基于層次分析法的魯東地區淺層地熱能適宜性評價(jià)

  在能源短缺和環(huán)境污染的雙層壓力下，淺層地熱能這一清潔可再生的新能源無(wú)疑是其中最具有生命力和競爭力的新能源之一，日益受到國家和地方政府的重視。在開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能之前，需通過(guò)適當的方法進(jìn)行淺層地熱能適宜性分區，以便進(jìn)行淺層地熱能資源評價(jià)。

 

  層次分析法是對定性問(wèn)題進(jìn)行定量分析的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準則決策方法，使復雜問(wèn)題中的各種因素通過(guò)劃分層次變得有序、條理化，然后利用數學(xué)方法計算反映各因素權重。

 

  該方法已在社會(huì )經(jīng)濟各個(gè)領(lǐng)域內得到廣泛的重視和應用，而在地熱能開(kāi)發(fā)利用這個(gè)新領(lǐng)域中應用較少。運用層次分析法分別建立地下水熱泵和地埋管熱泵適宜分區評價(jià)體系，進(jìn)而對魯東地區淺層地熱能適宜性分區進(jìn)行綜合評價(jià)，這對提高魯東淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用水平，加快淺層地熱能在魯東的發(fā)展，改善魯東能源結構，推動(dòng)節能減排工作有重要意義。

 

  １ 層次分析法概述

 

  層次分析法（Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｔｉｃ ＨｉｅｒａｒｃｈｙＰｒｏｃｅｓｓ）簡(jiǎn)稱(chēng)ＡＨＰ，在２０世紀７０年代中期由美國運籌學(xué)家托馬斯·塞蒂（Ｔ．Ｌ．Ｓａａｔｙ）正式提出，是一種定性和定量相結合、系統化、層次化的分析方法。由于它在處理復雜的決策問(wèn)題上的實(shí)用性和有效性，應用已遍及經(jīng)濟計劃和管理、能源政策和分配、軍事指揮、運輸、農業(yè)、教育、人才、醫療和環(huán)境等領(lǐng)域。

 

  層次分析法具５個(gè)基本步驟：①在確定決策目標后，對影響目標決策的因素進(jìn)行分類(lèi)，建立—個(gè)多層次結構；②比較同一層次中各因素關(guān)于上一層次的同一個(gè)因素的相對重要性，構造成對比較矩陣；③通過(guò)計算，檢驗成對比較矩陣的一致性，必要時(shí)對成對比較矩陣進(jìn)行修改，以達到可以接受的一致性；④在符合一致性檢驗的前提下，計算與成對比較矩陣最大特征值相對應的特征向量，確定每個(gè)因素對上一層次該因素的權重；⑤計算各因素對于系統目標的總排序權重并決策。

 

  （１）建立系統遞階層次結構

 

  把問(wèn)題進(jìn)行分解組合，建立遞階層析結構，清楚表明各層次之間的關(guān)系。

 

  （２）建立兩兩比較矩陣

 

  用某種標度法對同一層元素進(jìn)行兩兩比較后建立一個(gè)比較矩陣。

 

  （３）構造判斷矩陣

 

  常采用極比法構造判斷矩［３，４］，由變換公式（１）可以得到一致性判斷矩陣。

 

  Ｃ ＝ （Ｃｉｊ）ｎ×ｎ

 

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

 

  （４）進(jìn)行一致性檢驗

 

  按一致性檢驗指標ＰＣ．Ｌ進(jìn)行，ＰＣ．Ｌ越小，則判斷矩陣的一致性就越好。

 

  ＰＣ．Ｌ ＝ （λｍａｘ－ｎ）／（ｎ－１） （２）式中：λｍａｘ為最大特征值；ｎ為評價(jià)指標個(gè)數。

 

  按照極比法構造的判斷矩陣，其一致性檢驗指標ＰＣ．Ｌ為０，故無(wú)需做一致性檢驗。

 

  權重越大，表明參數對適宜性分區的影響越大，且對分區結果的貢獻就越大。

 

  ２ 魯東地區淺層地熱能適宜性分區

 

  ２．１ 魯東地區淺層地熱能開(kāi)發(fā)概況

 

  魯東地處華北平原東部，位于暖溫帶季風(fēng)型半濕潤區—大陸性氣候區，受海洋調節，四季分明，河流屬半島邊緣水系，源短流急，全區土地面積３５ ７３５ｋｍ２，包括日照、青島、煙臺、威海４市。

 

  魯東地區隸屬華北地層大區，魯東地層分區，巖漿侵入活動(dòng)劇烈頻繁，所形成的侵入巖占魯東地區基巖面積的半數有余。

 

