基于GIS的镇江市浅层地温能开发利用方式适宜性分区研究*

陈 玲，陈锁忠，何 亮，，吕文雅，刘晟锦

(1.南京晓庄学院 环境科学学院，江苏 南京 211171；2.南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023)

0 引言

浅层地温能是指蕴藏在地表之下200 m范围内的岩土体和地下水中有开发利用价值的热能，温度一般低于25 ℃，比较恒定，通常通过地源热泵系统来对其进行开发和利用[1-3].受区域地质、水文地质、浅层地温条件控制，不同区域的浅层地温能利用方式和可利用规模存在差异，开发利用时首先需进行适宜性区划，确定各区段适宜的开发利用方式[4].浅层地温能利用方式适宜性分区属于多目标决策问题，层次分析法(APH)是能够解决具有多目标的复杂问题，并对其进行定性和定量分析，最终计算出决策权重的方法，适用于解决较为复杂、较为模糊、难以用定量分析方法求解的问题.层次分析法将要决策的目标、考虑因素和对象分解为最高层、中间层与最底层，将各个因素进行两两比较，进而形成判断矩阵表格来求解特征向量、特征根以及权重计算.层次分析法用于解决具有层次结构的评价指标的问题，能够有效地处理难以用定量的方法解决的问题[5-6].

镇江市水文地质研究程度较高，根据地下水的赋存介质条件、水动力性质等基本特征，可将区内地下水划分为孔隙水、岩溶水与裂隙水3大类型.其中松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类岩溶水是区内地下水赋存的主要类型.区内以往的水文地质工作局限于水文地质调查、评价与动态监测，几乎未开展200 m以内的浅岩土体和地下水中地温能的调查评价与开发利用研究.然而，浅层地温能开发及利用是发展绿色经济、低碳经济和循环经济的必然趋势.因此，开展浅层地温能开发利用方式适宜性分区研究，大力开发利用浅层地温能是积极探索具有时代特征和镇江特色的生态文明发展模式.

基于GIS的镇江市浅层地温能开发利用方式适宜性分区研究是将区内影响浅层地温能开发利用方式的各因素按相互之间的关系，建立系统的递阶层次结构.根据层次结构，分析各层之间及层次内各个因素的相对重要性，确定各因素的权重，并对各因素进行标准化赋值，然后按权重和赋值计算得出综合评价指数，从而确定地下水热泵应用的适宜性分区等级，从而进行适宜性分区，为浅层地温能开发利用提供空间辅助决策支持.

1 测试数据与空间分布特征分析

1.1 研究区范围

本论文研究区范围为镇江市全域，地跨北纬31°37′～32°19′，东经118°57′～119°58′.下辖京口、润州、丹徒3区和丹阳、句容、扬中3县级市，总面积约3 847 km2.

1.2 浅层地温特征

浅层地温能开发利用的主要层位即为自然条件下温度变化较小的恒温带与增温带.本次分别在不同的地质条件区布设了地温测试孔，钻孔深度大于100 m.基于测试数据分析得出地温在浅部地质空间的分布规律[7].

(1)浅层地温水平分布特征

100 m以内的平均温度(仅对恒温带与增温带进行统计)表现出冲积平原高，高亢平原(岗地)低的特征，冲积平原50 m处的地温一般在18～18.5 ℃，低山丘陵地区平均地温为17.5～18 ℃， 高亢平原平均地温一般在17～17.5 ℃.冲积平原zjzk076孔50 m深度处的地温为18.7 ℃，而位于高亢平原岗地区的zjzk027孔平均地温仅为17.3 ℃.导致这种差异的主要原因在于岩性、热物性与水文地质条件等的差异.

(2)垂向分带特征

冲积平原地区的变温带厚度一般为16～20 m；恒温带分布深度范围一般为16～35 m，厚度约为20 m；恒温带与增温带的年平均温度约为18～18.3 ℃.地温场特征曲线如图1(a)所示.高亢平原(岗地)的变温带厚度较冲积平原薄，一般为12～16 m，恒温带分布深度范围一般为12～32 m，厚度约为20 m，恒温带与增温带的年平均温度约为17.2～17.3 ℃.地温场特征曲线如图1(b)所示.低山丘陵的变温带厚度介于冲积平原与高亢平原(岗地)之间，约为16～18 m；恒温带较冲积平原区和高亢平原(岗地)薄，分布深度范围一般为16～28 m，厚度约为12 m，变温带与恒温带之间的过渡不明显；恒温带与增温带的年平均温度约为17.5～17.9 ℃.地温场特征曲线如图1(c)所示.

