武漢市都市發展區地下水源熱泵適宜性評價

胡元平, 劉紅衛, 柯　立, 朱志明, 馬　俊, 江　凱, 李志鵬

(湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊，湖北 武漢　430051)

0　引言

淺層地溫能資源開發利用受區域地質、水文地質條件控制,不同區域的資源利用方式和可利用規模存在較大差異,開發利用時首先需進行適宜性區劃,確定各區段適宜的開發利用方式,進行分區分級；在此基礎上,進行資源量計算和資源潛力評價,估算節能、環保、經濟效益,提出科學合理的開發利用方案,編制開發利用規劃等[1-4]。因此,開發利用方式適宜性區劃是淺層地溫能資源利用的前提和基礎。

武漢市都市發展區地下水資源較豐富,地下水類型多樣,適宜利用,但從資源保護、地質環境保護、預防次生地質災害、高效利用等方面綜合考慮,可利用程度存在差異。本文運用層次分析法,選擇恰當指標,對都市發展區進行了適宜性分區,為地下水源熱泵的利用提供了科學依據。

1　基本概況

武漢是全國較早開展地源熱泵工程應用的地區,自2000年開始至今,已在100多棟建筑中應用,建筑應用面積超過600萬m2。

武漢市位于江漢平原東部,屬平原邊緣隆起地帶,北靠大別山,區內地形東高西低、北高南低,總體地貌表現為平原上殘丘突露景觀,其余為剝蝕堆積低崗和沖洪積平原。區內地層淺部為剝蝕堆積、沖洪積成因的第四系粘性土、砂層,深部基巖為古生界—新生界地層,巖性包括泥巖、砂巖、灰巖、頁巖、硅質巖等。第四系覆蓋地層薄,除武昌洪山廣場、漢陽王家灣古河道段外,厚度一般20～50 m,在低丘地段(如武漢大學、龜山、蛇山),基巖直接出露地表。

評價區全新世時期堆積了厚達數十米的沖積層,并被中上更新統老粘性土圍限。全新統沖積層具有二元結構,上部為松軟的粘性土,下部為松散的砂及砂礫石層,賦存有較豐富孔隙承壓水。中上更新統的老粘性土為隔水邊界。

2　評價方法和評價體系建立

2.1　層次分析法

評價主要采用層次分析法進行分區,層次分析法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。其基本步驟為：

(1) 建立層次結構模型：一般分為三層,最上面為目標層,最下面為要素指標層,中間為屬性層。

(2) 構造判斷矩陣：從第二層開始用1～9尺度構造比較矩陣。

(3) 計算單排序權向量并做一致性檢驗：求最大特征對應的歸一化特征向量,做一致性比率檢驗。

(4) 計算總排序權向量并做一致性檢驗：利用層次單排序,計算層次總排序,并做一致性檢驗。

2.2　評價指標選取

通過對地下水源熱泵運行影響因素分析[5-10],結合專家意見,將地下水源熱泵系統適宜性區劃指標分為以下五個方面：

2.2.1地質及水文地質條件

地質及水文地質條件方面主要考慮含水層結構以及含水層的出水和回灌能力。含水層結構決定著地下水資源賦存環境,滲透系數及含水層厚度較大的區域,地下水地源熱泵系統所能利用的地下水資源量越豐富；含水層的出水和回灌能力決定地下水源熱泵系統的可利用性,不同抽回灌井數量比例等。對應的指標層要素為含水層出水能力、含水層回灌能力、滲透系數、有效含水層厚度。

2.2.2地下水動力條件

地下水動力場特征,對地下水源熱泵的適宜性有較大影響。對應的指標層要素為地下水位埋深、地下水動態變化。

2.2.3地下水化學特征

地下水經過機組換熱過程中,可能引起水質變化,污染地下水,同時地下水水質對機組運行、水質處理、熱源井堵塞、地下水資源保護等有很大影響。對應的指標層要素為地下水質量、結垢程度。

2.2.4開采能力及環境影響

不同地段地下水資源可開采量、開采區劃是開發利用的基礎條件,開采地下水可能引發的環境地質問題更不容忽視；在武漢市易誘發巖溶地面塌陷的地區,已明文禁止開采地下水；環境影響主要評價因抽水可能引起的地面沉降問題。對應的指標層要素為開采模數、水位下降引起的地面塌陷和地面沉降量。

