基于GIS和AHP的南通市主城区地下水地源热泵适宜性评价

周红卫， 王　琦， 张沙莎， 杨　仪， 郭　华

(江苏省地质环境勘查院，江苏南京210002)



基于GIS和AHP的南通市主城区地下水地源热泵适宜性评价

周红卫， 王琦， 张沙莎， 杨仪， 郭华

(江苏省地质环境勘查院，江苏南京210002)

摘要：将南通市主城区的地质和水文地质条件、地下水动力场、温度场与热物性、地下水化学场和环境地质等自然因素作为层次分析法(AHP)模型的评价因子，应用AHP获得各影响因子的权重值，并结合GIS的空间分析技术，将研究区地下水地源热泵适宜性分为适宜、较适宜和不适宜3个大区，其中适宜区和较适宜区占总调查区的97.78%。经检验，评价方法适合该研究区。

关键词：层次分析法(AHP)； 地下水地源热泵； MapGIS空间分析； 适宜性分区； 江苏南通

0引言

浅层地温能开发利用方式主要为地埋管式和地下水式地源热泵。对于地埋管地源热泵方式，适宜性分区主要考虑岩土体特性、地下水分布和渗流情况等因素；对于地下水地源热泵方式，则主要考虑含水层岩性、分布、埋深、厚度、富水性、渗透性、地下水动态变化、地质灾害等因素(王贵玲等，2012)。

结合GIS的空间分析技术，按照层次分析法计算所得的分区标准，可将多个评价因子间交互计算后的属性结果在GIS图件上直观表达。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)(Saaty，1986)是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，适合于针对浅层地温能开发利用适宜性评价(董殿伟等，2010;苑雷等，2013；杨泽等，2013;Chandio et al.，2013)。

南通市主城区地下水地源热泵适宜性的分区工作，可为浅层地温能资源量评价、开发利用规划及政府管理提供可靠依据。

1分区模型的构建与评价

1.1研究区概况

南通市位于江苏省东南隅、长江三角洲前缘，东临黄海，南靠长江，濒江临海。研究区为南通市主城区，包括崇川区、港闸区、经济技术开发区3个区，面积约470.0 km2，其中陆域面积约410.0 km2，水域面积约60.0 km2(图1)。

图1　研究区交通位置图Fig.1　Map showing traffic location of the study area

中国广大平原松散地层分布区，或具备地下换热条件的基岩出露区，都具有开发利用浅层地温能的条件(韩再生等，2007)。南通市位于长江三角洲平原，成陆时间不长，区内地形平坦，河渠纵横，水网密布，长江沿岸屹立有5个规模较小的孤丘，高程约30～110 m。该区地下水水源充足，富水性分区明显，为浅层地温能的开发利用提供了天然地质条件。本次浅层地温能调查研究的含水层自上而下为潜水层、第I承压含水层、第II承压含水层、第Ⅲ承压含水层。区内各含水层均通过黏性土弱透水含水层发生水力联系，其中第I承压水含水层(组)由上更新统冲积、冲海积松散地层组成，分布广泛，含水层顶板埋深40～60 m，富水性较好，单井涌水量1 000～5 000 m3/d。水质较复杂，受海水及后期地表水的补给淡化所影响，具有明显的分带性，其一般规律为由西向东，矿化度增加，水质变差。第Ⅲ承压水含水层为南通市地下水主采层，经过数十年的大量或过量开采，主采层水位持续下降，改变了含水层组内部和含(隔)水层组间的原始相平衡状况，水质呈咸化趋势(单卫华等，2008)。

结合南通市主城区特有的地质、水文地质条件和地源热泵资源潜力评价要求，优先选择富水性较好的第Ⅰ承压含水层作为评价含水层，第Ⅰ承压含水层各要素分区图和等值线图作为参与适宜性分区计算的各评价因子的重要属性。

1.2 AHP模型建立——评价因子的选择

为了突出影响地源热泵适宜性的主导因子，参考了国内外较为普遍适用的评价指标，主要有地质、水文地质条件，地下水动力场，地质体的温度场、热物性，地下水化学特征以及施工条件等(董殿伟等，2010；苑雷等，2013；杨泽等，2013)。

在前人研究的基础上，通过物探测井，抽水回灌试验等勘察手段，确定研究区地源热泵适宜性分区主要受5个条件控制：地质与水文地质条件，地下水动力场，温度场与热物性，地下水化学场和环境地质。评价因子分列如下。

1.2.1地质、水文地质条件(1) 富水性：全区根据含水层特征及富水性划分为4个富水区：水量丰富区，单井涌水量>3 000 m3/d；水量中等区，单井涌水量为1 000～3 000 m3/d；水量较小区，单井涌水量<1 000 m3/d；缺失区，无第Ⅰ承压含水组区及基岩区。

