重慶市主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用分區(qū)方法研究

張甫仁，毛維薇，袁　園，高諧林，王樂祥

(1.重慶交通大學(xué) 機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2.西昌學(xué)院 土木與水利工程學(xué)院，四川 西昌615000；3.四川華電木里河水電開發(fā)有限公司，四川 西昌 615000)

0　引　言

淺層地溫能是指地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能[1]。隨著建筑能耗日益增大，建筑節(jié)能受到各界關(guān)注，淺層地溫能以其分布廣、儲量大、可持續(xù)開發(fā)利用等特點[2-5]得到大力推廣。但重慶乃至全國淺層地溫能開發(fā)利用的進程遲緩[6]，在開發(fā)利用過程中存在著開采成本高、盲目開采、管理不善等諸多問題。為此，全國各地開展了資源評價、適宜性分區(qū)等調(diào)查研究[7]，為合理高效地利用淺層地溫能資源提供了依據(jù)。目前，大多數(shù)淺層地溫能適宜性分區(qū)僅以水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件等特征為依據(jù)進行劃分，極少結(jié)合考慮到城市規(guī)劃建設(shè)、城市經(jīng)濟狀況、具體行政界限等條件，給淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃在實際中的實施管理帶來了問題。因此，在傳統(tǒng)適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上考慮城市規(guī)劃、經(jīng)濟、行政界線等條件，可以給淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃提供更準(zhǔn)確更實用的信息和依據(jù)。

筆者通過對重慶市主城區(qū)淺層地溫能資源情況的調(diào)查研究，并在淺層地溫適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上，根據(jù)重慶市行政界限(組團)、城市規(guī)劃、人防等地下設(shè)施、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r等，對重慶市主城區(qū)進行淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū)，為后期規(guī)劃淺層地溫能開發(fā)利用相關(guān)的研究和具體項目實施提供依據(jù)。

1　資源開發(fā)利用概況

1.1　重慶市淺層地溫能概況

重慶市主城區(qū)包括渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū)；主要在重慶中心城區(qū)以及兩江新區(qū)部分，面積1 670 km2。由魚嘴組團、龍興組團、空港組團、悅來組團、水土組團、蔡家組團、禮嘉組團、人和組團、唐家沱組團、觀音橋組團、沙坪壩組團、渝中組團、大楊石組團、南坪組團、李家沱組團、界石組團、北碚組團、一品組團、西永組團、木古組團、大渡口組團、茶園組團，共計22個組團組成。

重慶市主城區(qū)內(nèi)具備較優(yōu)的淺層地溫能資源，資源成帶型明顯，資源的分布嚴格受地質(zhì)構(gòu)造控制，與區(qū)域水文地質(zhì)條件一致；地層以沉積巖為主，分布巖石為泥巖、砂巖、灰?guī)r，開發(fā)利用的鉆探成本較高；巖土體導(dǎo)熱系數(shù)在1.93～3.10 W/(m·K)之間，其平均值為2.62 W/(m·K)，具有良好的導(dǎo)熱性能；巖土體平均溫度在18.5～20.5 ℃，非常有利于資源的開發(fā)利用；重慶主城區(qū)地下水以裂隙水為主，地下水的流動對地下?lián)Q熱器的傳熱非常有利，也能減緩資源利用帶來的熱平衡問題。

依據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》的要求，重慶市主城區(qū)淺層地溫能調(diào)查評價使用的指標(biāo)為地下富水性、地下水質(zhì)、平均熱導(dǎo)率、平均比熱容和鉆孔難易度。由于重慶市地下資源主要為裂隙水，并不適合地下水地源熱泵，規(guī)劃中并未考慮地下水地源熱泵適宜性分區(qū)，因此主城區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)即為主城區(qū)淺層地溫能適宜性分區(qū)[8-9]。對重慶市主城區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)的結(jié)果見圖1。初步統(tǒng)計各分區(qū)面積見表1。由表1可見，淺層地溫能資源適宜區(qū)與較適宜區(qū)共占地面積比例達96.5%，整個重慶地區(qū)內(nèi)可以大量利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)形式的淺層地溫能資源[8]。

圖1　重慶市主城區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)Fig. 1　Adaptive partition map of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

表1　重慶市主城區(qū)淺層地溫能適宜性分區(qū)面積統(tǒng)計Table 1　Adaptive partition statistical area of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