  魯東地區從２００５年陸續開(kāi)始應用地源熱泵技術(shù)開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能，２００８年以后得到迅速發(fā)展，２００８年后利用淺層地熱能的面積超過(guò)利用總面積的９５％，目前已經(jīng)建成和即將建成的地源熱泵系統供暖（冷）的建筑面積超過(guò)９００萬(wàn)ｍ２，另有約６００萬(wàn)ｍ２處于已規劃準備建設階段。魯東淺層地熱能利用的主要建筑型式有新建住宅小區、工廠(chǎng)廠(chǎng)房、城市基礎公共設施；海水源熱泵利用方式分布在沿海一線(xiàn)及海上建筑；地下水源熱泵利用方式在魯東地區較少；土壤源熱泵利用方式主要分布于城市新規劃區以及沒(méi)有集中供暖的發(fā)達鄉鎮和旅游區。

 

  ２．２ 魯東地區淺層地熱能適宜性分區評價(jià)類(lèi)型及體系（１）分區類(lèi)型

 

  魯東淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用分區主要指地下水熱泵適宜性分區和地埋管熱泵經(jīng)濟性分區。

 

  地下水熱泵適宜性分區根據水文地質(zhì)條件劃分為適宜區、較適宜區、一般適宜區及不適宜區；地埋管熱泵經(jīng)濟性分區根據地質(zhì)條件和投資成本劃分為經(jīng)濟區、較經(jīng)濟區和一般經(jīng)濟區；綜合分區在適宜性和經(jīng)濟性分區的基礎上進(jìn)行，在適合地下水熱泵的地區優(yōu)先選擇地下水熱泵。

 

  （２）評價(jià)體系

 

  地下水熱泵適宜區分區評價(jià)體系由３層構成，從頂層至底層分別由系統目標層、屬性層和要素指標層３級層次結構組成。系統目標層為淺層地熱能地下水熱泵適宜區劃分。屬性指標層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、水動(dòng)力場(chǎng)、水溫場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)、地質(zhì)環(huán)境、經(jīng)濟成本指標組成。要素指標層由地下水系統、地層結構、含水層出水能力、含水層回灌能力、潛水流場(chǎng)、承壓水流場(chǎng)、地下水熱傳導速率、地下水熱影響范圍、地下水水質(zhì)、水源地的保護、地面沉降、地裂縫、投資成本和運行成本等１４個(gè)指標構成。

 

  地埋管換熱系統分區指標包括場(chǎng)地巖土層的巖性、結構、地下水賦存狀況，巖土層的導熱性能、換熱效率、導熱系數、溫度，恒溫帶的深度和溫度，場(chǎng)地巖土體的密度、比熱，熱泵系統的投資成本、能耗及運行成本等１５個(gè)指標。

 

  ２．３ 魯東地區淺層地熱能適宜性分區評價(jià)

 

  （１）評價(jià)步驟

 

  采用層次分析法（ＡＨＰ）和ＧＩＳ圖層制作、空間分析、疊加的技術(shù)來(lái)實(shí)現分區評價(jià)。

 

  首先按照ＡＨＰ的要求，在評價(jià)體系的層次隸屬關(guān)系的基礎上，通過(guò)調查統計和室內研究分析，對各層對應的要素指標的重要性進(jìn)行判斷比較，確定不同影響因素對適宜性劃分的影響大小，給出相應的權值；再對要素指標層各指標進(jìn)行計算并歸一化處理，完成各指標的量化工作。輸入ＧＩＳ制圖軟件中，利用ＧＩＳ圖形制作功能編制各要素指標的圖層，完成各文件的制作，然后將各圖層根據權重疊加進(jìn)行綜合評價(jià)；最后，將要素層各要素的評價(jià)參數數量化、歸一化后，對要素層、屬性層、目標層進(jìn)行計算綜合評價(jià)，對程序運行計算結果按１．０～０．８、０．８～０．６、０．６～０．３、０．３～０分為４級，分別為適宜區、較適宜區、一般適宜區及不適宜區，應用ＧＩＳ出圖。

 

  （２）權值的確定

 

  權值的確定首先采用統計學(xué)方法對現有的地下水熱泵運行影響因素進(jìn)行分析研究；再對各影響要素進(jìn)行劃分，劃分出自然要素和非自然要素。

 

  自然要素包括描述地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的要素，描述水動(dòng)力場(chǎng)、水溫場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的要素，描述地質(zhì)環(huán)境的要素等；非自然要素主要是指描述經(jīng)濟成本的要素。通過(guò)分析自然要素對非自然要素影響程度，按照各項自然要素對非自然要素影響的大小，統計出自然要素在適宜性分區劃分中所起的作用，并按所起作用的大小確定權值大小。最終確定對魯東地區地下熱泵運行影響最大的因素為含水層結構，其余依次是水動(dòng)力場(chǎng)—水溫場(chǎng)—水化學(xué)場(chǎng)—地質(zhì)環(huán)境。地埋管熱泵經(jīng)濟性分區要素主要是考慮地下埋管的投資成本。

 

  ２．４ 魯東地區淺層地熱能適宜性分區評價(jià)結果（１）地下水地源熱泵系統適宜性劃分

  魯東地區地下水地源熱泵系統適宜性可劃分為４個(gè)區。

 

