胡元平, 刘红卫, 柯　立, 朱志明, 马　俊, 江　凯, 李志鹏

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队，湖北 武汉　430051)

0　引言

浅层地温能资源开发利用受区域地质、水文地质条件控制,不同区域的资源利用方式和可利用规模存在较大差异,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,进行分区分级；在此基础上,进行资源量计算和资源潜力评价,估算节能、环保、经济效益,提出科学合理的开发利用方案,编制开发利用规划等[1-4]。因此,开发利用方式适宜性区划是浅层地温能资源利用的前提和基础。

武汉市都市发展区地下水资源较丰富,地下水类型多样,适宜利用,但从资源保护、地质环境保护、预防次生地质灾害、高效利用等方面综合考虑,可利用程度存在差异。本文运用层次分析法,选择恰当指标,对都市发展区进行了适宜性分区,为地下水源热泵的利用提供了科学依据。

1　基本概况

武汉是全国较早开展地源热泵工程应用的地区,自2000年开始至今,已在100多栋建筑中应用,建筑应用面积超过600万m2。

武汉市位于江汉平原东部,属平原边缘隆起地带,北靠大别山,区内地形东高西低、北高南低,总体地貌表现为平原上残丘突露景观,其余为剥蚀堆积低岗和冲洪积平原。区内地层浅部为剥蚀堆积、冲洪积成因的第四系粘性土、砂层,深部基岩为古生界—新生界地层,岩性包括泥岩、砂岩、灰岩、页岩、硅质岩等。第四系覆盖地层薄,除武昌洪山广场、汉阳王家湾古河道段外,厚度一般20～50 m,在低丘地段(如武汉大学、龟山、蛇山),基岩直接出露地表。

评价区全新世时期堆积了厚达数十米的冲积层,并被中上更新统老粘性土围限。全新统冲积层具有二元结构,上部为松软的粘性土,下部为松散的砂及砂砾石层,赋存有较丰富孔隙承压水。中上更新统的老粘性土为隔水边界。

2　评价方法和评价体系建立

2.1　层次分析法

评价主要采用层次分析法进行分区,层次分析法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。其基本步骤为：

(1) 建立层次结构模型：一般分为三层,最上面为目标层,最下面为要素指标层,中间为属性层。

(2) 构造判断矩阵：从第二层开始用1～9尺度构造比较矩阵。

(3) 计算单排序权向量并做一致性检验：求最大特征对应的归一化特征向量,做一致性比率检验。

(4) 计算总排序权向量并做一致性检验：利用层次单排序,计算层次总排序,并做一致性检验。

2.2　评价指标选取

通过对地下水源热泵运行影响因素分析[5-10],结合专家意见,将地下水源热泵系统适宜性区划指标分为以下五个方面：

2.2.1地质及水文地质条件

地质及水文地质条件方面主要考虑含水层结构以及含水层的出水和回灌能力。含水层结构决定着地下水资源赋存环境,渗透系数及含水层厚度较大的区域,地下水地源热泵系统所能利用的地下水资源量越丰富；含水层的出水和回灌能力决定地下水源热泵系统的可利用性,不同抽回灌井数量比例等。对应的指标层要素为含水层出水能力、含水层回灌能力、渗透系数、有效含水层厚度。

2.2.2地下水动力条件

地下水动力场特征,对地下水源热泵的适宜性有较大影响。对应的指标层要素为地下水位埋深、地下水动态变化。

2.2.3地下水化学特征

地下水经过机组换热过程中,可能引起水质变化,污染地下水,同时地下水水质对机组运行、水质处理、热源井堵塞、地下水资源保护等有很大影响。对应的指标层要素为地下水质量、结垢程度。

2.2.4开采能力及环境影响

不同地段地下水资源可开采量、开采区划是开发利用的基础条件,开采地下水可能引发的环境地质问题更不容忽视；在武汉市易诱发岩溶地面塌陷的地区,已明文禁止开采地下水；环境影响主要评价因抽水可能引起的地面沉降问题。对应的指标层要素为开采模数、水位下降引起的地面塌陷和地面沉降量。