1.2　資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)重慶市建設(shè)用地規(guī)模，并考慮城市規(guī)劃、道路、橋梁、已有建筑物、城市規(guī)劃綠地等影響因素，建成區(qū)土地利用系數(shù)取0.07，規(guī)劃區(qū)土地利用系數(shù)取0.221 4。考慮土地利用系數(shù)情況下，規(guī)劃區(qū)內(nèi)在100 m以上范圍內(nèi)淺層地溫能資源冬季可供暖面積3.789×108m2，夏季可制冷面積2.098 5×108m2；在重慶市調(diào)查區(qū)淺層地溫能資源可開發(fā)利用的總能量為1.951 6×108GJ，開采利用可節(jié)約的標(biāo)煤量為2.333×106t/a，減少二氧化硫排放量3.967×104t/a，減少氮氧化物排放量1.400×104t/a，減少二氧化碳排放量5.568×106t/a，減少懸浮質(zhì)粉塵排放量1.867×104t/a，減少灰渣排放量2.334×104t/a，節(jié)省的環(huán)境治理費為6.583×104萬元/a。

據(jù)統(tǒng)計，截止2015年12月，規(guī)劃區(qū)內(nèi)已建成或通過施工圖審核的地埋管式地源熱泵項目數(shù)目達到10個，建筑面積已達308 581 m2。其中住宅建筑占28%，學(xué)校建筑占6%，辦公建筑占44%，會展中心占11%，醫(yī)院占10%，科研基地占1%。據(jù)重慶市現(xiàn)有淺層地溫能應(yīng)用項目估算，一年常規(guī)能源替代量相當(dāng)于7 742 t標(biāo)準(zhǔn)煤，約可減排CO2、SO2分別達6 466、46 t。

1.3　重慶市主城區(qū)城市發(fā)展?fàn)顩r

根據(jù)《重慶市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2007—2020年)2014深化文本》(后簡稱《文本》)，整理出2020年以內(nèi)預(yù)計建成的公共建筑所占面積，計算出每個組團的公建比例(公建比例=公共建筑面積/組團面積)，統(tǒng)計結(jié)果如圖2，其中公建比例大于10%的組團有觀音橋組團、渝中組團、大楊石組團、李家沱組團。此外《文本》中對重慶市的用地情況進行了詳細規(guī)劃，分為建成區(qū)、規(guī)劃區(qū)和拓展區(qū)，對重慶市主城區(qū)內(nèi)的22個組團的每一個組團進行統(tǒng)計，把建成區(qū)占組團總面積最多的組團稱為建成組團，規(guī)劃區(qū)占組團總面積最多的組團稱為規(guī)劃組團，拓展區(qū)占組團總面積最多的組團稱為拓展組團，當(dāng)建成區(qū)、規(guī)劃區(qū)和拓展區(qū)所占面積相當(dāng)時就是“特例”，最后得到22個組團的用地情況如表2。

圖2　重慶市主城區(qū)公建比例統(tǒng)計Fig. 2　Public construction ratio in urban area of Chongqing

表2　重慶市主城區(qū)用地情況表Table 2　Land use in urban area of Chongqing

2　開發(fā)利用綜合分區(qū)方法研究

2.1　分區(qū)評價體系建立

在對重慶市資源情況、城市發(fā)展?fàn)顩r的調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合專家意見，建立重慶市主城區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用綜合分區(qū)評價體系，如圖3。

圖3　淺層地溫能資源開發(fā)利用綜合分區(qū)評價體系Fig. 3　Evaluation system of shallow geothermal energy exploitation and utilization comprehensive partition

2.2　層次分析法確定資源開發(fā)利用分區(qū)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)圖3建立判斷矩陣，并根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度，建立各指標(biāo)之間相對重要性比較的兩兩對比矩陣[10-11]：

計算特征向量得到W=[0.375，0.625]T，W1=[0.530 4，0.469 6]T，W2=1。因此，指標(biāo)權(quán)重結(jié)果如表3。

表3　層次分析法確定的評價指標(biāo)權(quán)重值Table 3　The weight value of evaluation index determined by AHP

2.3　非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法確定評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)重要性定性排序的方法對指標(biāo)進行排序，重要性定性排序為：適應(yīng)性分區(qū)，用地情況，公建比例。結(jié)合專家意見認真考慮以后認為屬性層的發(fā)展?fàn)顩rA1重要性排序為1的要素指標(biāo)C1與指標(biāo)C2相比處于“同等重要”與“稍稍重要”之間，與排序為3的指標(biāo)C3相比“稍稍重要”，與排序為4的指標(biāo)C4相比處于“稍稍重要”和“略為重要”之間，與排序為5的指標(biāo)C5相比處于“較為重要”和“明顯重要”之間。應(yīng)用語氣算子確定相對隸屬度向量為h={1，0.905，0.739}，把相對隸屬度向量進行歸一化即為權(quán)重向量w={0.378，0.342 3，0.279 5}，得到指標(biāo)用地情況C11、公建比例C12、適應(yīng)性分區(qū)C21的權(quán)重分別為0.342 3、0.279 5、0.378 2。