(2) 咸水底界埋深。全区根据咸水底界埋深等值线与第I承压含水层隔水底板的相对位置可分为2个区：咸水底界埋深>140 m，位于隔水底板下覆；咸水底界埋深120～140 m，局部隔水底板埋深小于咸水底界埋深。

(3) 含水层回灌能力。依据回灌实验将研究区含水层回灌能力分为2个区：回灌较好区，采灌比0.35～0.65；回灌一般区，采灌比>0.65。

1.2.2地下水动力场(1) 地下水位埋深。根据水位统测，研究区地下水位埋深可划分为3个区，即地下水位埋深<2、2～4、>4 m。

(2) 含水层渗透系数。根据抽水试验，渗透系数分为3个区：中部渗透性一般区，渗透系数10～30 m/d；其他2个渗透性较好的区，渗透系数>30 m/d。1.2.3温度场、热物性(1) 地层温度梯度。根据温度测温，地层温度梯度可分为3个区：中部温度梯度较大区，温度梯度>3 ℃每100 m；其他2个地层温度梯度较小区，温度梯度<3 ℃每100 m。

(2) 热传导率。研究区不同地点，同一地层热传导率可分为2个区：热传导率较低区1.0～1.3 W/(m·K)，热传导率较高区1.3～1.9 W/(m·K)。

(3) 比热容。根据研究区不同地点，同一地层比热容可分为2个区：比热容较低区1.0～1.2 kJ/(kg·K)，比热容较高区1.2～1.52 kJ/(kg·K)。

1.2.4地下水化学场水质：第Ⅰ承压含水组由于受到二次海侵的影响，矿化度由西向东逐渐增高，划分为3个区：矿化度<1 g/L的淡水区，矿化度为1～3 g/L的微咸水区，矿化度>3 g/L的咸水区。

1.2.5环境地质根据多年的沉降监测数据，南通市主城区地面沉降率可划分为3个区，即年沉降量>4、3～4、<3 mm。

地质、水文地质条件决定着浅层地温能的赋存环境，含水层出水能力、回灌能力及抽回灌井比例等决定场地是否能使用地下水地源热泵方式。地下水动力场需结合含水层厚度，地下水流动状况，地下水超采状况等确定地下水地源热泵工程适宜性。水化学场分析主要针对城市地下水源地分布区及地下水资源的保护区划，结合不同层位地下水水质资料，提出地下水地源热泵工程适宜区域，确定防止地下水含水层污染的适宜开采回灌层位。

1.3影响因子的权重

1.3.1建立层次结构模型对南通市主城区水文地质勘察数据进行分析，根据适宜性分析目的性及评价因子的从属关系，建立层次分析模型(图2)。

1.3.2构造判断矩阵在建立层次结构关系后，上下层次之间元素的隶属关系被确定，根据1～9标度法，确定同一层次下元素间两两间相对重要程度，即权重，最终建立判断矩阵(表1—表4)。

图2　适宜性分区层次结构模型Fig.2　Hierarchical structure model of suitability zoning

AB1B2B3B4B5B113462B21/314/322/3B31/43/4121/2B41/61/21/211/3B51/23/2231

表2　B1-C层次判断矩阵

表3　B2-C层次判断矩阵

表4　B3-C层次判断矩阵

(1)

(2)

(3)

A-B层判断矩阵λmax=5.01，特征向量为(0.828 6，0.276 2，0.220 2，0.130 8，0.414 3)，CR=0.002 2<0.1，满足一致性检验，归一化得权重Wi=(0.443 1，0.147 7，0.117 7，0.069 9，0.221 5)。B-C层所有判断矩阵CR均为0，满足一致性检验，其中B1-C特征向量归一化权重Wi=(0.562 5，0.312 5，0.125 0)，B2-C特征向量归一化权重Wi=(0.200 0，0.800 0)，B3-C特征向量归一化权重Wi=(0.466 7，0.333 3，0.200 0)。

1.3.4影响因子的权重各影响因子权重如表5所示。

1.4空间分析

本次适宜性区划是通过将南通市主城区网格化，计算各单元格的适宜性指数，从而得到整个研究区的适宜性分区。为提高计算准确度，对南通市主城区陆地大约410 km2的范围进行1 km × 1 km的网格剖分，参与计算评价的单元格个数为466个。

对评价因子分区图进行矢量化，并对各评价因子的分区进行属性赋值，通过MapGIS软件的空间分析功能使各单元格获得各评价因子的属性，根据式(4)计算各单元格的适宜性分值。

(4)

