合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區評價

許雪潔，李莉莉

（1. 安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，蚌埠 233000；2.安徽省地質環境監測總站，合肥 230001）

合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區評價

許雪潔1，李莉莉2

（1. 安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，蚌埠 233000；2.安徽省地質環境監測總站，合肥 230001）

本文以合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區為例, 采用層次分析法和綜合指數法相結合的方法進行評價。評價結果表明，合肥大部分地區都適宜于應用地埋管地源熱泵系統，除少數基巖裸露區外，其余都為適宜區和較適宜區，其中適宜區面積為597km2，較適宜區面積為141km2。評價結果與客觀情況基本吻合，分區結果合理可靠。

合肥市；地源熱泵；層次分析法；適宜性分區

0 引言

淺層地溫能是一種可再生的能源, 是改善各地能源結構的一種本地資源, 這種資源普遍存在于地下不同的地質體中，具有總量大、可再生、安全可靠、環境效益顯著的特點,但是它受到區域地質、水文地質、環境地質條件（即研究區地層沉積組合、巖性特征、地下水動態等）等影響。淺層地溫資源利用通過地源熱泵系統實現,服務于生活和生產。在開發、利用淺層地溫資源時，我們應該結合區域地質環境條件，選用科學的評價方法進行適宜性分區，以確定合理的可持續開發利用方式。

合肥市應用地源熱泵工程較晚，但是發展較快，目前為止已經建成地源熱泵項目20家，服務面積193萬m2。合肥市位于江淮之間，為亞熱帶濕潤季風氣候，具有四季分明，冬寒夏熱、春秋溫和特點，夏季利用地源熱泵工程向地下排熱，冬季利用地源熱泵工程從地下取熱，可以較好地使地下熱量保持一個均衡狀態。合肥市埋深200m以淺地下水資源貧乏，80%的區域單位涌水量小于1m3/h·m，地下水回灌量占出水量的20%～30%，開發利用方式較適宜于應用地埋管地源熱泵系統。本文采用層次分析法和綜合指數法相結合的評價方法，對合肥市地埋管地源熱泵進行適宜性分區。

1 淺層地溫能地質條件

1.1 淺層地質結構特征

合肥市地形北高南低、西高東低，地形坡度集中在0.5%～3%。海拔高程小于50m的國土面積為736.5 km2，占全區總面積的96.9%，僅大蜀山呈錐狀凸起。總體上研究區呈崗、谷相間地貌，崗地呈緩坡，谷地呈平緩的地形特征。區域地貌單元上屬于江淮波狀平原區。區內除大蜀山錐狀火山孤峰外，其余均以崗坳相間、壟畈起伏的波狀平原為主，南淝河下游河谷地帶為平坦的沖積平原。合肥市地處中生代合肥斷陷盆地的東南部，區域構造單元屬中朝準地臺南緣江淮臺隆。合肥市屬于晉冀魯豫地層區華北南緣地層分區，地層由老到新為中生代侏羅系上統周公山組(J3z)，白堊系下統新莊組(K1x)，白堊系上統張橋組(K2z)；新生代第三系定遠組(E1dy)和第四系（Q）。中新生代沉積了巨厚的陸源碎屑巖類堆積物，受斷裂構造和地下水的共同作用，巖石風化、膠結物的流失嚴重特別是白堊系膠結差，主要巖性為鈣質泥巖、泥鈣質粉細砂巖。地表絕大部分被第四系棕黃、褐黃色粘土、亞粘土所覆蓋。

1.2 水文地質條件

本區的地下水共三種類型，松散巖類孔隙水、碎屑巖類（紅層）裂隙孔隙水、基巖裂隙水。

松散巖類孔隙水：主要分布在南淝河沿岸漫灘一帶，主要含水層巖性由第四系全新統粉砂、亞砂土組成，含水砂層厚度2～5m，呈長條狀和透鏡狀分布。地下水的水力性質以潛水—微承壓水為主，地下水位埋深一般在2～4m不等，年變幅在1～2m，單井出水量小于100m3/d。水質類型以HCO3-Na·Ca型和HCO3－Ca·Na型為主，溶解性總固體小于lg/L占95%。Ⅲ類占92%，總體上水質良好。