2.4　綜合權(quán)重計算

由層次分析法和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)值均存在相對誤差，根據(jù)其總體誤差分析判斷，兩種方法所求結(jié)果比較近似，具有一定的可靠性。為克服單一評價方法帶來的誤差，采用綜合求權(quán)方法——乘法合成歸一化法對兩種評價方法所得的指標(biāo)權(quán)重進行歸一化處理，計算公式如式(1)：

(1)

式(1)中，m=2，n=3，所得用地情況C11、公建比例C12、適應(yīng)性分區(qū)C21的綜合權(quán)重分別為0.336 9、 0.286 5、0.376 5。

2.5　基于綜合指數(shù)法的綜合評價

綜合指數(shù)法是將一組相同或不同指數(shù)值通過計算處理，使不同計量單位、性質(zhì)的指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化，最后轉(zhuǎn)化成一個綜合指數(shù)，準(zhǔn)確地評價工作的綜合水平。綜合評價指數(shù)法計算公式如式(2)：

(2)

式中：Rk為綜合評價指數(shù)；?i為指標(biāo)要素權(quán)重；xi為指標(biāo)要素屬性賦值；n為指標(biāo)要素個數(shù)。

2.5.1評估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

評價使用的指標(biāo)數(shù)據(jù)具有不同的類型和量綱，為了達到在同一評價體系內(nèi)對不同類型和量綱的數(shù)據(jù)進行運算和比較的目的，需要對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本次評價的具體處理方法是：以影響因子對淺層地溫能開發(fā)利用的有利程度為比較標(biāo)準(zhǔn)，對各個要素的范圍值在1～9之間打分。越有利于淺層地溫能資源開發(fā)利用的指標(biāo)數(shù)據(jù)范圍分值越高，越不利的指標(biāo)數(shù)據(jù)范圍分值越低。淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū)所有的指標(biāo)等級劃分及評分結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果)見表4。

表4　淺層地溫能開發(fā)利用指標(biāo)分級賦值Table 4　Graded assignment values of shallow geothermal energy exploitation indicators

2.5.2評估等級設(shè)置

根據(jù)重慶市主城區(qū)資源適應(yīng)性分區(qū)、用地情況、組團公共建筑比例3個評分因子對重慶市淺層地溫能綜合分區(qū)區(qū)域按照3類進行劃分，采取綜合指數(shù)法，計算得到各組團的綜合評價分數(shù)，將評價分數(shù)≥5.5分的區(qū)域劃分為大力發(fā)展區(qū)，為淺層地溫能資源豐富、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r好，資源利用潛力大的地區(qū)；得分在4.5～5.5分的區(qū)域劃分為鼓勵發(fā)展區(qū)，為淺層地溫能資源較豐富、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r較好、資源利用潛力較大的地區(qū)；<4.5分的區(qū)域劃分為一般發(fā)展區(qū)，為淺層地溫能資源較豐富、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展相對一般的地區(qū)。

3　重慶市主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū)及建議

3.1　淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū)

通過對重慶市地質(zhì)條件、淺層地溫能資源情況調(diào)查、城市建設(shè)情況發(fā)展研究、城市未來規(guī)劃資料搜集分析，依據(jù)上述方法將重慶市主城區(qū)劃分為3個區(qū)域，采用MAPGIS軟件繪圖，將大力發(fā)展區(qū)(≥5.5分)、鼓勵發(fā)展區(qū)(4.5～5.5分)、一般發(fā)展區(qū)(<4.5分)、綠化帶以及防空等地下設(shè)施按不同顏色區(qū)域劃分出圖，見圖4。

圖4　重慶市主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃綜合分區(qū)Fig. 4　Comprehensively zoning map of development and utilization planning of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

1) 大力發(fā)展區(qū)

“大力發(fā)展區(qū)”為淺層地溫能資源豐富、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r好、資源利用潛力大的地區(qū)。包括悅來組團、唐家沱組團、南坪組團、李家沱組團、西永組團、茶園組團6個組團，面積共計530 km2，占總規(guī)劃面積的31.74%。該發(fā)展區(qū)應(yīng)加強淺層地溫能技術(shù)開發(fā)，完善鼓勵機制，大力開采淺層地溫能。

