基于層次分析法的廣安主城區地埋管地源熱泵適宜性評價

劉文濤，陳國輝，錢 康，劉泊雷

(四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

淺層地溫能一般指蘊藏在恒溫帶至200m埋深范圍內的巖土體和地下水中、一般低于25℃、在當前經濟技術條件下可開發利用的地溫能[1-3]，淺層地溫能的開發利用有助于廣安市的未來發展，而淺層地溫能開發適宜性評價，是其開發利用的前提，評價結果可為研究區的經濟發展提供地質基礎支撐[4-7]。

通過地埋管地源熱泵系統的開發利用是淺層地溫能開發利用的主要形式之一，地埋管地源熱泵開發利用適宜性評價的主要方法有層次分析法、綜合評分法、數值模擬等[8-12]。本文在研究廣安主城區淺層地溫能背景條件的基礎上，選取了地形坡度、地層巖性、卵石層厚度、地下水位埋深、地下水水質、導熱系數、比熱容、初始地溫等8個指標，采用層次分析法，結合綜合指數法和GIS空間分析，對研究區利用地埋管地源熱泵開發的適宜性進行評價。

1 層次分析法

層次分析法(The analytic hierarehy proeess)，簡稱AHP，是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法[13-17]。主要有4個步驟：(1)建立遞階層次結構模型：將綜合評價的影響因素按互相支配、隸屬的關系分成不同層次，用線段將下層因素和上層有隸屬關系的屬性聯接，將指標聚合成有序的遞階層次結構?？煞殖扇齻€層次：目標層(O，Object)、屬性層(A，Attribute)和要素指標層 (F，Factor) 3 級層次結構組成。(2)構造出各層次中的所有判斷矩陣：任何系統的分析都要有一定的信息，而層次分析法的信息主要是人們對于每一層次中各因素相對重要性作出判斷，這些判斷通過引入合適的標度進行量化，就形成了判斷矩陣。(3)層次單排序及一致性檢驗：對應于判斷矩陣的最大特征值的特征向量表示因素之間的相對重要程度，即權重，故必須求出判斷矩陣的最大特征值和征向量，應用AHP法求出的權重實際上是表達某種定性的概念，故一般采取簡便的近似方根法求解。(4)層次總排序及一致性檢驗：AHP中引入判斷矩陣最大特征值以外的其余特征根的負平均值作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標，當CR<0.10時，認為判斷矩陣具有滿意一致性，權重合理，否則需調整判斷矩陣，直到滿足一致性。

2 研究區概況

研究區地勢沿渠江河谷向東西兩則逐漸升高，最高點位于龍安鄉大云盤，海拔462 m，最低點位于龍安鄉沙溪口，海拔208 m，相對高差254 m。地貌類型以緩丘、深丘地貌為主，局部為淺丘、中丘、河谷地貌。

出露的地層主要為三疊系(T)、侏羅系(J)及第四系(Q)等，巖性主要有黏性土、卵石、砂巖、泥巖、灰巖。

地下水類型有松散巖類孔隙水及碎屑巖孔隙裂隙水兩類。散巖類孔隙水沿渠江呈不連續狀零星分布，含水層巖性上部為砂質粘土，下部砂礫卵石層，富水性貧乏，不具備大規模供水意義，不能滿足地下水地源熱泵的水量需求；碎屑巖孔隙裂隙水富水性貧乏，泉流量小于0.3 m3/h，在砂泥巖互層地區，砂巖、泥巖的含量往往與導熱系數存在一定相關性，從施工經濟效益角度考慮，成本相對較低。

地下水質量分級主要為Ⅲ、Ⅳ類水，少數為Ⅴ類水，個別為Ⅱ類水；Ⅳ類水分布在研究區大部分區域；III類水分布范圍包括研究區南西部的棗山鎮、廣門鄉、穿石鄉、方坪鄉、廣羅鄉和化龍鄉，中部的護安鎮，北東部的虎城鎮和代市鎮以及東部的前鋒區近山部分條帶區域，Ⅴ類水和Ⅱ類水呈點狀分布。

巖土體比熱容0.38×103～1.73×103J/kg·K，導熱系數0.91～3.59 W/m·℃。年均氣溫16℃～18℃，恒溫層溫度一般在17℃～21℃，恒溫層分布深度基本在20～60 m之間，地域差異不明顯。