1.3 岩土体热物理特征

热物理性质对岩土体的换热能力具有重要影响，是评估浅层地温能开发利用的关键指标.主要的热物理参数有导热系数、比热容和热扩散系数.一般而言，岩土体导热系数越大、比热容越大、热扩散系数越小，越有利于其开发利用.根据本次采集样品的物性与热物理性质分析测试成果，岩土体的比热容与密度大致成反比关系，导热系数、热扩散系数与密度大致成正比关系(如图2(a)～(c)所示).

对于同一类饱和岩土而言，含水量的差异也会使得热物理性质参数存在一定的差异(如图2的(d)与(e)所示).对研究区的粉质黏土与粉砂这两种主要饱和的松散土体进行统计，发现同一类型饱和土体，含水量差异直接影响到了热物理性质的差异，含水量越大，导热系数越小，即饱和岩土体的导热系数与含水量呈反比.如饱和粉质黏土，当含水量由约20%增加至约40%时，导热系数则由约1.7 W/(m·℃)减至约1.3 W/(m·℃)；又如粉砂，当含水量由约15%增加至约40%时，导热系数则由约 2.1 W/(m·℃)减至约1.5 W/(m·℃).

1.4 岩土体热响应特征

热响应试验是获取岩土体热响应特征和地埋管地源热泵开发利用参数的重要原位试验.本文应用8个热响应试验孔的测试数据研究镇江地区岩土体在不同加热功率下的热响应特征.根据热响应试验成果，100 m以内的地温梯度一般在1.2～3.0 ℃/100 m之间，平均地温一般在18～19 ℃，岩土体的平均导热系数一般在1.9～2.2 W/(m·℃)之间.

2 浅层地温能利用方式适宜性分区

当前，对其开发的技术主要有地埋管地源热泵与地下水地源热泵两种.利用地埋管地源热泵开发的方法是使用地埋管换热系统，其原理是在密闭的环境中，传热介质(主要是水)在水平或竖直地埋管里循环，通过传热介质来实现其与岩土体的热交换.地下水地源热泵是通过地下水进行热交换的热泵系统.

2.1 适宜性分区原则与方法

浅层地温能利用方式适宜性分区原则为：以地质条件为基础，考虑技术经济可行性的同时兼顾地质环境保护，做到即开发利用资源又保护环境相结合、平面划分与垂向控制相结合.由于影响其开发利用方式的因素很多，每种因素对适宜性的影响程度也不尽相同，为了解决这一复杂问题，本次采用层次分析法把浅层地温能开发适宜性划分为三级：适宜、较适宜和不适宜.

浅层地温能适宜性分区是通过将镇江市3 847 km2的区域进行1 km×1 km的网格化空间离散，形成计算评价的网格图层，对各单元格进行计算得出适宜性指数，进而计算出整个研究区的适宜性分区.基于ArcGIS平台将评价因子分区图矢量化，对每个评价因子分区的属性进行赋值.根据式(1)计算出每个单元格的适宜性分值.

(1)

式中：Gi为适宜性分值；Wi为第i个因子的权重；Si为单元格第i格因子的赋值；m为评价因子个数.应用ArcGIS的空间分析功能模块，对各个评价因子对应属性的区合并分析，再依据各个评价因子的权重，将叠加后的各个适宜性分区的值进行权重计算.

2.2 地下水地源热泵适宜性分区

2.2.1 分区评价因子与指标体系镇江市地下水地源热泵应以松散孔隙水为目标，其利用方式适宜性评价分区对象是孔隙地下水丰富的沿江冲积平原.综合考虑因素包括水化学条件、水文地质条件、地质和地质环境条件等因素[8-9].首先构建评价体系，评价体系由目标层(O，Object)、属性层(即准则层)(A，Attribute)和要素指标层(即方案层)(F，Factor)3个层次构成.O层是浅层地热能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、水化学条件和环境地质条件3个因素构成.F层是要素指标层，由含水层出水能力、含水层厚度、地下水硬度、地下水Fe含量、黏土层厚度和基岩埋深共6个指标构成(如图3所示).