2) 鼓勵發(fā)展區(qū)

“鼓勵發(fā)展區(qū)” 為淺層地溫能資源較豐富，經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r較好、資源利用潛力較大的地區(qū)。包括龍興組團、蔡家組團、人和組團、觀音橋組團、沙坪壩組團、渝中組團、大楊石組團、大渡口組團、北碚組團9個組團，面積共計611 km2，占總規(guī)劃面積的36.59%。該發(fā)展區(qū)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展情況鼓勵淺層地溫能的開發(fā)利用。

3) 一般發(fā)展區(qū)

“一般發(fā)展區(qū)” 為淺層地溫能資源較豐富、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展相對一般的地區(qū)。包括魚嘴組團、空港組團、水土組團、禮嘉組團、木古組團、界石組團、一品組團7個組團，面積共計443 km2，占總規(guī)劃面積的26.52%。該發(fā)展區(qū)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展情況適當(dāng)發(fā)展淺層地溫能。

此外，鐵路、公路、地鐵等交通，水利，軍事重要設(shè)施及重要珍貴文物等，按照國家相關(guān)規(guī)定限制開發(fā)地下資源的保護區(qū)域以及生態(tài)綠地，應(yīng)該限制開采，這部分區(qū)域包括渝中、沙坪壩、南坪、大楊石、大渡口、茶園組團的沿江區(qū)域及生態(tài)綠地，面積共計86 km2，占總規(guī)劃面積的5.15%。該區(qū)域地下空間地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地面及地下的建設(shè)現(xiàn)狀對地下空間的可利用影響程度高，應(yīng)慎重采用淺層地溫能資源。

3.2　開發(fā)利用規(guī)劃建議

基于以上對淺層地溫能開發(fā)利用分析以及重慶市主城區(qū)資源狀況和城市發(fā)展?fàn)顩r的調(diào)查分析，給出以下建議：

1) 淺層地溫能的開發(fā)利用條件沒有嚴格的限定，能達到布設(shè)要求和經(jīng)濟許可的條件下，均可使用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用資源，特別是“大力發(fā)展區(qū)”，具有更有利的開發(fā)條件，應(yīng)該大力發(fā)展。

2) 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用在使用建筑方面的優(yōu)先選擇順序為辦公建筑—商業(yè)建筑—居住建筑；在地區(qū)建設(shè)時序方面的優(yōu)先選擇順序為新建建筑地區(qū)—在建建筑地區(qū)—現(xiàn)狀建筑地區(qū)。

3) 重慶市地下空間復(fù)雜，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用需要對地下空間結(jié)構(gòu)進行事先調(diào)查，特別是渝中、沙坪壩、南坪、大楊石、大渡口、茶園組團的沿江區(qū)域。

4　結(jié)　論

根據(jù)重慶市經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略方向、多組團發(fā)展的定位，結(jié)合淺層地溫能資源分布特點，并綜合考慮人防等地下設(shè)施分布情況，以資源為基礎(chǔ)，將主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃為四大區(qū)域。得到以下結(jié)論：

1) 重慶市主城區(qū)的淺層地溫能資源具備優(yōu)良的開發(fā)利用條件，導(dǎo)熱性能好[巖土體導(dǎo)熱系數(shù)平均值為2.62 W/(m·K)]；巖土體平均溫度較高(18.5～20.5 ℃)，淺層地溫能資源適宜區(qū)與較適宜區(qū)總共占地面積比例達96.5%，整個重慶地區(qū)范圍內(nèi)基本都可以利用地埋管一地源熱泵系統(tǒng)形式的淺層地溫能資源。

2) “大力發(fā)展區(qū)”和“鼓勵發(fā)展區(qū)”兩個部分占總規(guī)劃區(qū)的68.33%，重慶市主城區(qū)大部分地區(qū)具備開發(fā)利用淺層地溫能的自然條件和社會經(jīng)濟條件。

3) 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用在使用建筑方面的優(yōu)先選擇順序為辦公建筑—商業(yè)建筑—居住建筑；在地區(qū)建設(shè)時序方面的優(yōu)先選擇順序為新建建筑地區(qū)—在建建筑地區(qū)—現(xiàn)狀建筑地區(qū)。

4) 重慶市地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用過程中，需要對地下空間結(jié)構(gòu)進行事先調(diào)查，盡量減少淺層地溫能開采產(chǎn)生的影響，設(shè)計前做好建設(shè)條件、地質(zhì)狀況、經(jīng)濟效益、節(jié)能效果等方面的可行性研究。

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