重庆市主城区浅层地温能开发利用分区方法研究

张甫仁，毛维薇，袁　园，高谐林，王乐祥

(1.重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074；2.西昌学院 土木与水利工程学院，四川 西昌615000；3.四川华电木里河水电开发有限公司，四川 西昌 615000)

0　引　言

浅层地温能是指地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能[1]。随着建筑能耗日益增大，建筑节能受到各界关注，浅层地温能以其分布广、储量大、可持续开发利用等特点[2-5]得到大力推广。但重庆乃至全国浅层地温能开发利用的进程迟缓[6]，在开发利用过程中存在着开采成本高、盲目开采、管理不善等诸多问题。为此，全国各地开展了资源评价、适宜性分区等调查研究[7]，为合理高效地利用浅层地温能资源提供了依据。目前，大多数浅层地温能适宜性分区仅以水文地质条件、地质构造、气候条件等特征为依据进行划分，极少结合考虑到城市规划建设、城市经济状况、具体行政界限等条件，给浅层地温能开发利用规划在实际中的实施管理带来了问题。因此，在传统适宜性分区的基础上考虑城市规划、经济、行政界线等条件，可以给浅层地温能开发利用规划提供更准确更实用的信息和依据。

笔者通过对重庆市主城区浅层地温能资源情况的调查研究，并在浅层地温适宜性分区的基础上，根据重庆市行政界限(组团)、城市规划、人防等地下设施、经济发展状况等，对重庆市主城区进行浅层地温能开发利用综合分区，为后期规划浅层地温能开发利用相关的研究和具体项目实施提供依据。

1　资源开发利用概况

1.1　重庆市浅层地温能概况

重庆市主城区包括渝中区、大渡口区、江北区、沙坪坝区、九龙坡区、南岸区、北碚区、渝北区、巴南区；主要在重庆中心城区以及两江新区部分，面积1 670 km2。由鱼嘴组团、龙兴组团、空港组团、悦来组团、水土组团、蔡家组团、礼嘉组团、人和组团、唐家沱组团、观音桥组团、沙坪坝组团、渝中组团、大杨石组团、南坪组团、李家沱组团、界石组团、北碚组团、一品组团、西永组团、木古组团、大渡口组团、茶园组团，共计22个组团组成。

重庆市主城区内具备较优的浅层地温能资源，资源成带型明显，资源的分布严格受地质构造控制，与区域水文地质条件一致；地层以沉积岩为主，分布岩石为泥岩、砂岩、灰岩，开发利用的钻探成本较高；岩土体导热系数在1.93～3.10 W/(m·K)之间，其平均值为2.62 W/(m·K)，具有良好的导热性能；岩土体平均温度在18.5～20.5 ℃，非常有利于资源的开发利用；重庆主城区地下水以裂隙水为主，地下水的流动对地下换热器的传热非常有利，也能减缓资源利用带来的热平衡问题。

依据《浅层地热能勘查评价规范》的要求，重庆市主城区浅层地温能调查评价使用的指标为地下富水性、地下水质、平均热导率、平均比热容和钻孔难易度。由于重庆市地下资源主要为裂隙水，并不适合地下水地源热泵，规划中并未考虑地下水地源热泵适宜性分区，因此主城区地埋管地源热泵适宜性分区即为主城区浅层地温能适宜性分区[8-9]。对重庆市主城区地埋管地源热泵适宜性分区的结果见图1。初步统计各分区面积见表1。由表1可见，浅层地温能资源适宜区与较适宜区共占地面积比例达96.5%，整个重庆地区内可以大量利用地埋管地源热泵系统形式的浅层地温能资源[8]。

图1　重庆市主城区地埋管地源热泵系统适宜性分区Fig. 1　Adaptive partition map of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

表1　重庆市主城区浅层地温能适宜性分区面积统计Table 1　Adaptive partition statistical area of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

1.2　资源开发利用现状

根据重庆市建设用地规模，并考虑城市规划、道路、桥梁、已有建筑物、城市规划绿地等影响因素，建成区土地利用系数取0.07，规划区土地利用系数取0.221 4。考虑土地利用系数情况下，规划区内在100 m以上范围内浅层地温能资源冬季可供暖面积3.789×108m2，夏季可制冷面积2.098 5×108m2；在重庆市调查区浅层地温能资源可开发利用的总能量为1.951 6×108GJ，开采利用可节约的标煤量为2.333×106t/a，减少二氧化硫排放量3.967×104t/a，减少氮氧化物排放量1.400×104t/a，减少二氧化碳排放量5.568×106t/a，减少悬浮质粉尘排放量1.867×104t/a，减少灰渣排放量2.334×104t/a，节省的环境治理费为6.583×104万元/a。

