基于层次分析法的鲁东地区浅层地热能适宜性评价

  在能源短缺和环境污染的双层压力下，浅层地热能这一清洁可再生的新能源无疑是其中最具有生命力和竞争力的新能源之一，日益受到国家和地方政府的重视。在开发利用浅层地热能之前，需通过适当的方法进行浅层地热能适宜性分区，以便进行浅层地热能资源评价。

 

  层次分析法是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，使复杂问题中的各种因素通过划分层次变得有序、条理化，然后利用数学方法计算反映各因素权重。

 

  该方法已在社会经济各个领域内得到广泛的重视和应用，而在地热能开发利用这个新领域中应用较少。运用层次分析法分别建立地下水热泵和地埋管热泵适宜分区评价体系，进而对鲁东地区浅层地热能适宜性分区进行综合评价，这对提高鲁东浅层地热能开发利用水平，加快浅层地热能在鲁东的发展，改善鲁东能源结构，推动节能减排工作有重要意义。

 

  １ 层次分析法概述

 

  层次分析法（Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｔｉｃ ＨｉｅｒａｒｃｈｙＰｒｏｃｅｓｓ）简称ＡＨＰ，在２０世纪７０年代中期由美国运筹学家托马斯·塞蒂（Ｔ．Ｌ．Ｓａａｔｙ）正式提出，是一种定性和定量相结合、系统化、层次化的分析方法。由于它在处理复杂的决策问题上的实用性和有效性，应用已遍及经济计划和管理、能源政策和分配、军事指挥、运输、农业、教育、人才、医疗和环境等领域。

 

  层次分析法具５个基本步骤：①在确定决策目标后，对影响目标决策的因素进行分类，建立—个多层次结构；②比较同一层次中各因素关于上一层次的同一个因素的相对重要性，构造成对比较矩阵；③通过计算，检验成对比较矩阵的一致性，必要时对成对比较矩阵进行修改，以达到可以接受的一致性；④在符合一致性检验的前提下，计算与成对比较矩阵最大特征值相对应的特征向量，确定每个因素对上一层次该因素的权重；⑤计算各因素对于系统目标的总排序权重并决策。

 

  （１）建立系统递阶层次结构

 

  把问题进行分解组合，建立递阶层析结构，清楚表明各层次之间的关系。

 

  （２）建立两两比较矩阵

 

  用某种标度法对同一层元素进行两两比较后建立一个比较矩阵。

 

  （３）构造判断矩阵

 

  常采用极比法构造判断矩［３，４］，由变换公式（１）可以得到一致性判断矩阵。

 

  Ｃ ＝ （Ｃｉｊ）ｎ×ｎ

 

  ｆ（ｒｉ，ｒｊ）＝Ｃｉｊ ＝ （ｒｉｒｊ）ｌｏｇｒＣｂ （１）式中：ｒ＝ｒｍａｘ／ｒｍｉｎ为极比。

 

  （４）进行一致性检验

 

  按一致性检验指标ＰＣ．Ｌ进行，ＰＣ．Ｌ越小，则判断矩阵的一致性就越好。

 

  ＰＣ．Ｌ ＝ （λｍａｘ－ｎ）／（ｎ－１） （２）式中：λｍａｘ为最大特征值；ｎ为评价指标个数。

 

  按照极比法构造的判断矩阵，其一致性检验指标ＰＣ．Ｌ为０，故无需做一致性检验。

 

  权重越大，表明参数对适宜性分区的影响越大，且对分区结果的贡献就越大。

 

  ２ 鲁东地区浅层地热能适宜性分区

 

  ２．１ 鲁东地区浅层地热能开发概况

 

  鲁东地处华北平原东部，位于暖温带季风型半湿润区—大陆性气候区，受海洋调节，四季分明，河流属半岛边缘水系，源短流急，全区土地面积３５ ７３５ｋｍ２，包括日照、青岛、烟台、威海４市。

 

  鲁东地区隶属华北地层大区，鲁东地层分区，岩浆侵入活动剧烈频繁，所形成的侵入岩占鲁东地区基岩面积的半数有余。

 