式(4)中,Gi为适宜性分值，Wi为第i个因子的权重(表5)，Si为单元格第i个因子的赋值，m=7。

应用MapGIS软件空间分析功能，对影响各适宜性分区的评价因子进行对应区属性的区对区合并分析，再根据表5所列的各评价因子权重，对各适宜性分区迭加后的值进行权重计算。

对于∀Ai∈D，档案实体A的特征信息分属1个或多个视图，在构建档案信息关联分析模型之前，需要对来自不同数据源异构的档案数据进行数据融合，通过对档案信息进行特征提取形成关联节点，将多源异构的档案数据映射到不同视图的特征关系图中，形成多视图下的档案信息特征关联图。

表5　各影响因子的权重

2浅层地温能开发利用适宜性分区

2.1适宜性分区标准

结合各评价因子分区套图信息，将南通市主城区地下水地源热泵适宜性分区标准分为不适宜、较适宜、适宜3类(表6)，并通过区属性重新定义分区，获得研究区浅层地温能开发利用适宜性分区图(图3)。

表6　南通市主城区地下水地源热泵适宜性分区标准

图3　南通市主城区地下水地源热泵适宜性分区图Fig.3　Map showing suitability zoning of groundwater source heat pump system in the main urban area of Nantong

2.2适宜性分区

运用MapGIS对适宜性分区图进行统计，得出南通市主城区地下水地源热泵系统适宜区面积246.9 km2，较适宜区面积154.0 km2，占总调查面积的97.78%。适宜区水量丰富，渗透条件较好，便于热量交换，有利于提高地埋管式地源热泵的换热效率。研究区地下水地源热泵适宜区主要集中在第四纪长江古河道活动区，沉积物以河床相砂层为主，厚度较大，富水性好，回灌能力强，水文地质条件优越，非常适宜做地下水地源热泵工程；较适宜区沉积物较复杂，主要由黏性土和砂层组成的双层结构，富水性和回灌能力均不及适宜区；不适宜区狼山、剑山、军山为孤山残丘，长期遭受风化剥蚀，其余地区为长江河道现代沉积区，沉积物以黏性为主，砂层不发育，富水性差，不适合建立水源热泵工程。结合目前南通市主城区已建成的地下水地源热泵的实例，对本次适宜性分区进行检验，验证了分区结果的准确性，证明本次工作评价体系、评价方法基本正确，评价结果可信，可以作为南通市主城区建立地下水地源热泵的依据。

3结论

(1) 对江苏省沿海地区浅层地温能适宜性进行了分区，并获得了南通市主城区的地下水地源热泵适宜性分区结果，为南通地区浅层地温能合理开发利用提供了科学依据，对其他地区的分区具有指导意义。

(3) 地下水地源热泵的适宜性主要考虑的是良好的水文地质条件，应综合考虑多种因素(包括非地质因素)来决定该地区的适宜性评价方式，如单井的出水量和回灌量。本次评价取用采灌比分区作为评价因子，研究区采灌比差别较小，对研究区分区评价影响不大。

参考文献：

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DZ/T 0225—2009,浅层地热能勘查评价规范.

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江苏省地质矿产局第一水文地质工程地质大队.1989.南通市水文地质、工程地质、环境地质综合勘察报告(1∶5万).江苏南京：江苏省地质矿产局第一水文地质工程地质大队.

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GIS/AHP-based suitability assessment of groundwater source heat pump system in the main Nantong urban area

ZHOU Hongwei, WANG Qi, ZHANG Shasha, YANG Yi, GUO Hua

(Environmental Geology Exploration Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210002, Jiangsu, China)

Abstract：This study chosed the geological and hydrological conditions, groundwater dynamic field, temperature field, thermal properties, water chemistry field and geological environment of the main urban area of Nantong as evaluation factors of the Analytic Hierarchy Process (AHP) model, and obtained the weight values of each factor according to the AHP method. Combining with the spatial analysis technology of GIS, we classified the suitability of groundwater source heat pump system in the study area into three types, i.e., suitable, fairly suitable and unsuitable types, with the suitable and fairly suitable areas accounting for 97.78% of the total study area. The further engineering inspection suggests that this evaluation method is suitable for the study area.

Keywords：Analytic Hierarchy Process(AHP); groundwater source heat pump; MapGIS spatial analysis; division of suitability; Nantong in Jiangsu

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.01.178

收稿日期：2015-03-09；修回日期：2015-05-18；编辑：陆李萍

基金项目：江苏省地质勘查基金项目(苏国土资[2012]999号)

作者简介：周红卫(1970—)，男，高级工程师，地下水科学与工程专业，长期从事工程地质、水文地质、环境地质及地热地质研究工作，E-mail： zsscug@163.com

中图分类号：P314.9

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)01-0178-05