据统计，截止2015年12月，规划区内已建成或通过施工图审核的地埋管式地源热泵项目数目达到10个，建筑面积已达308 581 m2。其中住宅建筑占28%，学校建筑占6%，办公建筑占44%，会展中心占11%，医院占10%，科研基地占1%。据重庆市现有浅层地温能应用项目估算，一年常规能源替代量相当于7 742 t标准煤，约可减排CO2、SO2分别达6 466、46 t。

1.3　重庆市主城区城市发展状况

根据《重庆市城乡总体规划(2007—2020年)2014深化文本》(后简称《文本》)，整理出2020年以内预计建成的公共建筑所占面积，计算出每个组团的公建比例(公建比例=公共建筑面积/组团面积)，统计结果如图2，其中公建比例大于10%的组团有观音桥组团、渝中组团、大杨石组团、李家沱组团。此外《文本》中对重庆市的用地情况进行了详细规划，分为建成区、规划区和拓展区，对重庆市主城区内的22个组团的每一个组团进行统计，把建成区占组团总面积最多的组团称为建成组团，规划区占组团总面积最多的组团称为规划组团，拓展区占组团总面积最多的组团称为拓展组团，当建成区、规划区和拓展区所占面积相当时就是“特例”，最后得到22个组团的用地情况如表2。

图2　重庆市主城区公建比例统计Fig. 2　Public construction ratio in urban area of Chongqing

表2　重庆市主城区用地情况表Table 2　Land use in urban area of Chongqing

2　开发利用综合分区方法研究

2.1　分区评价体系建立

在对重庆市资源情况、城市发展状况的调查基础上，结合专家意见，建立重庆市主城区浅层地温能资源开发利用综合分区评价体系，如图3。

图3　浅层地温能资源开发利用综合分区评价体系Fig. 3　Evaluation system of shallow geothermal energy exploitation and utilization comprehensive partition

2.2　层次分析法确定资源开发利用分区指标权重

根据图3建立判断矩阵，并根据判断矩阵标度，建立各指标之间相对重要性比较的两两对比矩阵[10-11]：

计算特征向量得到W=[0.375，0.625]T，W1=[0.530 4，0.469 6]T，W2=1。因此，指标权重结果如表3。

表3　层次分析法确定的评价指标权重值Table 3　The weight value of evaluation index determined by AHP

2.3　非结构性模糊赋权法确定评价指标权重

根据重要性定性排序的方法对指标进行排序，重要性定性排序为：适应性分区，用地情况，公建比例。结合专家意见认真考虑以后认为属性层的发展状况A1重要性排序为1的要素指标C1与指标C2相比处于“同等重要”与“稍稍重要”之间，与排序为3的指标C3相比“稍稍重要”，与排序为4的指标C4相比处于“稍稍重要”和“略为重要”之间，与排序为5的指标C5相比处于“较为重要”和“明显重要”之间。应用语气算子确定相对隶属度向量为h={1，0.905，0.739}，把相对隶属度向量进行归一化即为权重向量w={0.378，0.342 3，0.279 5}，得到指标用地情况C11、公建比例C12、适应性分区C21的权重分别为0.342 3、0.279 5、0.378 2。

2.4　综合权重计算

由层次分析法和非结构性模糊赋权法确定的指标权值均存在相对误差，根据其总体误差分析判断，两种方法所求结果比较近似，具有一定的可靠性。为克服单一评价方法带来的误差，采用综合求权方法——乘法合成归一化法对两种评价方法所得的指标权重进行归一化处理，计算公式如式(1)：

(1)

式(1)中，m=2，n=3，所得用地情况C11、公建比例C12、适应性分区C21的综合权重分别为0.336 9、 0.286 5、0.376 5。

2.5　基于综合指数法的综合评价

综合指数法是将一组相同或不同指数值通过计算处理，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，准确地评价工作的综合水平。综合评价指数法计算公式如式(2)：

(2)

式中：Rk为综合评价指数；∂i为指标要素权重；xi为指标要素属性赋值；n为指标要素个数。

2.5.1评估指标标准化处理

评价使用的指标数据具有不同的类型和量纲，为了达到在同一评价体系内对不同类型和量纲的数据进行运算和比较的目的，需要对数据进行标准化处理。本次评价的具体处理方法是：以影响因子对浅层地温能开发利用的有利程度为比较标准，对各个要素的范围值在1～9之间打分。越有利于浅层地温能资源开发利用的指标数据范围分值越高，越不利的指标数据范围分值越低。浅层地温能开发利用综合分区所有的指标等级划分及评分结果(标准化处理结果)见表4。

表4　浅层地温能开发利用指标分级赋值Table 4　Graded assignment values of shallow geothermal energy exploitation indicators

2.5.2评估等级设置

根据重庆市主城区资源适应性分区、用地情况、组团公共建筑比例3个评分因子对重庆市浅层地温能综合分区区域按照3类进行划分，采取综合指数法，计算得到各组团的综合评价分数，将评价分数≥5.5分的区域划分为大力发展区，为浅层地温能资源丰富、经济发展状况好，资源利用潜力大的地区；得分在4.5～5.5分的区域划分为鼓励发展区，为浅层地温能资源较丰富、经济发展状况较好、资源利用潜力较大的地区；<4.5分的区域划分为一般发展区，为浅层地温能资源较丰富、区域经济发展相对一般的地区。