2.2.5成本

地下水源热泵系统建设成本,是由其施工条件及地下水利用难易程度等决定,能反映地下水源热泵系统建设的难易。对应的指标层要素为成井造价。

2.3　因子权重的确定

根据各属性层及要素层对地下水地源热泵系统适宜性的影响大小,结合专家意见,分别确定属性层、要素层指标权重。

(1) 对中间属性层进行权重计算,通过专家打分确定权重,通过判断矩阵进行一致性检验,一致性比率0.070 1,满足一致性。

(2) 采用同样的方法确定要素层指标权重,并进行一致性检验。以开采能力及环境影响为例,判断矩阵如表1。

经过一致性检验,一致性比率0.000 0,满足一致性,对总目标权重0.262 1。最终权重见表2。

表1　开采能力及环境影响判断矩阵Table 1　Exploitation potential and environmental impact judgment matrix

表2　开采能力及环境影响权重表Table 2　Exploitation potential and environmental impact weight

采用上述方法对其它各属性层及要素层进行权重计算和一致性检验,最终权重见表3。

表3　地下水源热泵适宜性评价二级要素权重表Table 3　Secondary factor weight of suitability evaluation of groundwater heat pump

2.4　评价方法和体系的建立

根据层次分析法目标层、属性层、要素层各指标要素建立评价体系(图1)。

图1　地下水地源热泵层次分析法模型结构图Fig.1　Model structure of analytic hierarchy process about groundwater heat pump

具体评价过程中,根据水源热泵运行特点及武汉市开发利用现状,首先建立评价结构模型,选取评价要素指标和因子,要素指标分为不同区段,邀请专家对各指标进行重要性对比、打分,汇总后进行一致性检验,最终确定地下水源热泵适宜性分区的评价体系、要素和权重。

确定评价方法后利用搜集到的1 221份工程、水文钻孔资料、200余份抽水回灌试验资料及现场热物性测试资料、60多个地下水监测点资料等为基础,对各个钻孔点或试验测试点等按评价要素分区段分别进行赋值,求出该点对于某一单要素的具体得分。

利用MapGIS软件在评价范围内建立评价网格点,将各要素得分赋到评价网格点上。采用综合指数法,将每个网格点上的各属性赋值与其相对应的权重值相乘,然后求和,即可得出各点的最终得分。根据得分分布,确定水源热泵系统各个适宜区的分值范围,绘制分区图,对分区图进行修正,完成地下水源热泵适宜性分区。

3　适宜性综合评价

利用MapGIS软件在评价范围内建立横纵间距为0.5 km的评价网格点,将各点各要素根据要素指标分段评分表进行赋分,再采用综合指数法,将每个网格点上的11项属性赋值与其相对应的权重值相乘,然后求和,得出各点的适宜性评价最终得分。根据得分分布,确定地下水源热泵系统各个适宜区的分数范围,绘制分区图,对分区图进行修正,完成地下水源热泵系统适宜性分区。各要素评价及分布情况如下：

含水层出水能力主要由单井出水量反映,单井涌水量越大,地下水地源热泵系统的可利用能力越强。将含水层出水能力分为<20 m3/h、20～40 m3/h、40～80 m3/h及>80 m3/h共四个分数段。含水层出水能力较高的区域主要集中在长江、汉江两岸一级阶地,地下水类型为第四系全新统孔隙承压水。

渗透系数分为<5 m/d、5～10 m/d、10～20 m/d及>20 m/d共四个分数段。渗透系数较高的区域主要集中在长江、汉江两岸一级阶地,含水层类型多为第四系全新统冲积砂、卵砾石层。

有效含水层厚度共四个分数段,分别为<5 m、5～15 m、15～30 m及>30 m。一级阶地前缘,长江汉江沿岸有效含水层厚度较大,并随着一级阶地前缘向二级阶地延伸逐渐减小。汉口江岸区、硚口区、江汉区和武昌区沿江一级阶地、白沙洲两侧一级阶地含水层厚度普遍>15 m。

含水层回灌能力分为<10 m3/h、10～30 m3/h、30～50 m3/h及>50 m3/h共四个分数段。回灌量较大的地方主要位于长江一级阶地前缘,从一级阶地前缘到二级阶地,含水层回灌能力依次减小；岩溶发育较多地区如东湖高新经济技术开发区、汉南区,含水层回灌能力也较强。

地下水位埋深分为<5 m、5～10 m、10～15 m、>15 m四个分数段。评价区内地下水位埋深普遍<5 m,东西湖区金银湖地区及江夏区纸坊、郑店等部分地区水位埋藏相对较深,可达10～15 m。