地质水文地质条件分为含水层出水能力和含水层厚度.含水层中地下水的富集程度可以由含水层单井涌水量的大小来体现，含水层厚度决定了供水能力，其厚度越大，也就具有越强的供水能力，所以赋值越大.水化学条件主要考虑地下水硬度和Fe含量.地下水质差，如铁含量过高等，容易造成堵塞和腐蚀，会影响到地源热泵工程的运行.因此，越好的水质，赋值就会越大.地质环境条件重点考虑了松散层厚度(基岩埋深)与黏土层(相对易压缩的松散层)厚度两个指标.地面沉降产生的重要物质基础是松散层，松散层厚度越大，发生地面沉降的可能性也就越大.由于黏土层的软弱特性，在地面沉降过程中，其最易发生压密释水，压缩量远较砂性土层大，对沉降量贡献最大.

2.2.2 指标权重确定按照层次分析法的要求，在评价体系的层次隶属关系的基础上，通过调查统计和室内研究分析，采用1-9标度法，分别比较属性层和要素层中各因素的相对重要性，构造比较矩阵.通过计算，检验比较矩阵的一致性，必要时对比较矩阵进行修改，以达到可以接受的一致性，最后求出要素层中各个要素在目标层中所占的权重(如表1至表5所示).

表1 属性层判断矩阵的建立及对总目标权值的确定Tab.1 The establishment of the attribute level judgment matrix and the determination of the total target weight

表2 地质、水文地质条件判断矩阵的建立及对总目标权值的确定Tab.2 The establishment of the judgment matrix of geological, hydrological and geological conditions传热和变形的计算采用有限元法 and the determination of the weight of the total target

表3 水化学条件判断矩阵的建立及对总目标权值的确定Tab.3 The establishment of the judgment matrix of water chemistry conditions传热和变形的计算采用有限元法 and the determination of the weight of the total target

表4 地质环境条件判断矩阵的建立及对总目标权值的确定Tab.4 The establishment of the judgment matrix of geological environment conditions and the determination of the weight of the total target

表5 各因子权重计算结果Tab.5 The calculation result of the weight of each factor

从表1中可以得到，属性层(准则层)中权重最大的是地质环境条件.地下水属于一种地质资源，大量利用地下水源热泵，如无可靠的回灌会引发严重的后果，地下水大量开采引起的地面沉降等地质问题日渐显著.

2.2.3 适宜性分区指标与结果地下水地源热泵各个适宜指数范围值为：分值0～5.5为地下水地源热泵不适宜区；5.5～7为地下水地源热泵较适宜区；7～9为地下水地源热泵适宜区(表6与表7).

表6 各指标赋值表Tab.6 Assignment table of each indicator

表7 地下水地源热泵适宜性分区指标值Tab.7 The suitability index value of groundwater ground-source heat pump

根据表6与表7的分区指标，镇江市地区适宜和较适宜进行地下水地源热泵开发利用的区域均分布在沿江的冲积平原地区，不适宜区主要分布在高亢平原(岗地)和低山丘陵地区.

2.3 地埋管地源热泵适宜性分区

2.3.1 分区评价因子与指标体系结合镇江市的区域地质条件，选择地质及水文地质条件、地层热物理性质两个评价指标对镇江市进行地埋管地源热泵系统适宜性分区[10-12].根据层次分析法原理，O层是地埋管式地源热泵适宜性区划.A层由地质、水文地质条件，温度场及地层热物性2个指标构成.F层由含水层富水性、含水层厚度、平均地温、地层综合导热系数、岩土平均比热容5个因子构成(如图4所示).

对埋管换热性能有着重要影响的是地下埋管处岩土的平均地温和热物理性质参数(综合导热系数、平均地温、平均比热容)，其也决定了单位井深换热量，会影响到施工综合设计和开发利用换热孔深等.

2.3.2 权重确定分别比较属性层和要素层中各因素的重要性，构成比较矩阵(表8至表10).通过计算，检验比较矩阵的一致性，最后求出要素层中各个要素在目标层中所占的权重(表11).