  鲁东地区从２００５年陆续开始应用地源热泵技术开发利用浅层地热能，２００８年以后得到迅速发展，２００８年后利用浅层地热能的面积超过利用总面积的９５％，目前已经建成和即将建成的地源热泵系统供暖（冷）的建筑面积超过９００万ｍ２，另有约６００万ｍ２处于已规划准备建设阶段。鲁东浅层地热能利用的主要建筑型式有新建住宅小区、工厂厂房、城市基础公共设施；海水源热泵利用方式分布在沿海一线及海上建筑；地下水源热泵利用方式在鲁东地区较少；土壤源热泵利用方式主要分布于城市新规划区以及没有集中供暖的发达乡镇和旅游区。

 

  ２．２ 鲁东地区浅层地热能适宜性分区评价类型及体系（１）分区类型

 

  鲁东浅层地热能资源开发利用分区主要指地下水热泵适宜性分区和地埋管热泵经济性分区。

 

  地下水热泵适宜性分区根据水文地质条件划分为适宜区、较适宜区、一般适宜区及不适宜区；地埋管热泵经济性分区根据地质条件和投资成本划分为经济区、较经济区和一般经济区；综合分区在适宜性和经济性分区的基础上进行，在适合地下水热泵的地区优先选择地下水热泵。

 

  （２）评价体系

 

  地下水热泵适宜区分区评价体系由３层构成，从顶层至底层分别由系统目标层、属性层和要素指标层３级层次结构组成。系统目标层为浅层地热能地下水热泵适宜区划分。属性指标层由地质、水文地质条件、水动力场、水温场、水化学场、地质环境、经济成本指标组成。要素指标层由地下水系统、地层结构、含水层出水能力、含水层回灌能力、潜水流场、承压水流场、地下水热传导速率、地下水热影响范围、地下水水质、水源地的保护、地面沉降、地裂缝、投资成本和运行成本等１４个指标构成。

 

  地埋管换热系统分区指标包括场地岩土层的岩性、结构、地下水赋存状况，岩土层的导热性能、换热效率、导热系数、温度，恒温带的深度和温度，场地岩土体的密度、比热，热泵系统的投资成本、能耗及运行成本等１５个指标。

 

  ２．３ 鲁东地区浅层地热能适宜性分区评价

 

  （１）评价步骤

 

  采用层次分析法（ＡＨＰ）和ＧＩＳ图层制作、空间分析、叠加的技术来实现分区评价。

 

  首先按照ＡＨＰ的要求，在评价体系的层次隶属关系的基础上，通过调查统计和室内研究分析，对各层对应的要素指标的重要性进行判断比较，确定不同影响因素对适宜性划分的影响大小，给出相应的权值；再对要素指标层各指标进行计算并归一化处理，完成各指标的量化工作。输入ＧＩＳ制图软件中，利用ＧＩＳ图形制作功能编制各要素指标的图层，完成各文件的制作，然后将各图层根据权重叠加进行综合评价；最后，将要素层各要素的评价参数数量化、归一化后，对要素层、属性层、目标层进行计算综合评价，对程序运行计算结果按１．０～０．８、０．８～０．６、０．６～０．３、０．３～０分为４级，分别为适宜区、较适宜区、一般适宜区及不适宜区，应用ＧＩＳ出图。

 

  （２）权值的确定

 

  权值的确定首先采用统计学方法对现有的地下水热泵运行影响因素进行分析研究；再对各影响要素进行划分，划分出自然要素和非自然要素。

 

  自然要素包括描述地质和水文地质条件的要素，描述水动力场、水温场和水化学场的要素，描述地质环境的要素等；非自然要素主要是指描述经济成本的要素。通过分析自然要素对非自然要素影响程度，按照各项自然要素对非自然要素影响的大小，统计出自然要素在适宜性分区划分中所起的作用，并按所起作用的大小确定权值大小。最终确定对鲁东地区地下热泵运行影响最大的因素为含水层结构，其余依次是水动力场—水温场—水化学场—地质环境。地埋管热泵经济性分区要素主要是考虑地下埋管的投资成本。

 

  ２．４ 鲁东地区浅层地热能适宜性分区评价结果（１）地下水地源热泵系统适宜性划分

  鲁东地区地下水地源热泵系统适宜性可划分为４个区。

 

