薛光，姜曙光，王蕾，張慶，蘇小磊

石河子市地下水源熱泵的適宜性評(píng)價(jià)研究

薛光1，姜曙光2，王蕾2，張慶1，蘇小磊2

（1石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，石河子832003；2石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003）

采用層次分析法建立了石河子市地下水源熱泵發(fā)展適宜性分區(qū)的數(shù)學(xué)模型，獲得了適宜性分區(qū)圖，分區(qū)結(jié)果為禁止區(qū)1塊，適宜區(qū)2塊、可使用區(qū)1塊。對(duì)各區(qū)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)、管理部門提供了市區(qū)地下水源熱泵的實(shí)施范圍參考。

地下水源熱泵；層次分析；適宜性評(píng)價(jià)

地下水源熱泵是一種利用地下淺層水既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，系統(tǒng)能效比COP可達(dá)到4.0～5.5。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的高效率和良好的經(jīng)濟(jì)性，國(guó)內(nèi)目前地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用面積約占地源熱泵一半的市場(chǎng)份額［1］。

地下水地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與工程場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。水資源是新疆各地發(fā)展的最重要因素之一，為合理、有效、健康地在新疆推廣地源熱泵技術(shù)，研究地下水源熱泵的適應(yīng)性分區(qū)，對(duì)避免項(xiàng)目應(yīng)用的盲目性具有非常重要的意義。

本文對(duì)新疆石河子市地下水源熱泵進(jìn)行適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)，可為設(shè)計(jì)、管理部門提供原則性的分區(qū)參考。

1 研究對(duì)象概況

1.1 地理氣象條件

石河子地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地及古爾班通古特大沙漠南緣，即東徑84′58″～86′24″，北緯43′26～45′20″；南倚天山，東以瑪納斯河為界與瑪納斯縣為鄰，南、西、北三面與沙灣縣環(huán)接。該區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，年平均氣溫7.5℃～8.2℃，平均海拔高度450.8 m。

1.2 水文地質(zhì)、工程地質(zhì)情況

石河子水資源較為豐富，地表有河水、泉水，境內(nèi)有瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝河、巴音溝河5條河流，河水年徑流量19億 m3，地下水可采量4億m3［2］。根據(jù)石河子地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)資料，其水溫平均在11℃左右，滿足地源熱泵系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)水溫的要求。

從區(qū)域構(gòu)造單元看，石河子屬北天山褶皺帶山前準(zhǔn)噶爾盆地中南部坳陷區(qū)，區(qū)內(nèi)沉積了巨厚的第四系堆積物，厚度可達(dá)300 m以上，為地下水的賦存提供了良好的場(chǎng)所。地層具典型的二元結(jié)構(gòu)，上部淺表層為上更新統(tǒng)粉土、粉質(zhì)黏土層，厚度一般在1～5 m；5～50 m為卵礫石含粗砂層；50～150 m礫石結(jié)構(gòu)松散，滲透系數(shù)較大，便于水的回灌。下部為上更新統(tǒng)—中更新統(tǒng)沖洪積卵礫石、砂礫石層，厚度＞300 m［3］。石河子地下水類型為第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水與承壓水。地下水類型以312國(guó)道和西岸大渠為分隔，312國(guó)道至西岸大渠之間為多層結(jié)構(gòu)潛水－承壓水，西岸大渠以北為多層結(jié)構(gòu)承壓水，其中上覆淺層承壓水具有潛水的水力特征，并具有弱承壓性，多層結(jié)構(gòu)潛水－承壓水和多層結(jié)構(gòu)承壓水空間分布連續(xù)，水力特征一致。潛水層和淺層承壓水水量豐富、埋深淺、含水層厚度大，適合作為地下水源熱泵的取水層［4］。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 層次分析法

層次分析法是對(duì)一些較為復(fù)雜、較為模糊的問題作出決策的簡(jiǎn)易方法，適用于解決那些難于完全定量分析的問題，是一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的，定性和定量相結(jié)合，系統(tǒng)化、層次化的多準(zhǔn)則決策方法［5－6］。通過實(shí)地調(diào)查、統(tǒng)計(jì)分析和綜合分析，我們認(rèn)為影響石河子地下水源熱泵建設(shè)和效益的主要因素有四大類：水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 研究區(qū)分區(qū)

將研究區(qū)劃分為不同區(qū)域，然后計(jì)算各區(qū)的適宜性指數(shù)，從而進(jìn)行評(píng)價(jià)。參考《新疆天富公司熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目水文地質(zhì)詳查報(bào)告》，由南部山區(qū)至北部平原區(qū)可大致劃分為4個(gè)水文地質(zhì)單元。地下水源熱泵的適應(yīng)性分區(qū)需要考慮第四系厚度、地下有效含水層累計(jì)厚度、淺層地溫、地下水污染、是否位于大型水源地、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等因素。這是一個(gè)多指標(biāo)決策問題，為此可采用層次分析法和綜合指數(shù)法對(duì)地下水源熱泵的適應(yīng)性進(jìn)行分區(qū)。