  適宜區（Ⅰ區）：區內地下水資源較貧乏，適宜區面積小，只分布在平度市南洼富水地段的崔家集鎮、中莊鎮南部，面積約１０５．８ｋｍ２。

 

  較適宜區（Ⅱ區）：主要集中在平度南洼適宜區的外圍及沿海較大河流的下游，包括萊州土山鎮、沙河鎮周?chē)?，西由鎮、金城鎮一帶，龍口市黃水河下游的中村鎮附近，煙臺牟平區的大窯鎮以西、姜戈莊鎮以南地帶。面積約４０１．２６ｋｍ２。

 

  一般適宜區（Ⅲ區）：分布在平度以南的較適宜區外圍、莒縣以北的堆積平原和其他較大河流的下游地區，常為較適宜區向不適宜區的中間過(guò)度地帶。面積約１ ０８６．６ｋｍ２。

 

  不適宜區（Ⅳ區）：魯東地區平原面積小，大部分地區為低山丘陵，基巖裸露，因此，魯東地區除了以上３個(gè)分區以外，大部分區域為不適宜區。

 

  （２）地埋管熱泵經(jīng)濟性劃分

 

  魯東地區地埋管熱泵經(jīng)濟性劃分為３個(gè)區。

 

  經(jīng)濟區（Ⅰ區）：主要分布在平度北部、招遠、棲霞、龍口蓬萊南部、煙臺牟平區南部、威海市絕大部分區域以及青島、城陽(yáng)—膠南—日照沿海一帶，面積約２０ ４９１ｋｍ２。

 

  較經(jīng)濟區（Ⅱ區）：包括煙臺市區周?chē)髌鹋钊R市區向東延伸至威海市區以西的沿海地帶、萊西中部、萊陽(yáng)、海陽(yáng)大部、即墨東部、膠州南部、五蓮西北部、莒縣東部，面積約１０ ７７２ｋｍ２。

 

  一般經(jīng)濟區（Ⅲ區）：主要包括平度南部、萊西南部、膠州北部、即墨西部區域以及萊州西部、莒縣西南部，面積約４ ４７２ｋｍ２。

 

  （３）魯東地區淺層地熱能利用形式綜合區劃

 

  綜合區劃是在適宜性等級分區和經(jīng)濟性等級分區的基礎上進(jìn)行［６］，由以上分析可以看出，地埋管熱泵較適宜級別及以上區域主要分布在魯東巖漿巖分布區，這是由于現代鉆井技術(shù)的提高使得花崗巖鉆探成本并不高，且具有易施工、進(jìn)尺快、熱傳導性高等優(yōu)點(diǎn)，所以花崗巖地區適合利用地埋管地源熱泵。地下水熱泵較適宜以上區域主要分布在較大的沖積湖積平原，另有少量分布在沖積洪積河谷地帶，這些地帶含有砂卵礫石層，富水性好，回灌能力強，水文地質(zhì)條件優(yōu)越，比較適宜地下水熱泵工程。這也說(shuō)明了一般在地下水熱泵適宜的地區地埋管熱泵的經(jīng)濟性不是最好的，而在地埋管熱泵經(jīng)濟性最好的地區地下水熱泵適宜性也一般，兩者有一定的互補性。

 

  ３ 結語(yǔ)

 

  淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性分區是資源調查

 

  評價(jià)工作的主要內容，根據魯東地區淺層地熱能適宜性分區結果，地下水地源熱泵適宜性分為：適宜區、較適宜區、一般適宜區、不適宜區；根據地埋管地源熱泵經(jīng)濟性分為：經(jīng)濟區、較經(jīng)濟區、一般經(jīng)濟區；根據適宜性與經(jīng)濟性可將調查區分為地下水熱泵適宜區、較適宜區，地埋管熱泵適宜區、較適宜區和地源熱泵不適宜區。在地質(zhì)條件適宜區優(yōu)先選擇地下水源熱泵系統，在不適宜利用地下水的區域優(yōu)先選擇地埋管熱泵系統，鼓勵新建或改建的公共建筑、居民樓、農村集中建設的住宅采用淺層地熱能，政府投資的公益性項目?jì)?yōu)先利用淺層地熱能。

 

  淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性分區的主要依據

 

  是資源賦存的地質(zhì)條件，同時(shí)要注重考慮開(kāi)發(fā)利用的技術(shù)經(jīng)濟及環(huán)境保護條件。在魯東地區淺層地熱能適宜性分區評價(jià)過(guò)程中，利用層次分析法確定各個(gè)評價(jià)指標的權重，通過(guò)分析評價(jià)目標與評價(jià)指標之間的復雜關(guān)系構建層次結構，從而將問(wèn)題簡(jiǎn)單化，使得評價(jià)指標本身的相對重要性定量化，經(jīng)過(guò)數學(xué)計算得到可靠的權重值，評價(jià)結果更為科學(xué)準確，能客觀(guān)反映評價(jià)區開(kāi)發(fā)利用適宜性特征，為魯東淺層地熱能的合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據和支持。