基于层次分析法的秦皇岛地下水源热泵适宜性区划

回广荣

(河北秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛066000)

受当地地质、水文地质条件中多种因素的影响，蕴藏于地下水中的浅层地温资源的适宜性存在较大差异［1］。为了缓解煤、石油等燃料紧张及环境压力巨大的问题，因此，选用科学合理的方法，以地质条件为基础，水文地质条件为依托，进行地下水式地源热泵在秦皇岛的适宜性区划，对于指导浅层地温能开发利用和实际工程是非常必要的。层次分析法和综合指数法是进行地下水源热泵适宜性区划的有效方法。

1 研究区概况

秦皇岛市位于河北省东北隅，北依燕山，南临渤海。本研究区位于本市的南部、西南部。

1.1 地形地貌

秦皇岛地区地势北高南低，呈阶梯状下降，长城以北为中低山区，海拔高度一般500～1 000 m，长城以南为丘陵台地区，海拔一般50～300 m，京山铁路以南为滦河、青龙河、饮马河、洋河、汤河、石河形成的冲洪积倾斜平原及滨海堆积平原。本研究区地势较平坦，海拔较低，一般为2～152 m，主要分布有丘陵台地、冲洪积平原、冲积平原、冲积海积平原、海积泻湖相平原、风成沙地等地貌类型。冲洪积平原自东向西分别为汤石河冲洪积平原、洋戴河冲洪积平原、饮马河冲洪积平原。

1.2 地层岩性

本研究区由变质岩构成古老的基底地层，以花岗岩类岩石及其衍生而来的片麻岩为主体。本区进入喜马拉雅运动以后，从第三纪始新世初，由于新生和复活断裂的剧烈活动，北部山区继续上升，平原区大幅度下降，平原区基底起伏较大。滦南～昌黎断裂直接控制着第三系的沉积与分布，滦南～昌黎断裂以南，刘台庄～渤海断裂以北，以赤洋口为中心为一第三纪断陷盆地。(据钻孔资料赤洋口孔深500多 m，揭露第三系馆陶组地层，第四系埋深400多 m)。滦南—昌黎断裂以北第四系地层沉积层序不全并缺失第三系地层。本区丘陵台地区出露地层主要为新太古代变质花岗岩。

1.3 构造

本研究区处于山海关台拱的南部和南堡断凹的东部，断裂发育。主要断裂有丰润—昌黎断裂、榆关—四零八断裂、滦南—昌黎断裂、冷口—鸽子窝断裂。

2 浅层地温能适宜性分区

2.1 分区目的

为浅层地温能勘查评价提供前提条件;为工程勘查设计选择的依据;为政府浅层地温能开发利用规划、项目管理和审批的依据

2.2 分区原则

以地质条件为基础。地质条件是浅层地温能赋存的基础条件，岩土体的结构、物质的组成、颗粒度和热导率等物理性质因素制约着形成浅层地温能的物质基础;以水文地质条件为依托。岩土体的含水层分布、含水率、水动力地质条件、地下水径流特征对能量的赋存和运移有较大的制约作用，水文地质条件对于地下水地源热泵系统的回灌起着举足轻重的作用;遵循经济与效益相结合。开发利用与地质环境保护相结合，平面划分与垂向控制相结合的原则，在当前的技术和经济条件下，选择最佳的开发利用方式。

2.3 分区类型

目前浅层地温能资源开发利用的主要方式为地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统，为指导秦皇岛市区浅层地温能合理开发利用，对开发利用方式进行适宜性区划。这里只论述地下水地源热泵适宜性区划。

秦皇岛市区地下水地源热泵适宜性开发利用分区划分为三级，即适宜区、较适宜区、不适宜区。

2.4 评价方法的确定

对秦皇岛市区浅层地温能开发利用适宜性分区采用层次分析法(AHP软件)计算权重，采用综合指数法进行综合评价。

2.4.1 权重计算方法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是美国匹兹堡大学教授A.L.Saaty于20世纪70年代提出的一种系统分析方法，是一种定性和定量相结合的系统化、层次化的分析方法，是对一些较为复杂的问题做出决策的简易方法。

层次分析法基本原理:它把要解决的问题分出系列层次，即根据问题的性质和要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，按照因素之间的相互影响和隶属关系将其分层聚类组合，形成一个递阶的、有序的层次结构模型。然后对模型中每一层次每一因素的相对重要性，依据人们对客观现实的判断给予定量表示，利用数学方法确定每一层次全部因素相对重要性次序的权值，通过逐层比较各种关联因素的重要性来为分析、决策提供定量的依据［2］。

运用层次分析法建模，大体上可按下面四个步骤进行:

