基于GIS的浅层地温能开发利用适宜性评价的应用分析

刘 欢，王学鹏，李文强，秦学全

(山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队/山东省鲁北地质工程勘察院，山东 德州 253000)

0 引言

浅层地温能是蕴藏在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，是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔[1-3]。浅层地温能资源开发利用主要通过地埋管地源热泵系统和地下水地源热泵系统两种方式[4-5]。

在专家学者的不懈努力下，浅层地温能开发利用适宜性评价工作取得了大量的成果。本次对平原县城区范围内的地埋管换热系统进行适宜性评价。根据浅层地温能开发利用影响因子，采用指标法、层次分析法，利用GIS强大的空间处理分析能力，划分研究区地埋管换热系统开发利用适宜性等级[6-7]。

1 研究区浅层地温能赋存条件

平原县位于山东省西北部德州市境内，研究区为平原县建成区、规划区和新区，面积48.41 km2。

研究区多属黄河冲积平原，区内200 m以浅地层均为第四纪(Q)，属河湖相松散沉积层。土层岩性多为粉土、粉质粘土及粉砂、细砂、粉细砂。区内主要以砂性土单层结构和砂-粘-砂土三层结构土为主。

本区属于黄河冲积平原水文地质区，地下水赋存在新生界松散岩类孔隙中，地下水类型属松散岩类孔隙水。根据地下水的埋藏条件、水力性质和水化学类型，区内200 m以浅地下含水层组可划分为浅层和中深层两个含水层(组)。浅层地下水水位埋深 2.0～5.0 m，地下水渗透系数1～10 m/d，浅层地下水咸淡水界面约为24.0 m。

根据钻孔内测温统计数据统计，区内恒温带温度在14.2℃～15.3℃之间，研究区西南部、西北部温度较高，在14.7℃～15.2℃之间，其余地段在14.2℃～14.7℃之间。顶板埋深约在20～26 m之间，在研究区西南部埋深较大，在22～26 m之间；在其他部分埋深相对较浅，在20～22 m之间。研究区浅层地温梯度的变化范围为2.0～2.72℃/100m，平均地温梯度2.44℃/100m。

2 评价方法

2.1 指标法

根据影响地埋管换热系统适宜性的各项因素，选取相应的参数指标，采用指标法对区内浅层地温能开发利用适宜性做出分区[8-9]。

2.2 层次分析法

层次分析法(AHP)是20世纪70年代中期由美国运筹学家T.L.Saaty提出的一种能有效地处理决策问题的使用方法，是一种定性和定量相结合、系统化、层次化的分析方法。这种方法将决策者的经验判断给于数量化，在目标因素结构复杂且缺乏必要数据的情况下使用更为方便，因而在实践中得到广泛应用，特别是在工程地质、水文地质分区评价中应用广泛。层次分析法分为浅层地温能评价体系的构建、矩阵的构建和权值的确定、层次单排序及一致性检验、综合评价四个基本步骤[10-13]。

3 浅层地温能适宜性评价

3.1 指标法

影响地埋管换热系统应用的因素很多，此次评价分别选择松散土体厚度、含水层总厚度和导热系数作为评价指标(表1)。

根据施工的地质勘查孔及区内大量钻孔资料可以看出，区内200 m以上为松散土体，含水砂层厚度基本大于30 m，仅在研究区西部，厚度小于30 m。研究区导热系数在1.741～2.177w/m·℃。

根据以上分析及表1分区标准，综合确定研究区地埋管换热方式地源热泵适宜性可以分为适宜性好和中等两个区。适宜性好区在研究区大部分地段分布，面积42.46 km2；适宜性中等区在研究区西部地区，，面积5.95 km2。

表1 (竖直)地埋管换热方式适宜性分区指标表

3.2 层次分析法

3.2.1 评价体系的构建

评价体系分为3层，从顶层至底层分别为系统目标层(O，Object)、属性层(A，Attribute)和要素指标层(F，Factor)。影响地埋管换热系统应用的因素很多，此次评价分别选择地质、水文地质条件、地层属性、地质环境、地层热物理性质参数以及施工工艺来构建评价指标体系。所选取的5个评价指标又分别包括不同的要素(图1)。

图1 地埋管换热系统适宜性划分评价体系

3.2.2 权重的确定

按照层次分析法的要求，在评价体系层次隶属关系的基础上，通过综合研究，分别比较同一层次各要素之间的相对重要性，并采用1～9标度法给出各要素的分值，其中，对适宜性评价影响越大的因素重要性就越大，分值也越大，由此构造比较矩阵。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[14-15](表2)。

表2 要素层中各要素占总目标的最终权重

3.2.3 指标图层的矢量化和各因素的赋值

本次综合评价的指标较多，适合采用平均剖分的方法划分评价分区，以500 m×500 m的网格将研究区划为210个结点，在计算区剖分过程中充分利用EXCEL软件的编辑与计算功能、Mapgis软件的空间属性功能及工程裁剪功能[16]。

3.2.4 综合评价

通过其空间分析功能对各图层中不同因素所覆盖的结点进行赋值，这样所有的指标层中的因素都通过结点叠加到一起。再乘上各因素的权重系数，进行累加求和[17-18]。其评价公式：

(1)

式中：P为适宜性区划评价分值；Pi为参与评价的第i项要素的赋值；Wi为第i项要素的权重系数；n为评价因子的个数

求出各评价单元的总积分值P，根据P值的大小，进行适宜性分区。根据此次评价工作要求0～5为适宜性差区；5～7为适宜性中等区；7～9为适宜性好区。本次各节点的计算值为7.476 8～8.139 2，全区为适宜性好区。

图2 要素属性赋值图及属性点属性示例

图3 研究区地埋管换热系统适宜性分区图

3.3 综合判定结果

根据指标法和层次分析法分析结果，采用就低不就高的原则综合判定，研究区地埋管换热系统适宜性划分为适宜性中等区和适宜性好区。适宜性好区在研究区大部分地段分布，面积42.46 km2，约占全区面总面积的占87.71%；适宜性中等区在研究区西部区域分布，面积5.95 km2，约占全区面总面积的占12.29%(图3)。

4 结语

(1)根据指标法分析研究区地埋管换热系统适宜性好区分布于大部分地段，面积42.46 km2；适宜性中等区在研究区西部地区，面积5.95 km2。

(2)根据层次分析法，各节点计算值在7.476 8～8.139 2，全区为地埋管换热系统适宜性好区。

(3)根据指标法和层次分析法分析结果，采用就低不就高的原则综合判定，研究区地埋管换热系统开发利用适宜性好区分布在研究区大部分地段，面积42.46 km2，约占全区面总面积的占87.71%，适宜性中等区在研究区西部区域分布，面积5.95 km2，约占全区面总面积的占12.29%。