚的第四系堆积物，厚度可达300 m以上，为地下水的赋存提供了良好的场所。地层具典型的二元结构，上部浅表层为上更新统粉土、粉质黏土层，厚度一般在1～5 m；5～50 m为卵砾石含粗砂层；50～150 m砾石结构松散，渗透系数较大，便于水的回灌。下部为上更新统—中更新统冲洪积卵砾石、砂砾石层，厚度＞300 m［3］。石河子地下水类型为第四纪松散岩类孔隙潜水与承压水。地下水类型以312国道和西岸大渠为分隔，312国道至西岸大渠之间为多层结构潜水－承压水，西岸大渠以北为多层结构承压水，其中上覆浅层承压水具有潜水的水力特征，并具有弱承压性，多层结构潜水－承压水和多层结构承压水空间分布连续，水力特征一致。潜水层和浅层承压水水量丰富、埋深浅、含水层厚度大，适合作为地下水源热泵的取水层［4］。

2 评价方法

2.1 层次分析法

层次分析法是对一些较为复杂、较为模糊的问题作出决策的简易方法，适用于解决那些难于完全定量分析的问题，是一种简便、灵活而又实用的，定性和定量相结合，系统化、层次化的多准则决策方法［5－6］。通过实地调查、统计分析和综合分析，我们认为影响石河子地下水源热泵建设和效益的主要因素有四大类：水文地质条件、地下水动力场、水化学场和经济性。

2.2 研究区分区

将研究区划分为不同区域，然后计算各区的适宜性指数，从而进行评价。参考《新疆天富公司热电联产项目水文地质详查报告》，由南部山区至北部平原区可大致划分为4个水文地质单元。地下水源热泵的适应性分区需要考虑第四系厚度、地下有效含水层累计厚度、浅层地温、地下水污染、是否位于大型水源地、社会经济条件等因素。这是一个多指标决策问题，为此可采用层次分析法和综合指数法对地下水源热泵的适应性进行分区。

2.3 评价体系的构建

本体系指标之外的地面沉降、地裂缝以及水源地保护区这三个因素起决定性作用，这三个因素是本评价体系的先决条件，某个地区只要出现这三个因素中一项，不论本体系中13个指标好坏与否，都不适宜应用地下水源热泵系统。

评价体系由三层构成，从顶层至底层分别为系统目标层、属性层和要素指标层，如图1所示。

图1 石河子地下水源热泵适宜性评价体系Fig.1 Adaptability evaluating system of GWHP in Shihezi

2.3.1 构造两两比较判断矩阵

采用一种简化的三标度方法，更容易和直观地给出判断矩阵。比较矩阵d＝（dij）m×m，其元素意义如下：

式（1）中：dij为各元素之间重要性程度三标度比较矩阵；i为行矩阵阶数；j为列矩阵阶数。

然后计算：

式（2）中：ri为三标度比较矩阵的行要素之和。

再定义检查判断矩阵bij：

式（3）中：bij为判断矩阵；ri为三标度比较矩阵的行要素之和；rj为三标度比较矩阵的列要素之和；bm为rmax和rmin所对应的基点比较标度；rmax为三标度比较矩阵的行要素之和最大值；rmin为三标度比较矩阵的行要素之和最小值。

2.3.2 计算各要素的权重

矩阵元素bij构造出的判断矩阵Bi的最大特征值λmax及其所对应的特征向量，经归一化后即为同一层相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权重，记作W，其分量Wi表示各要素的相对重要度，即权重［7］，见表1。

表1 各指标层正交矩阵权重Tab.1 The weight of orthogonal matrix for every index level

2.3.3 一致性检验

若判断矩阵具有完全一致性时，λmax＝n（n为判断矩阵的阶数），且其余特征根均为零。而在实际过程中，只需判断矩阵具有满意的一致性时，就能保证层次分析法的基本合理性。经常用CI检查决策者判断思维的一致性，CI的计算式见式（4）：