  适宜区（Ⅰ区）：区内地下水资源较贫乏，适宜区面积小，只分布在平度市南洼富水地段的崔家集镇、中庄镇南部，面积约１０５．８ｋｍ２。

 

  较适宜区（Ⅱ区）：主要集中在平度南洼适宜区的外围及沿海较大河流的下游，包括莱州土山镇、沙河镇周围，西由镇、金城镇一带，龙口市黄水河下游的中村镇附近，烟台牟平区的大窑镇以西、姜戈庄镇以南地带。面积约４０１．２６ｋｍ２。

 

  一般适宜区（Ⅲ区）：分布在平度以南的较适宜区外围、莒县以北的堆积平原和其他较大河流的下游地区，常为较适宜区向不适宜区的中间过度地带。面积约１ ０８６．６ｋｍ２。

 

  不适宜区（Ⅳ区）：鲁东地区平原面积小，大部分地区为低山丘陵，基岩裸露，因此，鲁东地区除了以上３个分区以外，大部分区域为不适宜区。

 

  （２）地埋管热泵经济性划分

 

  鲁东地区地埋管热泵经济性划分为３个区。

 

  经济区（Ⅰ区）：主要分布在平度北部、招远、栖霞、龙口蓬莱南部、烟台牟平区南部、威海市绝大部分区域以及青岛、城阳—胶南—日照沿海一带，面积约２０ ４９１ｋｍ２。

 

  较经济区（Ⅱ区）：包括烟台市区周围西起蓬莱市区向东延伸至威海市区以西的沿海地带、莱西中部、莱阳、海阳大部、即墨东部、胶州南部、五莲西北部、莒县东部，面积约１０ ７７２ｋｍ２。

 

  一般经济区（Ⅲ区）：主要包括平度南部、莱西南部、胶州北部、即墨西部区域以及莱州西部、莒县西南部，面积约４ ４７２ｋｍ２。

 

  （３）鲁东地区浅层地热能利用形式综合区划

 

  综合区划是在适宜性等级分区和经济性等级分区的基础上进行［６］，由以上分析可以看出，地埋管热泵较适宜级别及以上区域主要分布在鲁东岩浆岩分布区，这是由于现代钻井技术的提高使得花岗岩钻探成本并不高，且具有易施工、进尺快、热传导性高等优点，所以花岗岩地区适合利用地埋管地源热泵。地下水热泵较适宜以上区域主要分布在较大的冲积湖积平原，另有少量分布在冲积洪积河谷地带，这些地带含有砂卵砾石层，富水性好，回灌能力强，水文地质条件优越，比较适宜地下水热泵工程。这也说明了一般在地下水热泵适宜的地区地埋管热泵的经济性不是最好的，而在地埋管热泵经济性最好的地区地下水热泵适宜性也一般，两者有一定的互补性。

 

  ３ 结语

 

  浅层地热能开发利用适宜性分区是资源调查

 

  评价工作的主要内容，根据鲁东地区浅层地热能适宜性分区结果，地下水地源热泵适宜性分为：适宜区、较适宜区、一般适宜区、不适宜区；根据地埋管地源热泵经济性分为：经济区、较经济区、一般经济区；根据适宜性与经济性可将调查区分为地下水热泵适宜区、较适宜区，地埋管热泵适宜区、较适宜区和地源热泵不适宜区。在地质条件适宜区优先选择地下水源热泵系统，在不适宜利用地下水的区域优先选择地埋管热泵系统，鼓励新建或改建的公共建筑、居民楼、农村集中建设的住宅采用浅层地热能，政府投资的公益性项目优先利用浅层地热能。

 

  浅层地热能开发利用适宜性分区的主要依据

 

  是资源赋存的地质条件，同时要注重考虑开发利用的技术经济及环境保护条件。在鲁东地区浅层地热能适宜性分区评价过程中，利用层次分析法确定各个评价指标的权重，通过分析评价目标与评价指标之间的复杂关系构建层次结构，从而将问题简单化，使得评价指标本身的相对重要性定量化，经过数学计算得到可靠的权重值，评价结果更为科学准确，能客观反映评价区开发利用适宜性特征，为鲁东浅层地热能的合理开发利用提供科学依据和支持。