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。在開發(fā)利用淺層地熱能之前，需通過適當?shù)姆椒ㄟM行淺層地熱能適宜性分區(qū)，以便進行淺層地熱能資源評價。

 

  層次分析法是對定性問題進行定量分析的一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法，使復雜問題中的各種因素通過劃分層次變得有序、條理化，然后利用數(shù)學方法計算反映各因素權(quán)重。

 

  該方法已在社會經(jīng)濟各個領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的重視和應用，而在地熱能開發(fā)利用這個新領(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(qū)評價體系，進而對魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)進行綜合評價，這對提高魯東淺層地熱能開發(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(jié)構(gòu)，推動節(jié)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）簡稱ＡＨＰ，在２０世紀７０年代中期由美國運籌學家托馬斯·塞蒂（Ｔ．Ｌ．Ｓａａｔｙ）正式提出，是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。由于它在處理復雜的決策問題上的實用性和有效性，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(nóng)業(yè)、教育、人才、醫(yī)療和環(huán)境等領(lǐng)域。

 

  層次分析法具５個基本步驟：①在確定決策目標后，對影響目標決策的因素進行分類，建立—個多層次結(jié)構(gòu)；②比較同一層次中各因素關(guān)于上一層次的同一個因素的相對重要性，構(gòu)造成對比較矩陣；③通過計算，檢驗成對比較矩陣的一致性，必要時對成對比較矩陣進行修改，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，確定每個因素對上一層次該因素的權(quán)重；⑤計算各因素對于系統(tǒng)目標的總排序權(quán)重并決策。

 

  （１）建立系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)

 

  把問題進行分解組合，建立遞階層析結(jié)構(gòu)，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行兩兩比較后建立一個比較矩陣。

 

  （３）構(gòu)造判斷矩陣

 

  常采用極比法構(gòu)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）進行一致性檢驗

 

  按一致性檢驗指標ＰＣ．Ｌ進行，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為評價指標個數(shù)。

 

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

 

  權(quán)重越大，表明參數(shù)對適宜性分區(qū)的影響越大，且對分區(qū)結(jié)果的貢獻就越大。

 

  ２ 魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)

 

  ２．１ 魯東地區(qū)淺層地熱能開發(fā)概況

 

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

 

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

 

  魯東地區(qū)從２００５年陸續(xù)開始應用地源熱泵技術(shù)開發(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(tǒng)供暖（冷）的建筑面積超過９００萬ｍ２，另有約６００萬ｍ２處于已規(guī)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(qū)、工廠廠房、城市基礎公共設施；海水源熱泵利用方式分布在沿海一線及海上建筑；地下水源熱泵利用方式在魯東地區(qū)較少；土壤源熱泵利用方式主要分布于城市新規(guī)劃區(qū)以及沒有集中供暖的發(fā)達鄉(xiāng)鎮(zhèn)和旅游區(qū)。

 

  ２．２ 魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)評價類型及體系（１）分區(qū)類型

 

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

 

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

 

  （２）評價體系

 

  地下水熱泵適宜區(qū)分區(qū)評價體系由３層構(gòu)成，從頂層至底層分別由系統(tǒng)目標層、屬性層和要素指標層３級層次結(jié)構(gòu)組成。系統(tǒng)目標層為淺層地熱能地下水熱泵適宜區(qū)劃分。屬性指標層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、水動力場、水溫場、水化學場、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(tǒng)、地層結(jié)構(gòu)、含水層出水能力、含水層回灌能力、潛水流場、承壓水流場、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個指標構(gòu)成。

 

  地埋管換熱系統(tǒng)分區(qū)指標包括場地巖土層的巖性、結(jié)構(gòu)、地下水賦存狀況，巖土層的導熱性能、換熱效率、導熱系數(shù)、溫度，恒溫帶的深度和溫度，場地巖土體的密度、比熱，熱泵系統(tǒng)的投資成本、能耗及運行成本等１５個指標。

 

  ２．３ 魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)評價

 

  （１）評價步驟

 

  采用層次分析法（ＡＨＰ）和ＧＩＳ圖層制作、空間分析、疊加的技術(shù)來實現(xiàn)分區(qū)評價。

 