式（4）中：λmax为矩阵元素bij构造出的判断矩阵Bi的最大特征值；n为判断矩阵的阶数。

依据随机一致性比率CR＝CI／RI＜0.10来检验判断矩阵的满意一致性。当CR＞0.10时，则需要重新调整判断矩阵的元素取值。RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，对于本文采用的三阶和四阶判断矩阵，RI值分别取0.58和0.90。求得4个正交矩阵的随机一致性比率分别为0.0468、0.0468、0.0424和0，均小于0.10，满足一致性检验要求。

2.3.4 适应性指数计算

对可定量的指标图件根据取值范围进行赋值，如等水位线图、地下水化学图等；对不能定量获得的指标图件如区域水文地质图，根据含水层岩性对地下水源热泵的适宜程度赋值，如单一砂卵砾石区适合地下水源热泵，则赋以高值9，从而将定性的图形量化。以上图件在赋值时，根据图件属性，越有利于应用地下水源热泵条件的属性层给分越高。同时，对已经发生比较严重的地面沉降地区，赋值很小，而对水源地保护区和地裂缝发育区，赋值为0，禁止采用地下水源热泵。

得到各区属性指标值后，结合各指标的权重值，即可采用综合指数法进行计算，从而得到每个区的最终地下水源热泵的适应性指数值。计算公式如下：

式（5）中：Ri，j为第k个要素在目标层中所占的权重；βk为第k个要素在第i行第j列网格上的赋值；αki，j为第i行第j列网格上地下水源热泵的适应性指数［7－8］。

3 地下水源热泵适宜性分区评价

本文根据计算得到的地下水源热泵的适应性指数分布情况，结合当地水文地质条件，制定了地下水源热泵的适宜性分区标准：禁止区为0，慎重使用区为1～3，可使用区为4～6，适宜区为7～10。

图2 石河子市地下水源热泵适宜性评价分区Fig.2 Adaptability evaluating distribution of GWHP in Shihezi

经过等值线划分之后，生成的石河子地下水源热泵的适宜性分区图如图2所示。其中，禁止区有1块（A区），适宜区分2块（B区和C区），可使用区1块（D区——西岸大渠以北）。

石河子各区具体评价值见表2。

表2 石河子各区评价结果Tab.2 Evaluating results for distribution of Shihezi

3.1 A区（南山洼地）——禁止区

位于玛纳期河一级电站与红山嘴之间的剥蚀堆积丘陵区和山间谷地，河流在流经南山洼地途中大量渗漏补给地下水。经物探成果分析具备良好的储水构造。饱水带厚度平均380 m左右，含水层岩性为中更新统西域组砾岩，为孔隙一裂隙型潜水，富水性强，单位涌水量10～23 L／s·m，渗透系数26～46 m／d。近山前带2.5 k m范围的冲洪积扇顶部，由于接受暴雨洪入渗补给，溶解了第三纪地层中的盐份，水化学类型为SO4·Cl—Na·Mg型和SO4·C·HCO3—Na·Ca·Mg型，矿化度大于1.0 g／L，最高达3.7 g／L。由于矿化度值高，容易腐蚀地源热泵机组；抽取地下水容易造成负面地质影响；此区域地下水位于城市供水水源上游，所以是禁止开采。

3.2 B区（山前冲洪积砾质倾斜平原区）——适宜区

大致位于312国道以南至山前，含水层岩性为卵砾石、砂砾石，饱水带厚度大于650 m，受玛纳斯河等地表水体的长期渗漏补给，储存了丰富的地下水资源，为极富水区。地下水埋深由南部的180 m向北逐渐变为潜水溢出带。富水性由南向北呈现强－极强－强的变化规律，单位涌水量6.9～70 L／s·m，渗透系数16～200 m／d，地下水矿化度小于1 g／L。山前倾斜平原是地下水水平径流区，潜水含水层矿化度低，一般为0.29 g／L～0.59 g／L，水化学类型为HCO3·SO4—Ca·Na型、HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型和 HCO3·SO4—Ca·Mg·Na型，水质良好。