(1)建立递阶层次结构模型;构造成对比较阵;计算权向量并做一致性检验;计算组合权向量并做组合一致性检验。

在层次分析法中，为使判断定量化，关键在于设法使任意两个方案对于某一准则的相对优越程度得到定量描述.层次分析法采用1－9标度法，对不同情况的评比给出数量标度.见表1。

表1 标度确定表

判断矩阵C具有如下特征:

判断矩阵中的 Cij是根据资料数据，专家的意见和系统分析人员的经验反复研究后确定。应用层次分析法保持判断思维的一致性是非常重要的。

对判断矩阵的一致性检验的步骤如下:

(a)计算一致性指标:CI

一致性指标CI的值越大，表明判断矩阵偏离完全一致性的程度越大，CI的值越小，表明判断矩阵越接近于完全一致性。

(b)查找相应的平均随机一致性指标 RI。对 n=1，2，3……9，Saaty给出了RI的值，如表2所示。(c)计算一致性比率CR

当n＜3时，判断矩阵永远具有完全一致性。判断矩阵一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI之比称为随机一致性比率C.R(Consistency Ratio)。

当CR＜0.10时，便认为判断矩阵具有可以接受的一致性。当CR＞0.10时，就需要调整和修正判断矩阵，使其满足CR＜0.10，从而具有满意的一致性。

2.4.2 综合评价方法

本次综合评价采用综合指数法，综合指数法是将一组相同或不同指数值通过统计学处理，使不同计量单位、性质的指标值标准化，最后转化成一个综合指数，以准确地评价工作的综合水平。

3 地下水源热泵适宜性区划

根据规范和水文地质条件，对本区200 m以浅的潜水和微承压水进行地下水地源热泵系统适宜性区划。

目前为止，仅见“昆北”有此类过腔。如去声字“受”的唱调（《荆钗记·男祭》【折桂令】“致受磨折”，755）。对于去声字，我们可以将它作为两节型过腔理解，但“受”字在昆曲中通常又多作上声字。若按上声字解，该字的字腔是，其中音是昆曲运用借音造势依字行腔法，向前字“致”借来作为“受”的腔头乐音，由此构成的就是完全符合上声字高—低—高调值的字腔音势。其后的乐汇，即为“受”的过腔。其中是第一个主调性过腔，是第二个主调性过腔，是第三个主调性过腔。这个过腔是由同一种音乐材料组成的“主调+主调+主调”多节型过腔。

3.1 评价指标选取

(1)地质、水文地质条件

水文地质条件因子主要包括含水层单井涌水量、回灌能力、渗透性。地质条件主要包括有效含水层厚度。含水层单井涌水量的大小表现含水层的地下水富集程度，决定了含水层的出水能力，也确定了地下水地源热泵系统循环水量大小［5］。回灌能力关系到地下水地源热泵系统运行的可持续性和地下水资源的保护。如果回灌不能将100%的井水回灌到同一含水层内，将带来地下水位下降、含水层疏干、地面沉降等［6］。因此，含水层出水能力和回灌能力决定了地下水地源热泵系统的运行情况。它是决定地下水地源热泵系统适宜性的关键指标。含水层的渗透性决定了地下水的流动性能强弱，地下水的流动性越强说明地下水地源热泵系统热交换越好，供暖或制冷效果越好。所以含水层的渗透系数也是地下水地源热泵系统的重要指标。

(2)水动力场即地下水流场

水动力特征包括地下水水位埋深和地下水水位年降幅。分析现状情况下地下水水位动态状况等确定地下水地源热泵系统工程的适宜性。

表2 相应的平均随机一致性指标RI值

(3)水化学场

水化学特征主要表现为地下水水质类型。本研究区地下水矿化度 ＜2g/l，水质透明，无色，无味，满足热泵要求。因此，将地下水水质类型和地下水硬度作为适宜性区划的指标。将地下水水质类型分为三类:1类为HCO3－Ca(Ca·Mg)型，2类为 HCO3·SO4(SO4·HCO3)－Ca·Na(Na·Ca)型，3 类为 Cl·HCO3(HCO3·Cl)－ Ca·Na(Na·Ca)、Cl－Na(Na·Ca)、SO4·Cl(Cl·SO4)－Ca(Ca·Na)型。

3.2 评价体系建立

评价体系层次结构模型由三层构成，从顶层至底层分别由系统目标层(O，Object)、属性层(A，Attribute)和要素指标层(F，Factor)三级层次结构组成。O层是系统的总目标，即地下水地源热泵适宜性分区，A层是属性指标层，由地质、水文地质条件，水动力特征，水化学特征三部分构成，F层是要素指标层，由含水层出水能力、回灌能力、渗透系数、有效含水层厚度、地下水水位埋深、地下水水位年降幅、地下水水质类型、地下水硬度等8个要素指标构成(见图1)。

