天津市區(qū)及新四區(qū)地下水地源熱泵適宜性分區(qū)研究

劉景蘭，杜紅梅，范麗平

(1.天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所，天津300170;2.冀東油田勘查設(shè)計(jì)研究院，河北 唐山063004)

淺層地?zé)崮軓V泛存在于地下淺層(數(shù)百米以內(nèi))恒溫帶中的土壤和地下水里，是低品位(＜25℃ )的可再生能源，基本不受地域和氣候的影響;其溫度相對(duì)恒定，儲(chǔ)量巨大，是不應(yīng)被忽視的新能源[1]。地下水地源熱泵是目前天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的主要方式之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2010年5月天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目有42個(gè)，主要集中在市內(nèi)六區(qū)(26個(gè))和新四區(qū)(6個(gè))。隨著城市建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，因此開展地下水地源熱泵適宜性分區(qū)研究，對(duì)淺層地?zé)崮芸沙掷m(xù)利用，合理開發(fā)利用地下水資源，提高熱泵系統(tǒng)效率等有重要的意義。

研究區(qū)位于天津市范圍內(nèi)，包括市內(nèi)六區(qū)(河?xùn)|區(qū)、河西區(qū)、河北區(qū)、和平區(qū)、南開區(qū)、紅橋區(qū))和新四區(qū)(東麗區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū))，共10個(gè)區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°51'～ 117°33'，北緯 38°10'～ 39°51'，總面積約 2120.34 km2。境內(nèi)地勢(shì)低平，河道縱橫。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春旱多風(fēng)沙，夏熱多雨水，秋爽溫差大，冬冷少雨雪。

1 水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件

1.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)400m以淺第四系孔隙水分為四個(gè)含水組，第Ⅰ含水組屬于淺層地下水系統(tǒng)，第Ⅱ～Ⅳ含水組屬深層地下水系統(tǒng)。

淺層地下水類型有三種:沖湖積平原有咸水區(qū)咸水上覆的淺層淡水、沖海積平原淺層微咸水和咸水、濱海平原沖海積層咸水。淺層地下水富水性不好，單井涌水量多小于500m3/d，水化學(xué)類型主要為 Cl·SO4－ Na、Cl·HCO3－ Na。

深層地下水具有承壓性質(zhì)，富水性較好，多為較富水(單井涌水量1000～3 000m3/d)和中等富水(單井涌水量500～1000m3/d)。深層水由北部向南部，含水層顆粒變細(xì)，徑流條件變差，地下水由強(qiáng)徑流帶過渡到徑流滯緩帶和排泄帶，呈現(xiàn)出由北向南的水平水化學(xué)分帶規(guī)律，反映出水化學(xué)類型由 HCO3－ Na→HCO3·Cl－ Na→Cl·HCO3－ Na→Cl·SO4－Na型，礦化度由北部＜0.5g/L，向南增高至近2g/L。

1.2 環(huán)境地質(zhì)

本文主要分析與地下水地源熱泵開發(fā)利用密切相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境問題——地面沉降。天津市地面沉降伴隨著地下水開采而產(chǎn)生，據(jù)1967～2009年地面沉降累計(jì)量數(shù)據(jù)，除津南區(qū)和天津市區(qū)沉降量大于2000 mm以外，研究區(qū)大部分累計(jì)沉降量1000～2000 mm。2009年度地面沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，津南區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)、東麗區(qū)、中心城區(qū)年平均沉降量在20～50 mm，其中前兩個(gè)區(qū)沉降量比近三年平均水平減少2～6 mm，后三個(gè)區(qū)沉降量與近三年平均水平持平。因此，本文將地面沉降作為影響地下水地源熱泵開發(fā)利用的主要環(huán)境地質(zhì)問題，并參照專家的意見，將累計(jì)沉降量大于2000 mm的區(qū)域劃分為地下水地源熱泵不適宜區(qū)，不再進(jìn)行以下評(píng)價(jià)。

2 評(píng)價(jià)方法概述

2.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱 AHP)是對(duì)一些較為復(fù)雜較為模糊的問題做出決策一種有效的分析方法，它特別適用于難于完全定量分析的問題[2－3]。層次分析法把評(píng)價(jià)系統(tǒng)中相互關(guān)聯(lián)的各個(gè)要素按隸屬關(guān)系分解成為若干層次，并按照上一層的準(zhǔn)則對(duì)其下屬層次的各個(gè)要素進(jìn)行分別比較，確定各要素的相對(duì)重要性，給出定量指標(biāo)，然后求解各層次各要素相對(duì)重要性權(quán)值，最后作出綜合分析和評(píng)判。