碎屑巖類（紅層）裂隙孔隙水：主要儲存在中生代白堊紀以及新生代早第三紀的“紅層”中，含水巖組呈多層（泥巖與砂巖）交互分布，泥巖結構密實、膠結的較好。含水層的巖性為鈣質砂礫巖和鈣質砂巖，砂巖的顆粒以粉細砂為主。單井涌水量一般為50～100m3/d，在張性斷裂帶附近富水性較好，單井涌水量100～500m3/d。水質類型為HCO3-Na·Ca型和HCO3－Na型，侏羅系和白堊系中地下水溶解性總固體均小于lg/L；Ⅲ類占90%以上，水質良好。

基巖裂隙水：僅分布于大蜀山，基巖出露面積約2.5km2，主要巖性為輝綠玢巖，屬于新生代早第三紀的基性火山巖。由于巖石裂隙不發育，缺少地下水必要的儲水空間，單井涌水量小于50m3/d。

本區地下水的主要補給來源是大氣降水，其次為地下徑流和水庫、塘、灌渠等。另外，河流在豐水季節對地下水也有一定的補給作用；天然狀態下，地下水徑流方向與地表水流方向基本一致，從北西向東南；排泄形式主要為季節性補給河水，其次是人工開采。

1.3 巖土體熱物性特征

巖土體熱物性特征：第四系土樣導熱系數范圍為1.14～2.4W/m·K，熱擴散系數在0.45～1.69mm2/s之間，體積比熱容在0.79～3.19MJ/m3·K之間；基巖巖樣導熱系數范圍為1.01～2.53W/m·K，熱擴散系數在0.3～1.25mm2/s之間，體積比熱容在0.94～4.5MJ/m3·K之間。據初步統計，巖土體的導熱系數小排列如下：第四系（1.56 W/m·K）＜白堊系(1.69 W/m·K)＜第三系(2.02 W/m·K)＜侏羅系（2.46 W/m·K）。熱擴散系數為：第四系（0.72 mm2/s）＜白堊系(0.74 mm2/s)＜第三系(0.90 mm2/s)＜侏羅系（1.20 mm2/s）。比熱容大小排列規律為：侏羅系（2.10 MJ/m3K）＜第三系 (2.27 MJ/m3K)＜第四系(2.36 MJ/m3K)＜白堊系（2.37 MJ/m3K）。區內東南和西北部分的導熱系數相對其他區域較大，南部的比熱容相對其他區域較大。

1.4 淺層地溫場特征

區內恒溫帶溫度在17.4℃左右，恒溫層深度在12～32m左右，恒溫帶和增溫帶的溫度在一年內基本保持恒定、無變化。埋深20m地溫由西部向東部逐漸升高，由17.0℃升至17.4℃，溫度由北向南遞增，由17.2℃升至17.6℃，最高達到17.8℃；埋深50m地溫由西南向東北逐漸升高，在中北部達到最高溫度18.4℃；100m埋深處的溫度平面分布變化較大，從19.0℃升至20.2℃，也遵從由西向東遞增的規律，東北部及東南部溫度都較高。區內地層每百米的增溫率在2.2℃～4.1℃之間，其中東北部和南部地溫梯度較大，分別達到4.0℃/100m和3.6℃/100m，而西部則較低，為2.4℃/100m。

2 評價方法的選取

針對合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區，運用層次分析法進行結構建模（圖1）。層次分 析 法 ( Analytic Hierarchy Process 簡 稱AHP) 是由美國匹茲堡大學教 A.L.Saaty 于 20 世紀70 年代提出的一種系統分析方法（朱茵等，1999）。它根據問題的性質和最終目標，將問題劃分為相關聯的有序層，構成系統遞階層次結構，依據人們對客觀現實的判斷，對各因素的相對重要性給予定量表示，利用數學方法確定各因素的層次單權重和總權重（董殿偉等，2010；金婧等，2012）。運用層次分析法建模，大體上可按下面5個步驟進行（宋小慶等，2015）：