图1 地下水地源热泵系统适宜性分区评价结构

本文采用层次分析法给上述因素赋权重值。依据层次分析法的要求，在评价体系的层次隶属关系的基础上，通过专家打分，采用1－9标度法，分别比较属性层(A)和要素层(F)中各因素的重要性，构成两两比较矩阵。

从层次结构模型可知，地下水地源热泵适宜性划分(A)有3个属性指标层来平衡:地质、水文地质条件(B1)，水动力场(B2)，水化学场(B3)。构造判断矩阵A－B，并用AHP软件计算权重W(表3)。

表3 A－B属性指标矩阵

经计算最大特征根λmax=3.065，判断矩阵一致性比率CR=0.055，由于 CR ＜0.1，判断矩阵具有可以接受的一致性。

分别构建B－C矩阵，并判断矩阵一致性。见表4。

表4 要素指标重要程度的比较

最后进行总排序，得出各因子的组合权重。

表5 各因子组合权重计算结果

3.3 因子赋值

评价所用数据的类型和量纲各不相同，为了在同一评价体系内对不同数据进行比较和运算，需要在评价之前对数据进行标准化处理。

3.4 综合评价

浅层地温能的适宜性评价是对所有指标因素影响的综合分析，在计算组合权重之后，对指标的权重与各指标的评价值进行加法合成运算，得到浅层地温能适宜性评价的综合得分。

式中:X为综合评价值，Wi为指标i的权重，Xi为指标 i的评价值，n为指标个数，该方法适合于各评价指标值对综合评价值的贡献彼此独立的情形［3］。

利用MapGIS6.7制图软件，制作各要素指标的图件。基础图件的编制包括:含水层出水能力分区图、回灌能力分区图、渗透系数分区图、有效含水层厚度分区图、地下水水位埋深分区图、地下水水位年降幅分区图、地下水水质类型分区图、地下水硬度分区图。

表6 水文地质条件指标量化

表7 水动力场指标量化

表8 水化学场指标量化

根据表6、表7、表8各因子赋值，结合表6的组合权重，利用(1)式分别计算各评价指标值，将计算结果赋到区属性中。利用MapGIS6.7空间分析功能将这8个图层进行叠加，将得出结果在输入编辑状态生成Label点文件，将点文件属性输出，利用Excel把各个要素指标值相加。将最后结果按表10的分级进行地下水地源热泵适宜性区划。

表9 指标分级表

3.5 评价结果分析

适宜区:通过计算，评价分值没有7－9这一区间值，故秦皇岛没有地下水地源热泵开发利用适宜区。分析原因本地区回灌能力没有大于80%的区域。

较适宜区:分布在洋河以西，渤海农场—大蒲河—赤洋口以北的地区，分布面积114.67 km2，占研究区19%。这一地区含水层岩性以砾砂、粗砂、中砂为主，第四系厚度50～200 m，含水层厚度大于30 m，地层渗透性较好，一般大于40 m/d，富水性较好，单井出水量一般300～500 m3/d，回灌能力50% ～80%。

不适宜区:分布在汤石河冲洪积平原、新河河谷、戴河河谷、洋河以东的地区及临近渤海岸边的窄长条地带。分布面积304.09 km2，占研究区50.4%。石河冲洪积平原含水层岩性以卵石为主，含水层厚度小于10 m，地层渗透性较好，但回灌能力差。汤河冲洪积平原含水层岩性以粗砂、砾砂为主，含水层厚度小于10m，地层渗透性较好，但这是水源地保护区。新河河谷、戴河河谷及洋河以东的地区含水层岩性以粗砂、砾砂、中砂、细砂为主，含水层厚度小于30m单井出水量小于300 m3/d，地下水水位埋深小于3m，回灌能力较差，小于30%。

4 结语

本文利用层次分析法建立秦皇岛地下水地源热泵开发利用适宜性的评价指标体系，评价指标分为地质、水文地质条件;水动力特征;水化学特征三个指标，由含水层出水能力、回灌能力、渗透系数、含水层厚度、地下水水位埋深、地下水水位年降幅、地下水水质类型及地下水硬度8个要素影响。通过综合评价将本区划分为较适宜区和不适宜区。较适宜区分布面积114.67 km2，占研究区19%。不适宜区分布面积304.09 km2，占研究区 50.4% 。

［1］董殿伟，等.北京市平原区地源热泵系统适宜性分区评价.北京水务.2010(2).

［2］潘公，等.秦皇岛市地热资源调查评价报告.2002.

［3］闫福贵.呼和浩特市浅层地温能开发利用适宜性评价研究.中国地质大学(北京)博士学位论文.2013.

［4］江剑，等.层次分析法在北京平原区浅层地温能开发适宜性评价中的应用.

［5］中华人民共和国建设部.GB50366－2005.地源热泵系统工程技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社.

［6］陈莹，地埋管地源热泵回填材料实验研究.中国地质大学硕士论文.2008.