基于层次分析法的广安主城区地埋管地源热泵适宜性评价

刘文涛，陈国辉，钱 康，刘泊雷

(四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

浅层地温能一般指蕴藏在恒温带至200m埋深范围内的岩土体和地下水中、一般低于25℃、在当前经济技术条件下可开发利用的地温能[1-3]，浅层地温能的开发利用有助于广安市的未来发展，而浅层地温能开发适宜性评价，是其开发利用的前提，评价结果可为研究区的经济发展提供地质基础支撑[4-7]。

通过地埋管地源热泵系统的开发利用是浅层地温能开发利用的主要形式之一，地埋管地源热泵开发利用适宜性评价的主要方法有层次分析法、综合评分法、数值模拟等[8-12]。本文在研究广安主城区浅层地温能背景条件的基础上，选取了地形坡度、地层岩性、卵石层厚度、地下水位埋深、地下水水质、导热系数、比热容、初始地温等8个指标，采用层次分析法，结合综合指数法和GIS空间分析，对研究区利用地埋管地源热泵开发的适宜性进行评价。

1 层次分析法

层次分析法(The analytic hierarehy proeess)，简称AHP，是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法[13-17]。主要有4个步骤：(1)建立递阶层次结构模型：将综合评价的影响因素按互相支配、隶属的关系分成不同层次，用线段将下层因素和上层有隶属关系的属性联接，将指标聚合成有序的递阶层次结构常可分成三个层次：目标层(O，Object)、属性层(A，Attribute)和要素指标层 (F，Factor) 3 级层次结构组成。(2)构造出各层次中的所有判断矩阵：任何系统的分析都要有一定的信息，而层次分析法的信息主要是人们对于每一层次中各因素相对重要性作出判断，这些判断通过引入合适的标度进行量化，就形成了判断矩阵。(3)层次单排序及一致性检验：对应于判断矩阵的最大特征值的特征向量表示因素之间的相对重要程度，即权重，故必须求出判断矩阵的最大特征值和征向量，应用AHP法求出的权重实际上是表达某种定性的概念，故一般采取简便的近似方根法求解。(4)层次总排序及一致性检验：AHP中引入判断矩阵最大特征值以外的其余特征根的负平均值作为度量判断矩阵偏离一致性的指标，当CR<0.10时，认为判断矩阵具有满意一致性，权重合理，否则需调整判断矩阵，直到满足一致性。

2 研究区概况

研究区地势沿渠江河谷向东西两则逐渐升高，最高点位于龙安乡大云盘，海拔462 m，最低点位于龙安乡沙溪口，海拔208 m，相对高差254 m。地貌类型以缓丘、深丘地貌为主，局部为浅丘、中丘、河谷地貌。

出露的地层主要为三叠系(T)、侏罗系(J)及第四系(Q)等，岩性主要有黏性土、卵石、砂岩、泥岩、灰岩。

地下水类型有松散岩类孔隙水及碎屑岩孔隙裂隙水两类。散岩类孔隙水沿渠江呈不连续状零星分布，含水层岩性上部为砂质粘土，下部砂砾卵石层，富水性贫乏，不具备大规模供水意义，不能满足地下水地源热泵的水量需求；碎屑岩孔隙裂隙水富水性贫乏，泉流量小于0.3 m3/h，在砂泥岩互层地区，砂岩、泥岩的含量往往与导热系数存在一定相关性，从施工经济效益角度考虑，成本相对较低。

地下水质量分级主要为Ⅲ、Ⅳ类水，少数为Ⅴ类水，个别为Ⅱ类水；Ⅳ类水分布在研究区大部分区域；III类水分布范围包括研究区南西部的枣山镇、广门乡、穿石乡、方坪乡、广罗乡和化龙乡，中部的护安镇，北东部的虎城镇和代市镇以及东部的前锋区近山部分条带区域，Ⅴ类水和Ⅱ类水呈点状分布。

岩土体比热容0.38×103～1.73×103J/kg·K，导热系数0.91～3.59 W/m·℃。年均气温16℃～18℃，恒温层温度一般在17℃～21℃，恒温层分布深度基本在20～60 m之间，地域差异不明显。