3 地埋管地源熱泵適宜性評價

3.1 評價指標選取

根據研究區地質、水文地質條件及城市覆蓋率等，選擇地質地貌條件、水文地質條件、地層熱物性參數等3個一級指標(卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質、導熱系數、比熱容、初始地溫等8個二級指標)進行評價。

3.2 評價體系構建

地埋管地源熱泵適宜性分區層次分析結構模型從頂至底由目標層、屬性層、要素指標層三層構成。目標層(O)為地埋管地源熱泵適宜性分區，屬性層(A)由地質地貌條件(A1)、水文地質條件(A2)、地層熱物性參數(A3)三部分構成，要素指標層(F)由卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質、導熱系數、比熱容、初始地溫等8個指標構成(圖1)。

圖1 評價體系圖

3.3 權重的確定及因子賦值

3.3.1 權重的確定

根據層次分析法，構造屬性層相對于目標層的判斷矩陣(表1～表4)，確定要素指標對于目標層的有效權重(表5)。

表1 屬性層判斷矩陣

表2 地質地貌條件指標要素層判斷矩陣

表3 水文地質條件指標要素層判斷矩陣

表4 熱物性特征指標要素層判斷矩陣

表5 要素層中各要素指標權重

表1經一致性檢驗，判斷矩陣一致性比例為0.022 7，符合一致性。表2經一致性檢驗，判斷矩陣一致性比例為0.017 2，符合一致性。表3經一致性檢驗，判斷矩陣一致性比例為0.017 1，符合一致性。表4經一致性檢驗，判斷矩陣一致性比例為0.000 0，符合一致性。

3.3.2 評價因子賦值

根據研究區的資料分析，結合各評價因子對地埋管地源熱泵的影響程度大小，卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質、導熱系數、比熱容、初始地溫等8個評價因子的分級及賦值見表6～表13。

表6 卵石層厚度分級及賦值

表7 地層巖性分級及賦值

表8 地形坡度分級及賦值

表9 地下水位埋深分級及賦值

表10 地下水水質分級及賦值

表11 初始地溫分級及賦值

表12 比熱容分級及賦值

表13 導熱系數分級及賦值

3.4 評價結果及分區

根據綜合指數法，對評價體系中要素指標層的因子根據式1進行權疊加，最終計算出地埋管地源熱泵適宜性綜合評價指數。

(1)

式中：Fi為各區塊內的總分值；Pi為單項指標的評分值；Ci為單項指標所點權重。

根據式1計算結果，并將分值〈6劃分為適宜性差區，分值6～7劃分為較適宜區，分值〉7劃分為適宜區；評價結果顯示(表14)，適宜區面積為416.55 km2，約占研究區面積的68.47%；較適宜區面積為188.51 km2，約占研究區面積的30.98%；適宜性差區面積為3.29 km2，約占研究區面積的0.55%。評價結果見表14。

表14 研究區地埋管地源熱泵適宜性分區統計表

3.5 分析與討論

根據評價結果，在適宜區內，地層導熱系數一般2.03～2.47W/m·℃，地層溫度為20.1℃左右，地溫條件較好；卵石層厚度小于10 m，地層巖性主要為侏羅系紅層砂巖、泥巖及砂泥巖互層，經巖礦測試和地溫能熱響應實驗得地層導熱性較好，地層利于鉆探；地下水位埋深大部分地區小于10 m；地形坡度絕大部分小于5°，僅在少數高階地地區為5°～10°；地下水徑流條件在河谷地區強或中，高階地處弱，對地埋管適宜性影響不大；地下水水質一般為優良和良好；

較適宜區與適宜區最主要的區別在于地形坡度稍大，個別達到10°～20°，對地埋管施工影響較大，所以評價結果為地埋管地源熱泵較適宜區。

適宜性差區主要分布于渠江官盛鎮段沿岸河床一帶，該區域常年或洪水期會被河水淹沒，不適宜任何建筑，故劃為地埋管起源熱泵適宜性差區。

4 結語

(1)本文選取了卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質、導熱系數、比熱容、初始地溫等8個評價因子，采用層次分析法對研究區進行地埋管地源熱泵適宜性評價，評價結果與實際情況較為相符。

(2)評價結果顯示，適宜區面積為416.55 km2，約占研究區面積的68.47%；較適宜區面積為188.51 km2，約占研究區面積的30.98%；適宜性差區面積為3.29 km2，約占研究區面積的0.55%。

(3)本研究結論可為研究區的淺層地溫能開發利用提供地質基礎支撐。