（1）建立系統遞階層次結構。把問題進行分解組合，建立遞階層析結構，清楚表明各層次之間的關系。

（2）建立兩兩比較矩陣。采用1-9標度對同一元素進行兩兩比較后建立比較矩陣。

（3）構造判斷矩陣。采用極比法構造判斷矩陣，得到一致性判斷矩陣。

（4）按一致性檢驗指標 CI 進行一致性檢驗。CI 越小，判斷矩陣的一致性就越好。

（5）進行權重計算。權重越大，表明參數對適宜性分區的影響越大、對分區結果的貢獻越大。

3 考慮因素

地質、水文地質條件：考慮因素主要有第四系松散層厚度、含水層的劃分及分布、地下水類型、地下水位埋深，地下水補、徑、排條件及水質狀況等。

地層屬性：地層巖性的分布直接影響施工成本及巖土體導熱性能，地層巖性、地層厚度參數決定地埋管的適宜性和取熱層位。

施工條件：鉆進條件及城市功能分區，影響著地埋管成井費用和初投資。因此，鉆進條件是影響地埋管適宜性的重要因素。

地層熱物性參數：地下埋管處巖土的熱物性參數，對埋管換熱性能有著重要影響。鉆孔地點的巖土物性參數，對埋管單位井深換熱量的影響非常大。

圖1 地埋管熱泵層次分析法模型結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of model structure analysis of buried pipe heat pum p

4 評價步驟

4.1 建立層次分析結構模型

本次評價體系由三層構成, 從頂層至底層分別由系統目標層 (0, Object)、屬性層 (A , Attribute) 和要素指標層(F，Factor ) 3 級層次結構組成。O 層是系統的總目標, 即淺層地溫能地源熱泵適宜區劃分。A 層是屬性指標層, 由地質與水文地質條件、地層屬性、施工條件、熱物性四部分構成。F 層是要素指標層,由第四系厚度、地下水位、地下水徑流條件、地下水質、地層巖性鉆進條件、城市功能分區、地層熱傳導系數、地層比熱容等9個指標構成(圖1)。

4.2 構造成對比較矩陣

從結構模型的屬性層（即第2層）開始，對于從屬于（或影響）上一層的同一層各個因素，用兩兩比較矩陣法和1-9標度建立起比較矩陣，直到最底層，構造判斷矩陣C，各要素層相對于目標層的判斷矩陣見表1 。

表1 要素層成對比較矩陣及權重Tab.1 Pairw ise comparison matrix and weight of element layer

4.3 計算權向量并檢驗一致性并確定權重

根據層次分析法（AHP），在評價體系的三級層次結構隸屬關系的基礎上，構造兩兩比較矩陣，利用極比法構造判斷矩陣，得到一致性判斷矩。通過計算，檢驗兩兩比較矩陣的一致性,最終確定要素指標層中，各個要素在評價目標的有效權重（表2）。

4.4 基礎圖件的制作和指標的提取

圖件準備：在MapGIS制圖軟件中，制作各要素指標的圖件，包括第四系厚度等值線圖、基巖地質圖、城市功能分區圖、地層熱傳導系數平面分布圖、地層比熱容平面分布圖等圖件。

表2 各要素的有效權重Tab.2 The effective weight of each element

圖件賦值：對第四系厚度等值線圖、基巖地質圖、城市功能分區圖、地層熱傳導系數平面分布圖、地層比熱容平面分布圖等圖件賦值，賦值遵循越有利于地源熱泵條件的屬性層給分越高的規則。對可定量的指標圖形根據取值范圍進行賦值，如第四系厚度等值線圖、地層熱傳導系數分布圖、地層比熱容平面分布圖根據厚度、大小賦以不同的值；對不能定量獲得的指標圖件如基巖地質圖、城市功能分區圖等則定性賦值，白堊系及第三系巖性主要為泥巖、頁巖及粉砂巖，巖性較松散，利于鉆進，所以賦值較高，侏羅系巖性主要為石英砂巖夾粉砂巖、安山巖，巖性較堅硬，不利于鉆進，所以賦值較低；城市功能分區里建成區不利于使用地源熱泵，所以賦值也較低。各因素賦值情況見表3至表6。

表3 地質、水文地質條件因子等級劃分及評分值Tab.3 Geological and hydrogeological condition factor grade and score