3 地埋管地源热泵适宜性评价

3.1 评价指标选取

根据研究区地质、水文地质条件及城市覆盖率等，选择地质地貌条件、水文地质条件、地层热物性参数等3个一级指标(卵石层厚度、地层岩性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水质、导热系数、比热容、初始地温等8个二级指标)进行评价。

3.2 评价体系构建

地埋管地源热泵适宜性分区层次分析结构模型从顶至底由目标层、属性层、要素指标层三层构成。目标层(O)为地埋管地源热泵适宜性分区，属性层(A)由地质地貌条件(A1)、水文地质条件(A2)、地层热物性参数(A3)三部分构成，要素指标层(F)由卵石层厚度、地层岩性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水质、导热系数、比热容、初始地温等8个指标构成(图1)。

图1 评价体系图

3.3 权重的确定及因子赋值

3.3.1 权重的确定

根据层次分析法，构造属性层相对于目标层的判断矩阵(表1～表4)，确定要素指标对于目标层的有效权重(表5)。

表1 属性层判断矩阵

表2 地质地貌条件指标要素层判断矩阵

表3 水文地质条件指标要素层判断矩阵

表4 热物性特征指标要素层判断矩阵

表5 要素层中各要素指标权重

表1经一致性检验，判断矩阵一致性比例为0.022 7，符合一致性。表2经一致性检验，判断矩阵一致性比例为0.017 2，符合一致性。表3经一致性检验，判断矩阵一致性比例为0.017 1，符合一致性。表4经一致性检验，判断矩阵一致性比例为0.000 0，符合一致性。

3.3.2 评价因子赋值

根据研究区的资料分析，结合各评价因子对地埋管地源热泵的影响程度大小，卵石层厚度、地层岩性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水质、导热系数、比热容、初始地温等8个评价因子的分级及赋值见表6～表13。

表6 卵石层厚度分级及赋值

表7 地层岩性分级及赋值

表8 地形坡度分级及赋值

表9 地下水位埋深分级及赋值

表10 地下水水质分级及赋值

表11 初始地温分级及赋值

表12 比热容分级及赋值

表13 导热系数分级及赋值

3.4 评价结果及分区

根据综合指数法，对评价体系中要素指标层的因子根据式1进行权叠加，最终计算出地埋管地源热泵适宜性综合评价指数。

(1)

式中：Fi为各区块内的总分值；Pi为单项指标的评分值；Ci为单项指标所点权重。

根据式1计算结果，并将分值〈6划分为适宜性差区，分值6～7划分为较适宜区，分值〉7划分为适宜区；评价结果显示(表14)，适宜区面积为416.55 km2，约占研究区面积的68.47%；较适宜区面积为188.51 km2，约占研究区面积的30.98%；适宜性差区面积为3.29 km2，约占研究区面积的0.55%。评价结果见表14。

表14 研究区地埋管地源热泵适宜性分区统计表

3.5 分析与讨论

根据评价结果，在适宜区内，地层导热系数一般2.03～2.47W/m·℃，地层温度为20.1℃左右，地温条件较好；卵石层厚度小于10 m，地层岩性主要为侏罗系红层砂岩、泥岩及砂泥岩互层，经岩矿测试和地温能热响应实验得地层导热性较好，地层利于钻探；地下水位埋深大部分地区小于10 m；地形坡度绝大部分小于5°，仅在少数高阶地地区为5°～10°；地下水径流条件在河谷地区强或中，高阶地处弱，对地埋管适宜性影响不大；地下水水质一般为优良和良好；

较适宜区与适宜区最主要的区别在于地形坡度稍大，个别达到10°～20°，对地埋管施工影响较大，所以评价结果为地埋管地源热泵较适宜区。

适宜性差区主要分布于渠江官盛镇段沿岸河床一带，该区域常年或洪水期会被河水淹没，不适宜任何建筑，故划为地埋管起源热泵适宜性差区。

4 结语

(1)本文选取了卵石层厚度、地层岩性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水质、导热系数、比热容、初始地温等8个评价因子，采用层次分析法对研究区进行地埋管地源热泵适宜性评价，评价结果与实际情况较为相符。

(2)评价结果显示，适宜区面积为416.55 km2，约占研究区面积的68.47%；较适宜区面积为188.51 km2，约占研究区面积的30.98%；适宜性差区面积为3.29 km2，约占研究区面积的0.55%。

(3)本研究结论可为研究区的浅层地温能开发利用提供地质基础支撑。