3　重庆市主城区浅层地温能开发利用综合分区及建议

3.1　浅层地温能开发利用综合分区

通过对重庆市地质条件、浅层地温能资源情况调查、城市建设情况发展研究、城市未来规划资料搜集分析，依据上述方法将重庆市主城区划分为3个区域，采用MAPGIS软件绘图，将大力发展区(≥5.5分)、鼓励发展区(4.5～5.5分)、一般发展区(<4.5分)、绿化带以及防空等地下设施按不同颜色区域划分出图，见图4。

图4　重庆市主城区浅层地温能开发利用规划综合分区Fig. 4　Comprehensively zoning map of development and utilization planning of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

1) 大力发展区

“大力发展区”为浅层地温能资源丰富、经济发展状况好、资源利用潜力大的地区。包括悦来组团、唐家沱组团、南坪组团、李家沱组团、西永组团、茶园组团6个组团，面积共计530 km2，占总规划面积的31.74%。该发展区应加强浅层地温能技术开发，完善鼓励机制，大力开采浅层地温能。

2) 鼓励发展区

“鼓励发展区” 为浅层地温能资源较丰富，经济发展状况较好、资源利用潜力较大的地区。包括龙兴组团、蔡家组团、人和组团、观音桥组团、沙坪坝组团、渝中组团、大杨石组团、大渡口组团、北碚组团9个组团，面积共计611 km2，占总规划面积的36.59%。该发展区应结合当地发展情况鼓励浅层地温能的开发利用。

3) 一般发展区

“一般发展区” 为浅层地温能资源较丰富、区域经济发展相对一般的地区。包括鱼嘴组团、空港组团、水土组团、礼嘉组团、木古组团、界石组团、一品组团7个组团，面积共计443 km2，占总规划面积的26.52%。该发展区应结合当地发展情况适当发展浅层地温能。

此外，铁路、公路、地铁等交通，水利，军事重要设施及重要珍贵文物等，按照国家相关规定限制开发地下资源的保护区域以及生态绿地，应该限制开采，这部分区域包括渝中、沙坪坝、南坪、大杨石、大渡口、茶园组团的沿江区域及生态绿地，面积共计86 km2，占总规划面积的5.15%。该区域地下空间地质环境复杂、地面及地下的建设现状对地下空间的可利用影响程度高，应慎重采用浅层地温能资源。

3.2　开发利用规划建议

基于以上对浅层地温能开发利用分析以及重庆市主城区资源状况和城市发展状况的调查分析，给出以下建议：

1) 浅层地温能的开发利用条件没有严格的限定，能达到布设要求和经济许可的条件下，均可使用地埋管地源热泵系统开发利用资源，特别是“大力发展区”，具有更有利的开发条件，应该大力发展。

2) 地埋管地源热泵系统的开发应用在使用建筑方面的优先选择顺序为办公建筑—商业建筑—居住建筑；在地区建设时序方面的优先选择顺序为新建建筑地区—在建建筑地区—现状建筑地区。

3) 重庆市地下空间复杂，地埋管地源热泵系统的开发应用需要对地下空间结构进行事先调查，特别是渝中、沙坪坝、南坪、大杨石、大渡口、茶园组团的沿江区域。

4　结　论

根据重庆市经济社会发展的战略方向、多组团发展的定位，结合浅层地温能资源分布特点，并综合考虑人防等地下设施分布情况，以资源为基础，将主城区浅层地温能开发利用规划为四大区域。得到以下结论：

1) 重庆市主城区的浅层地温能资源具备优良的开发利用条件，导热性能好[岩土体导热系数平均值为2.62 W/(m·K)]；岩土体平均温度较高(18.5～20.5 ℃)，浅层地温能资源适宜区与较适宜区总共占地面积比例达96.5%，整个重庆地区范围内基本都可以利用地埋管一地源热泵系统形式的浅层地温能资源。

2) “大力发展区”和“鼓励发展区”两个部分占总规划区的68.33%，重庆市主城区大部分地区具备开发利用浅层地温能的自然条件和社会经济条件。

3) 地埋管地源热泵系统的开发应用在使用建筑方面的优先选择顺序为办公建筑—商业建筑—居住建筑；在地区建设时序方面的优先选择顺序为新建建筑地区—在建建筑地区—现状建筑地区。

4) 重庆市地下空间结构复杂，地埋管地源热泵系统的开发应用过程中，需要对地下空间结构进行事先调查，尽量减少浅层地温能开采产生的影响，设计前做好建设条件、地质状况、经济效益、节能效果等方面的可行性研究。

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