表4 地層巖性因子等級劃分及評分值Tab.4 Stratigraphic lithologic factor grading and scoring

表5 施工條件各要素等級劃分及評分值Tab.5 Construction conditions of the elements of the classif cation and evaluation

表6 熱物性各要素等級劃分及評分值Tab.6 Thermal physical properties of the elements of the classif cation and evaluation

指標提取：利用網格剖分法，將合肥市網格化，計算每個網格點的適宜性指數，從而計算出合肥市行政區域內區的適宜性分區。為提高計算準確度, 首先對合肥市大約760km2的范圍進行剖分,對剖分網格點進行編號。除去裸露基巖山包, 對具有相似指標值的網格進行整合，最后本次參與計算評價的網格點的個數為36個。然后將指標要素圖形與剖分區域點進行疊加。最終, 各個圖件中的屬性賦值對應到了相應的網格點上，將各個圖形分析的問題轉化為網格點指標計算。

5 適宜性分區

對評價體系中要素指標層的因子，采用綜合指數法進行加權疊加，計算出適宜性綜合評價指數。

將綜合評價指數0～5 的區域劃分為地埋管地源熱泵不適宜區、綜合評價指數5～7 的區域劃分為地埋管地源熱泵較適宜區、綜合評價指數7～9的區域劃分為地埋管地源熱泵適宜區（圖2）。

地層巖石相對較松散、利于鉆進的白堊系及第三系巖石分布地區及巖土體導熱系數較好的廣大地區都為地埋管地源熱泵適宜區，面積為597km2。

地層巖石較堅硬、不利于鉆進的侏羅系巖石分布地區、巖土體導熱系數較差的地區都為地埋管地源熱泵較適宜區，面積為141km2。

大蜀山等裸露基巖區為地埋管地源熱泵不適宜區，面積為22km2。

圖2 合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區圖Fig.2 Suitability zoning map of ground source heat pum p in Hefei

6 結論

地埋管地源熱泵適宜性分區的主要依據是淺層地溫能資源賦存的地質條件，以地質條件、水文地質條件為基礎，以施工條件為依托，運用層次分析法、綜合指數法對合肥市地埋管地源熱泵適宜性進行了綜合評價。評價結果表明，合肥市紅層地區地埋管地源熱泵適宜區面積為597km2，較適宜區面積為141km2，不適宜區面積為22 km2，合肥市大部分區域都適宜地埋管地源熱泵系統的開發利用。

董殿偉，江 劍，王立發，等，2010. 北京市平原區地源熱泵系統適宜性分區評價[J]．北京水務，2010(2)：12-14．

金婧，席文娟，陳宇飛，等，2012．基于 AHP 的淺層地熱能適宜性分區評價[J]．水資源與水工程學報，23(3)：91-93．

宋小慶，彭欽，2015. 基于層次分析法的貴陽市地埋管地源熱泵適宜性評價[J]. 地下水，37(3)：48-49

朱 茵，孟志達，闞權愚，1999. 用層次分析法計算權重[J]．北方交通大學學報，23(5)：119-122．

Study on the Suitability Evaluation M ethod of Ground Source Heat Pum p in Hefei City

XU Xuejie1, LI Lili2

(1. No.1 Hydrogeology and Engineering Geology Institute of Anhui Bureau of Geology and Mineral Exploration, Bengbu 233000; 2. Geological Environment Monitoring Station of Anhui Province, Hefei 230001)

By the analysis hierarchy process, the ground source heat pump system in Hefei is taken an example to evaluate whether the system is applicable in Hefei. Results show ground source heat pump system is suitable for most parts of Hefei, except for a few bedrock exposed areas. The suitable area is up to 597km2, the relative suitable area is 141km2. The result is consistent w ith the reality, and the zoning result is reasonable and reliable.

Hefei; Ground source heat pump; Analysis hierarchy process; Suitability zoning

A

1007-1903（2017）02-0082-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.016

中國地質調查局2011年地質礦產調查評價專項“全國地熱資源調查評價”計劃項目（水[2011]01-17-10、 水[2012]02-036-010）

許雪潔（1981- ），女，碩士，工程師，主要從事水文地質、工程地質、環境地質。E-mail：xuxuejie812@126.com