地下水位动态变幅分为<3 m、3～5 m、5～10 m、>10 m四个分数段。一级阶地地下水水位受长江、汉江水位影响,变幅较大,从一级阶地前缘到二级阶地,地下水位动态变化逐渐减小。

水质分为优良、良好、较好、较差和极差共五个分数段。第四系全新统、更新统孔隙承压水水质多为极差、较差；碎屑岩裂隙水水质多为较差；碳酸盐岩溶水水质以较差为主,局部较好。

锅垢量分为锅垢很多、锅垢多、锅垢少和锅垢很少共四个分数段。结垢程度普遍为锅垢很多,局部地区锅垢多。

开采模数分为<10×104m3/a·km2、10×104～20×104m3/a·km2、20×104～30×104m3/a·km2、30×104～40×104m3/a·km2、>40×104m3/a·km2的五个分数段。地下水开采模数较高的区域主要集中在长江、汉江两岸一级阶地,地下水类型为第四系全新统孔隙承压水,岩溶水分布区开采模数大部分<104m3/a·km2。因抽水可能产生沉降较大地面塌陷的区域主要集中在长江、汉江一级阶地有软土分布的地段。

成井造价因东湖高新技术开发区大部、汉南区中部和南部、蔡甸区东北部、黄陂区东北部以及其他局部地区由于岩溶和裂隙发育,因而成井造价最高。

4　适宜性分区评价结果

通过对各单要素加权求和可得出综合评价结果,评分标准是通过预评价之后,通过工程实际效果和经验反算评分标准的准确性,如此反复测算,得出最终评分标准。地下水源热泵系统适宜性分区分为适宜区、较适宜区、不适宜区三类,各分区界线确定为30分、70分(表4),分区结果见图2。

表4　地下水源热泵系统适宜性分区标准值Table 4　Score of suitability evaluation about groundwater heat pump

根据地下水源热泵系统适宜性分区层次分析法，评价结果如下：适宜区主要为长江、汉江一级阶地前缘至中缘,其特点为可利用的地下水资源量丰富且含水层出水、回灌能力强,适宜区面积144.74 km2。

不适宜区主要分为两类：一类是武汉市白沙洲地区、中南轧钢厂等地下水禁采区和汉南等地,该区共同的特点是分布于长江岸边,地层结构上覆为第四系砂层,赋存有松散岩类孔隙承压水,下伏地层为石炭—二叠系灰岩,岩溶发育,赋存裂隙岩溶水,两种地下水互相连通,在地下水动力和岩溶作用下,抽水极易诱发岩溶地面塌陷；另一类是评价区一级阶地后缘及隐伏岩溶上部为隔水层地区,其单井出水量小,开发利用成本较高,分析评价综合得分低,上述地区被划分为地下水地源热泵系统不适宜区,不适宜区面积为535.04 km2。

其它地区为地下水源热泵系统较适宜区,面积287.50 km2。

图2　地下水源热泵适宜性分区图Fig.2　Division of suitability about groundwater heat pump1.适宜区；2.较适宜区；3.不适宜区；4.地下水不发育区；5.调查评价区界线。

评估结果,武汉市都市发展区具有开发利用条件的地下水分布区占整个评价区面积的29.34%(967.28 km2),其中适宜区及较适宜区共占13.11%(432.24 km2),适宜区占4.39%(144.74 km2),较适宜区占8.72%(287.50 km2)；不适宜区占16.23%(535.04 km2)。

5　结语

采用层次分析法,能够辅助用于浅层地温能开发利用适宜性评价,并与实际情况基本相符,是评价工作重要手段之一。选择适宜的评价结构模型和要素、因

子及权重极为重要,否则评价结果很难正确合理。另外层次分析法只能评价出相对的结果,准确的评价需要实际工程与评价体系的反复测算。

武汉市都市发展区地下水地源热泵资源较丰富,在应用规模和整体水平上有较大的发展空间。但在岩溶地区进行地源热泵开发,应严格遵守行政部门相关规定,禁采区内禁止利用。根据河道堤防管理有关规定,在长江、汉江等干堤堤防背水面150～500 m范围内打井取水,应报防汛主管部门审批。对可能对环境产生影响的项目更应该进行监测,按照适宜性区划合理开发利用,推进浅层地温能综合开发利用。

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