3.3 C区（冲洪积平原区）——适宜区

大致位于312国道与西岸大渠之间，含水岩组上部为潜水含水层，地下水埋深小于5 m，局部地带为泉水溢出带，为强富水区。含水层岩性颗粒自南向北渐变为细，以砂砾石、粗砂、细砂为主，厚度32～65 m，单位涌水量1～15 L／s·m。潜水含水层之下为多层结构承压水含水层，单位涌水量11.6～34.7 L／s·m，渗透系数10～25 m／d，地下水矿化度小于1 g／L。水化学类型为HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型和HCO3·SO4—Ca·Mg·Na型。

3.4 D区（细土平原区）——可使用区

西岸大渠以北至莫索湾垦区，含水层颗粒更细，岩性一般为粉细砂、粉砂为主，粘性土层增多，承压水渗透系数1～5 m／d，单位涌水量0.5～2.5 L／s·m，承压水水质较好，矿化度0.3～1 g／L，水平径流变缓，为富水区。潜水含水层主要受渠系渗漏、灌溉入渗、降水入渗等补给，水质较差，矿化度大于3 g／L。

4 工程应用

4.1 石河子第一附属医院中医院地下水源热泵项目

该项目工程位于石河子市区，在文中划分的适宜区B区内，采用地下水源热泵机组采暖、制冷，系统示意如图3所示。工程应用面积1万m2，制冷负荷800 k W，制热负荷530 k W，于2008年11月开始运行。该工程潜水位埋深70 m左右，在降深2.5 m时机井单井涌水量均在150 m3／h以上，渗透性极好，一口抽水井只需一口回水井就能满足要求，正常回灌水位差一直保持在0.3 m以内。

图3 中医院地下水源热泵示意图Fig.3 Schematic diagram of GWHP for the traditional Chinese medicine hospital

4.2 农八师147团地下水源热泵项目

该项目工程位于石河子市北郊，在区划的可使用区D区内。2009年冬开始运行，采用地下水源热泵项目供暖，应用面积近5万m2，供暖平面示意图如图4。制热负荷2600 k W，潜水位埋深60 m左右，单井涌水量在120 m3／h以上，降深一般保持在0.7 m以内，渗透性较好。系统运行通常是3口抽水井与4口回水井配合使用。

以上2个工程经过2至3个采暖期的使用，地下水源热泵系统的运行状况良好，验证了本文分区的正确性。

图4 147团地下水源热泵供暖平面示意图Fig.4 Plane schematic diagram of GWHP for heating in 147crop

5 结语

为了确保工程质量和保护地下水资源，在推广地下水源热泵应用的前期，需要有相关管理部门对区内地下水源热泵的适应性进行的总体划分和规划，进而指导适宜应用区内建设范围的水文地质详勘，指导地源热泵项目建设遵从工程建设的科学性，以避免大规模盲目应用而带来的一系列严重不良后果，因此，地下水源热泵的适宜性评价研究具有重要意义。

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Evaluating Ground water Heat Pu mp Adaptability in Shihezi

XUE Guang，JIANG Shuguang，WANG Lei，ZHANG Qin，SU Xiaolei
（1 Life Science，Shihezi University，Shihezi 832003；2 College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，832003，China）

By analytic hierarchy process（AHP），we established the mathematics model for division of adaptability f or GWHP in Shi Hezi，obtained a distribution map of adaptability for GWHP，with t he result that one block of f or bidden subarea，t wo blocks of suitable subarea and one block of tolerable subarea，evaluated adaptability for the distributions.This evaluating result provides references for the related designer and ad ministration in planning the range of GWHP use in this city.

ground water heat pu mp（GWHP）；analytic hierarchy process；adaptability evaluating

TU833

A

1007-7383（2011）04-0500-05

2011-05-13

石河子大学重大科技攻关项目（GXIS2010-ZDGG05-04）

薛光（1988-），男，硕士研究生，专业方向为区域规划与农业建筑工程；e-mail：xg198802103158＠163.com。通讯作者：姜曙光（1965-），女，教授，从事小城镇绿色住区建设与建筑节能研究；e-mail：jsg99999＠126.com。