2.2.5成本

地下水源熱泵系統建設成本,是由其施工條件及地下水利用難易程度等決定,能反映地下水源熱泵系統建設的難易。對應的指標層要素為成井造價。

2.3　因子權重的確定

根據各屬性層及要素層對地下水地源熱泵系統適宜性的影響大小,結合專家意見,分別確定屬性層、要素層指標權重。

(1) 對中間屬性層進行權重計算,通過專家打分確定權重,通過判斷矩陣進行一致性檢驗,一致性比率0.070 1,滿足一致性。

(2) 采用同樣的方法確定要素層指標權重,并進行一致性檢驗。以開采能力及環境影響為例,判斷矩陣如表1。

經過一致性檢驗,一致性比率0.000 0,滿足一致性,對總目標權重0.262 1。最終權重見表2。

表1　開采能力及環境影響判斷矩陣Table 1　Exploitation potential and environmental impact judgment matrix

表2　開采能力及環境影響權重表Table 2　Exploitation potential and environmental impact weight

采用上述方法對其它各屬性層及要素層進行權重計算和一致性檢驗,最終權重見表3。

表3　地下水源熱泵適宜性評價二級要素權重表Table 3　Secondary factor weight of suitability evaluation of groundwater heat pump

2.4　評價方法和體系的建立

根據層次分析法目標層、屬性層、要素層各指標要素建立評價體系(圖1)。

圖1　地下水地源熱泵層次分析法模型結構圖Fig.1　Model structure of analytic hierarchy process about groundwater heat pump

具體評價過程中,根據水源熱泵運行特點及武漢市開發利用現狀,首先建立評價結構模型,選取評價要素指標和因子,要素指標分為不同區段,邀請專家對各指標進行重要性對比、打分,匯總后進行一致性檢驗,最終確定地下水源熱泵適宜性分區的評價體系、要素和權重。

確定評價方法后利用搜集到的1 221份工程、水文鉆孔資料、200余份抽水回灌試驗資料及現場熱物性測試資料、60多個地下水監測點資料等為基礎,對各個鉆孔點或試驗測試點等按評價要素分區段分別進行賦值,求出該點對于某一單要素的具體得分。

利用MapGIS軟件在評價范圍內建立評價網格點,將各要素得分賦到評價網格點上。采用綜合指數法,將每個網格點上的各屬性賦值與其相對應的權重值相乘,然后求和,即可得出各點的最終得分。根據得分分布,確定水源熱泵系統各個適宜區的分值范圍,繪制分區圖,對分區圖進行修正,完成地下水源熱泵適宜性分區。

3　適宜性綜合評價

利用MapGIS軟件在評價范圍內建立橫縱間距為0.5 km的評價網格點,將各點各要素根據要素指標分段評分表進行賦分,再采用綜合指數法,將每個網格點上的11項屬性賦值與其相對應的權重值相乘,然后求和,得出各點的適宜性評價最終得分。根據得分分布,確定地下水源熱泵系統各個適宜區的分數范圍,繪制分區圖,對分區圖進行修正,完成地下水源熱泵系統適宜性分區。各要素評價及分布情況如下：

含水層出水能力主要由單井出水量反映,單井涌水量越大,地下水地源熱泵系統的可利用能力越強。將含水層出水能力分為<20 m3/h、20～40 m3/h、40～80 m3/h及>80 m3/h共四個分數段。含水層出水能力較高的區域主要集中在長江、漢江兩岸一級階地,地下水類型為第四系全新統孔隙承壓水。

滲透系數分為<5 m/d、5～10 m/d、10～20 m/d及>20 m/d共四個分數段。滲透系數較高的區域主要集中在長江、漢江兩岸一級階地,含水層類型多為第四系全新統沖積砂、卵礫石層。

有效含水層厚度共四個分數段,分別為<5 m、5～15 m、15～30 m及>30 m。一級階地前緣,長江漢江沿岸有效含水層厚度較大,并隨著一級階地前緣向二級階地延伸逐漸減小。漢口江岸區、硚口區、江漢區和武昌區沿江一級階地、白沙洲兩側一級階地含水層厚度普遍>15 m。

含水層回灌能力分為<10 m3/h、10～30 m3/h、30～50 m3/h及>50 m3/h共四個分數段?；毓嗔枯^大的地方主要位于長江一級階地前緣,從一級階地前緣到二級階地,含水層回灌能力依次減??；巖溶發育較多地區如東湖高新經濟技術開發區、漢南區,含水層回灌能力也較強。