  首先按照ＡＨＰ的要求，在評價體系的層次隸屬關(guān)系的基礎上，通過調(diào)查統(tǒng)計和室內(nèi)研究分析，對各層對應的要素指標的重要性進行判斷比較，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(quán)值；再對要素指標層各指標進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(jù)權(quán)重疊加進行綜合評價；最后，將要素層各要素的評價參數(shù)數(shù)量化、歸一化后，對要素層、屬性層、目標層進行計算綜合評價，對程序運行計算結(jié)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(qū)、較適宜區(qū)、一般適宜區(qū)及不適宜區(qū)，應用ＧＩＳ出圖。

 

  （２）權(quán)值的確定

 

  權(quán)值的確定首先采用統(tǒng)計學方法對現(xiàn)有的地下水熱泵運行影響因素進行分析研究；再對各影響要素進行劃分，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，描述水動力場、水溫場和水化學場的要素，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(tǒng)計出自然要素在適宜性分區(qū)劃分中所起的作用，并按所起作用的大小確定權(quán)值大小。最終確定對魯東地區(qū)地下熱泵運行影響最大的因素為含水層結(jié)構(gòu)，其余依次是水動力場—水溫場—水化學場—地質(zhì)環(huán)境。地埋管熱泵經(jīng)濟性分區(qū)要素主要是考慮地下埋管的投資成本。

 

  ２．４ 魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)評價結(jié)果（１）地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性劃分

  魯東地區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性可劃分為４個區(qū)。

 

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

 

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

 

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

 

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

 

  （２）地埋管熱泵經(jīng)濟性劃分

 

  魯東地區(qū)地埋管熱泵經(jīng)濟性劃分為３個區(qū)。

 

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

 

  較經(jīng)濟區(qū)（Ⅱ區(qū)）：包括煙臺市區(qū)周圍西起蓬萊市區(qū)向東延伸至威海市區(qū)以西的沿海地帶、萊西中部、萊陽、海陽大部、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(qū)（Ⅲ區(qū)）：主要包括平度南部、萊西南部、膠州北部、即墨西部區(qū)域以及萊州西部、莒縣西南部，面積約４ ４７２ｋｍ２。

 

  （３）魯東地區(qū)淺層地熱能利用形式綜合區(qū)劃

 

  綜合區(qū)劃是在適宜性等級分區(qū)和經(jīng)濟性等級分區(qū)的基礎上進行［６］，由以上分析可以看出，地埋管熱泵較適宜級別及以上區(qū)域主要分布在魯東巖漿巖分布區(qū)，這是由于現(xiàn)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、進尺快、熱傳導性高等優(yōu)點，所以花崗巖地區(qū)適合利用地埋管地源熱泵。地下水熱泵較適宜以上區(qū)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。這也說明了一般在地下水熱泵適宜的地區(qū)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(qū)地下水熱泵適宜性也一般，兩者有一定的互補性。

 

  ３ 結(jié)語

 

  淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)是資源調(diào)查

 

  評價工作的主要內(nèi)容，根據(jù)魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)結(jié)果，地下水地源熱泵適宜性分為：適宜區(qū)、較適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、不適宜區(qū)；根據(jù)地埋管地源熱泵經(jīng)濟性分為：經(jīng)濟區(qū)、較經(jīng)濟區(qū)、一般經(jīng)濟區(qū)；根據(jù)適宜性與經(jīng)濟性可將調(diào)查區(qū)分為地下水熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)，地埋管熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)和地源熱泵不適宜區(qū)。在地質(zhì)條件適宜區(qū)優(yōu)先選擇地下水源熱泵系統(tǒng)，在不適宜利用地下水的區(qū)域優(yōu)先選擇地埋管熱泵系統(tǒng)，鼓勵新建或改建的公共建筑、居民樓、農(nóng)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優(yōu)先利用淺層地熱能。

 

  淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)的主要依據(jù)

 

  是資源賦存的地質(zhì)條件，同時要注重考慮開發(fā)利用的技術(shù)經(jīng)濟及環(huán)境保護條件。在魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)評價過程中，利用層次分析法確定各個評價指標的權(quán)重，通過分析評價目標與評價指標之間的復雜關(guān)系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，從而將問題簡單化，使得評價指標本身的相對重要性定量化，經(jīng)過數(shù)學計算得到可靠的權(quán)重值，評價結(jié)果更為科學準確，能客觀反映評價區(qū)開發(fā)利用適宜性特征，為魯東淺層地熱能的合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)和支持。