2.2 非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法

非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法是典型的模糊數(shù)學(xué)方法，屬于客觀賦權(quán)法，是根據(jù)所選擇指標(biāo)的實(shí)際信息形成決策矩陣，在此矩陣基礎(chǔ)上通過客觀運(yùn)算形成權(quán)重，該方法盡量避免了主觀賦權(quán)法的人為因素。

3 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建及其評(píng)價(jià)步驟

3.1 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

評(píng)價(jià)體系由三層構(gòu)成，系統(tǒng)目標(biāo)層(O，Object)為地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜分區(qū)。屬性層(A，Attribute)是屬性指標(biāo)層，由賦存條件、動(dòng)態(tài)特征、水化學(xué)特征三部分構(gòu)成。要素指標(biāo)層(F，F(xiàn)actor)由地下水富水性、回灌能力、導(dǎo)水系數(shù)、地下水位、地下水位年降幅、地面沉降年沉降量、地面沉降累計(jì)沉降量、地下水水質(zhì)類型、地下水氯離子含量等9個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)圖

3.2 評(píng)價(jià)步驟

3.2.1 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

本文分別采用層次分析賦權(quán)法和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法兩種方法進(jìn)行因子權(quán)重計(jì)算，然后采用線性加權(quán)法求得綜合權(quán)重作為最后結(jié)果。

1)層次分析法

按照層次分析法的要求，通過統(tǒng)計(jì)和研究分析，采用1－9標(biāo)度法，分別比較屬性層和要素層中各因素的重要性，構(gòu)造成對(duì)比較矩陣，對(duì)成對(duì)比較矩陣進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗(yàn)(計(jì)算一致性比例CR)，不一致時(shí)將成對(duì)比較矩陣進(jìn)行必要的修改，直至達(dá)到可以接受的一致性;如表1中，目標(biāo)－屬性層判斷矩陣單層次排序一致性比例計(jì)算結(jié)果為CR=0.0089＜0.10，一致性可以接受。層次單排序符合一致性檢驗(yàn)后，進(jìn)行層次總排序及一致性檢驗(yàn)，確定每個(gè)因素的權(quán)重。從表2中可以看出，層次總排序一致性比例 CR=0.0089＜0.10，說明層次總排序結(jié)果具有較滿意的一致性，該分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。從權(quán)重計(jì)算結(jié)果可以看出，回灌能力和地下水富水性是地下水地源熱泵適宜性分區(qū)影響最大的指標(biāo)因子。

表1 屬性層判斷矩陣及其權(quán)重計(jì)算表

表2 總排序一致性檢驗(yàn)及其要素層權(quán)重計(jì)算成果表

2)非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法

非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法計(jì)算權(quán)重分三個(gè)步驟:

(1)根據(jù)因素集進(jìn)行重要性定性排序，本文重要性排序依次為回灌能力、地下水富水性、導(dǎo)水系數(shù)、地下水位、地下水水質(zhì)類型、地下水位年降幅、地下水氯離子含量、地面沉降累計(jì)沉降量、地面沉降年沉降量，構(gòu)成其重要性的二元對(duì)比一致性標(biāo)度矩陣。

(2)根據(jù)重要性排序一致性標(biāo)度矩陣，按最重要、次重要、…、最不重要的順序，結(jié)合語氣算子與定量標(biāo)度的關(guān)系(表3)，構(gòu)建因素集對(duì)重要性的有序二元比較矩陣:

表3 語氣算子與定量標(biāo)度的關(guān)系

(3)將二元比較矩陣(式1)按公式2運(yùn)算，可得9個(gè)因子權(quán)重。

各因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果:W=(w1，w2，…，wm)T=(0.3471，0.2759，0.0956，0.0956，0.0686，0.0447，0.0321，0.0202，0.0202)。

將兩種求權(quán)法計(jì)算結(jié)果對(duì)比(表4)可知，層次分析法和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法這兩種數(shù)學(xué)模型所求結(jié)果近似，具有一定的可靠性。

表4 兩種求權(quán)法計(jì)算結(jié)果

3)綜合評(píng)價(jià)權(quán)重

綜合賦權(quán)法是通過把主觀與客觀賦權(quán)法有機(jī)集成起來，從而在一定程度上克服了主、客觀賦權(quán)法的不足之處[4]。而綜合賦權(quán)法又可歸納為兩大類，本文采用線性加權(quán)組合法來確定評(píng)價(jià)因子的綜合權(quán)重。線性加權(quán)法的計(jì)算公式為:

本文認(rèn)為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法的重要性一致，即a=0.5，將兩種方法所得的各項(xiàng)因子權(quán)重(表4)代入式3，得到基于綜合賦權(quán)法的綜合權(quán)重(表5)。由評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，影響地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)的因素主要有三個(gè):回灌能力、地下水富水性、導(dǎo)水系數(shù)。

表5 綜合權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3.2.2 空間分析和網(wǎng)格點(diǎn)適宜性指數(shù)計(jì)算

首先在GIS軟件中，分別制作9個(gè)因子圖件，將每幅圖件按表6對(duì)其進(jìn)行屬性賦值[5];之后對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并將網(wǎng)格剖分圖和已經(jīng)賦值完畢的圖件進(jìn)行疊加，通過空間分析功能將圖件中的賦值對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)上;最后采用綜合指數(shù)法(式4)，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘求和，得出每個(gè)點(diǎn)上的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，并以屬性的形式賦予網(wǎng)格點(diǎn)，通過GIS提取該屬性制作等值線圖，做出適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)圖。

綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法計(jì)算公式:

式中:Rk為綜合評(píng)價(jià)指數(shù);i為指標(biāo)要素的權(quán)值;Xi為指標(biāo)要素屬性賦值;n為指標(biāo)要素個(gè)數(shù)。

4 適宜性分區(qū)

4.1 適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的制定

根據(jù)專家意見并考慮實(shí)際情況，將分值＜5的區(qū)域設(shè)定為地下水地源熱泵系統(tǒng)不適宜區(qū)，分值5～7的區(qū)域設(shè)定為地下水地源熱泵系統(tǒng)較適宜區(qū)，分值＞7的區(qū)域設(shè)定為地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)。

4.2 適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)結(jié)果表明(圖2和表7):研究區(qū)內(nèi)各含水層組均不存在地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)，較適宜區(qū)和不適宜區(qū)的分布在不同含水層組存在著較大的差異。

從圖2可以看出:較適宜區(qū)在第Ⅲ含水層組分布范圍較廣，占全區(qū)總面積的61.2%;而在第Ⅱ含水層組和第Ⅳ含水層組分布范圍小，第Ⅱ含水層組較適宜區(qū)僅占全區(qū)面積的9.6%，第Ⅳ含水層組適宜區(qū)也只有26.2%。這一評(píng)價(jià)結(jié)果與淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)條件相對(duì)應(yīng)，研究區(qū)第Ⅱ、Ⅳ含水層組大多區(qū)域不利于地下水回灌，單井出水量均小于1 000m3/d，地下水中氯離子的含量基本上都大于100 mg/L，從水量和水質(zhì)上均不能滿足熱泵系統(tǒng)的要求;而第Ⅲ含水層組大部分地區(qū)以粉細(xì)砂為主，水文地質(zhì)條件較好，回灌能力較強(qiáng)，導(dǎo)水系數(shù)在100m2/d以上，單井出水量在地水回灌～2 000m3/d左右，基本上可以滿足地下水地源熱泵系統(tǒng)對(duì)水量的要求，較適宜利用地下水地源熱泵系統(tǒng)。

表6 評(píng)價(jià)因子分區(qū)賦值表

表7 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)成果表

5 結(jié)語

(1)本文針對(duì)研究區(qū)缺乏地下水地源熱泵開發(fā)利用指導(dǎo)規(guī)劃的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件，構(gòu)建了地下水地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)體系，并對(duì)深層地下水的各含水層組的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符，可作為當(dāng)?shù)卣_發(fā)淺層地?zé)崮艿募夹g(shù)依據(jù)。

(2)淺層地?zé)崮苜Y源雖有明顯的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，但其開發(fā)利用同樣受到當(dāng)?shù)丨h(huán)境水文地質(zhì)條件的限制，且研究區(qū)地下水地源熱泵不適宜區(qū)分布范圍較大。因此，應(yīng)科學(xué)合理地開發(fā)利用地下水地源熱泵系統(tǒng)。

[1]韓再生，冉偉彥，佟紅兵，等.淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)[J].中國(guó)地質(zhì).2007，20(6):1115－1121.

[2]許苗娟，姜媛，謝振華等.基于層次分析法的北京市平原區(qū)水源熱泵適宜性分區(qū)研究[J].分析研究.2009(4):18－21.

[3]王國(guó)良.層次分析法在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中的應(yīng)用[J].西部探礦工程.2006(9).

[4]葉飛，張紅.基于綜合賦權(quán)基礎(chǔ)上的灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)法及其在工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版).1999(4):28－31.

[5]張寶華.劉景蘭.石文學(xué)等.天津市新四區(qū)、寶坻新城、團(tuán)泊新城淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告[R].天津:天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所.2011.