地下水位埋深分為<5 m、5～10 m、10～15 m、>15 m四個分數段。評價區內地下水位埋深普遍<5 m,東西湖區金銀湖地區及江夏區紙坊、鄭店等部分地區水位埋藏相對較深,可達10～15 m。

地下水位動態變幅分為<3 m、3～5 m、5～10 m、>10 m四個分數段。一級階地地下水水位受長江、漢江水位影響,變幅較大,從一級階地前緣到二級階地,地下水位動態變化逐漸減小。

水質分為優良、良好、較好、較差和極差共五個分數段。第四系全新統、更新統孔隙承壓水水質多為極差、較差；碎屑巖裂隙水水質多為較差；碳酸鹽巖溶水水質以較差為主,局部較好。

鍋垢量分為鍋垢很多、鍋垢多、鍋垢少和鍋垢很少共四個分數段。結垢程度普遍為鍋垢很多,局部地區鍋垢多。

開采模數分為<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的五個分數段。地下水開采模數較高的區域主要集中在長江、漢江兩岸一級階地,地下水類型為第四系全新統孔隙承壓水,巖溶水分布區開采模數大部分<104m3/a·km2。因抽水可能產生沉降較大地面塌陷的區域主要集中在長江、漢江一級階地有軟土分布的地段。

成井造價因東湖高新技術開發區大部、漢南區中部和南部、蔡甸區東北部、黃陂區東北部以及其他局部地區由于巖溶和裂隙發育,因而成井造價最高。

4　適宜性分區評價結果

通過對各單要素加權求和可得出綜合評價結果,評分標準是通過預評價之后,通過工程實際效果和經驗反算評分標準的準確性,如此反復測算,得出最終評分標準。地下水源熱泵系統適宜性分區分為適宜區、較適宜區、不適宜區三類,各分區界線確定為30分、70分(表4),分區結果見圖2。

表4　地下水源熱泵系統適宜性分區標準值Table 4　Score of suitability evaluation about groundwater heat pump

根據地下水源熱泵系統適宜性分區層次分析法，評價結果如下：適宜區主要為長江、漢江一級階地前緣至中緣,其特點為可利用的地下水資源量豐富且含水層出水、回灌能力強,適宜區面積144.74 km2。

不適宜區主要分為兩類：一類是武漢市白沙洲地區、中南軋鋼廠等地下水禁采區和漢南等地,該區共同的特點是分布于長江岸邊,地層結構上覆為第四系砂層,賦存有松散巖類孔隙承壓水,下伏地層為石炭—二疊系灰巖,巖溶發育,賦存裂隙巖溶水,兩種地下水互相連通,在地下水動力和巖溶作用下,抽水極易誘發巖溶地面塌陷；另一類是評價區一級階地后緣及隱伏巖溶上部為隔水層地區,其單井出水量小,開發利用成本較高,分析評價綜合得分低,上述地區被劃分為地下水地源熱泵系統不適宜區,不適宜區面積為535.04 km2。

其它地區為地下水源熱泵系統較適宜區,面積287.50 km2。

圖2　地下水源熱泵適宜性分區圖Fig.2　Division of suitability about groundwater heat pump1.適宜區；2.較適宜區；3.不適宜區；4.地下水不發育區；5.調查評價區界線。

評估結果,武漢市都市發展區具有開發利用條件的地下水分布區占整個評價區面積的29.34%(967.28 km2),其中適宜區及較適宜區共占13.11%(432.24 km2),適宜區占4.39%(144.74 km2),較適宜區占8.72%(287.50 km2)；不適宜區占16.23%(535.04 km2)。

5　結語

采用層次分析法,能夠輔助用于淺層地溫能開發利用適宜性評價,并與實際情況基本相符,是評價工作重要手段之一。選擇適宜的評價結構模型和要素、因

子及權重極為重要,否則評價結果很難正確合理。另外層次分析法只能評價出相對的結果,準確的評價需要實際工程與評價體系的反復測算。

武漢市都市發展區地下水地源熱泵資源較豐富,在應用規模和整體水平上有較大的發展空間。但在巖溶地區進行地源熱泵開發,應嚴格遵守行政部門相關規定,禁采區內禁止利用。根據河道堤防管理有關規定,在長江、漢江等干堤堤防背水面150～500 m范圍內打井取水,應報防汛主管部門審批。對可能對環境產生影響的項目更應該進行監測,按照適宜性區劃合理開發利用,推進淺層地溫能綜合開發利用。

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