表8 属性层判断矩阵的建立及对总目标权值的确定Tab.8 The establishment of the attribute level judgment matrix and the determination of the total target weight

表9 地质水文地质条件判断矩阵的建立及对总目标权值的确定Tab.9 The establishment of the judgment matrix of geological, hydrological and geological conditions and the determination of the weight of the total target

表10 温度场及地层热物性判断矩阵的建立及对总目标权值的确定Tab.10 The establishment of temperature field and formation thermophysical property judgment matrix and the determination of the total target weight

表11 各要素指标对总目标有效权重Tab.11 The effective weight of each element index to the overall goal

在要素指标层中，地层综合导热系数和容积比热容这两个指标的权重最高，其次为含水层出水能力和含水层厚度.因为在热泵空调运行期间，周期性变化的空调负荷是系统的输入，加上过渡季节空调系统的停运，引起了土壤换热器周围的土壤温度场总处在“升温→降温→升温”的循环变化过程.而土壤的散热包括两方面，一方面为地下水迁移带走的，另一方面为土壤的热传导所耗散的热量.

2.3.3 适宜性分区指标与结果根据综合评价所得适宜性分区指标值的分布情况，将地源热泵各个适宜区的分数范围值划定为：0～5为地埋管不适宜区，5～6为地面管较适宜区，6～9为地埋管适宜区(如表12所示).

表12 地埋管地源热泵适宜性分区指标值Tab.12 The index value of the suitability zone of the buried pipe ground source heat pump

镇江市地埋管地源热泵系统的适宜性较为广泛，镇江市开发规划划定的区域基本都适宜进行地埋管地源热泵系统建设.适宜和较适宜进行地埋管地源热泵开发利用的区域均分布在沿江的冲积平原地区和高亢平原(岗地)区，不适宜区主要分布在低山丘陵地区.

2.4 综合适宜性分区

采用相同的空间离散格网(1 km×1 km单元格)，基于ArcGIS对地下水地源热泵适宜性分区和地埋管地源热泵适宜性分区图空间离散后进行叠加分析，提取地下水地源热泵与地埋管地源热泵均适宜、较适宜、不适宜的单元格，通过矢量化得到了镇江市地区浅层地温能开发利用的综合适宜性分区.

3 结语

基于GIS，利用层次分析法对镇江市浅层地温能开发利用方式进行适宜性分区，克服了传统方法中很难确定因子之间相对重要性的问题，可较准确地获得每一个评价因子对所得到的适宜性分区的影响权重值，适宜性分区结果较为科学，客观地反映了镇江市浅层地温能地下水地源热泵、地埋管地源热泵与综合开发利用方式适宜性空间分布情况.

镇江市地下水地源热泵系统开发利用的适宜与较适宜区域均分布在沿江的冲积平原地区，不适宜区主要分布在高亢平原(岗地)和低山丘陵地区.适宜区主要分布在世业洲等江心洲、长江北岸的高桥以及南岸的姚桥—丁岗一带，较适宜区主要分布在长江南岸的镇江市区西北及大路—丁岗一线等沿江地区.地埋管地源热泵系统开发利用适宜区主要分布在沿江地区、丁岗—姚桥等冲积平原地区以及南部的谷阳—辛丰、上党—宝堰等高亢平原地区.韦岗—市区—新区的部分低山丘陵和高亢平原地区是较适宜区的主要分布地区.不适宜区主要为韦岗—蒋乔的低山丘陵区，该区域多为丘陵地区，地形复杂，第四系厚度均小于5 m，松散层下伏的基岩钻进难度很大，不适合大规模布置地埋管.地埋管地源热泵与地下水地源热泵系统都适宜的区域主要位于长江漫滩地区的世业洲等江心洲、长江北岸的高桥以及南岸的姚桥—丁岗一带，面积约182 km2；地埋管适宜、较适宜而地下水不适宜的地区则广泛分布在长江以南的岗地和丘陵地区，面积约为735 km2.上述浅层地温能开发利用方式适宜性分区结果可作为镇江市浅层地温能开发利用方式规划方案编制的辅助决策依据.