2.3 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

本體系指標(biāo)之外的地面沉降、地裂縫以及水源地保護(hù)區(qū)這三個(gè)因素起決定性作用，這三個(gè)因素是本評(píng)價(jià)體系的先決條件，某個(gè)地區(qū)只要出現(xiàn)這三個(gè)因素中一項(xiàng)，不論本體系中13個(gè)指標(biāo)好壞與否，都不適宜應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)。

評(píng)價(jià)體系由三層構(gòu)成，從頂層至底層分別為系統(tǒng)目標(biāo)層、屬性層和要素指標(biāo)層，如圖1所示。

圖1 石河子地下水源熱泵適宜性評(píng)價(jià)體系Fig.1 Adaptability evaluating system of GWHP in Shihezi

2.3.1 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣

采用一種簡(jiǎn)化的三標(biāo)度方法，更容易和直觀地給出判斷矩陣。比較矩陣d＝（dij）m×m，其元素意義如下：

式（1）中：dij為各元素之間重要性程度三標(biāo)度比較矩陣；i為行矩陣階數(shù)；j為列矩陣階數(shù)。

然后計(jì)算：

式（2）中：ri為三標(biāo)度比較矩陣的行要素之和。

再定義檢查判斷矩陣bij：

式（3）中：bij為判斷矩陣；ri為三標(biāo)度比較矩陣的行要素之和；rj為三標(biāo)度比較矩陣的列要素之和；bm為rmax和rmin所對(duì)應(yīng)的基點(diǎn)比較標(biāo)度；rmax為三標(biāo)度比較矩陣的行要素之和最大值；rmin為三標(biāo)度比較矩陣的行要素之和最小值。

2.3.2 計(jì)算各要素的權(quán)重

矩陣元素bij構(gòu)造出的判斷矩陣Bi的最大特征值λmax及其所對(duì)應(yīng)的特征向量，經(jīng)歸一化后即為同一層相應(yīng)因素對(duì)于上一層次某因素相對(duì)重要性的排序權(quán)重，記作W，其分量Wi表示各要素的相對(duì)重要度，即權(quán)重［7］，見表1。

表1 各指標(biāo)層正交矩陣權(quán)重Tab.1 The weight of orthogonal matrix for every index level

2.3.3 一致性檢驗(yàn)

若判斷矩陣具有完全一致性時(shí)，λmax＝n（n為判斷矩陣的階數(shù)），且其余特征根均為零。而在實(shí)際過程中，只需判斷矩陣具有滿意的一致性時(shí)，就能保證層次分析法的基本合理性。經(jīng)常用CI檢查決策者判斷思維的一致性，CI的計(jì)算式見式（4）：

式（4）中：λmax為矩陣元素bij構(gòu)造出的判斷矩陣Bi的最大特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)。

依據(jù)隨機(jī)一致性比率CR＝CI／RI＜0.10來檢驗(yàn)判斷矩陣的滿意一致性。當(dāng)CR＞0.10時(shí)，則需要重新調(diào)整判斷矩陣的元素取值。RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，對(duì)于本文采用的三階和四階判斷矩陣，RI值分別取0.58和0.90。求得4個(gè)正交矩陣的隨機(jī)一致性比率分別為0.0468、0.0468、0.0424和0，均小于0.10，滿足一致性檢驗(yàn)要求。

2.3.4 適應(yīng)性指數(shù)計(jì)算

對(duì)可定量的指標(biāo)圖件根據(jù)取值范圍進(jìn)行賦值，如等水位線圖、地下水化學(xué)圖等；對(duì)不能定量獲得的指標(biāo)圖件如區(qū)域水文地質(zhì)圖，根據(jù)含水層巖性對(duì)地下水源熱泵的適宜程度賦值，如單一砂卵礫石區(qū)適合地下水源熱泵，則賦以高值9，從而將定性的圖形量化。以上圖件在賦值時(shí)，根據(jù)圖件屬性，越有利于應(yīng)用地下水源熱泵條件的屬性層給分越高。同時(shí)，對(duì)已經(jīng)發(fā)生比較嚴(yán)重的地面沉降地區(qū)，賦值很小，而對(duì)水源地保護(hù)區(qū)和地裂縫發(fā)育區(qū)，賦值為0，禁止采用地下水源熱泵。

得到各區(qū)屬性指標(biāo)值后，結(jié)合各指標(biāo)的權(quán)重值，即可采用綜合指數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，從而得到每個(gè)區(qū)的最終地下水源熱泵的適應(yīng)性指數(shù)值。計(jì)算公式如下：

式（5）中：Ri，j為第k個(gè)要素在目標(biāo)層中所占的權(quán)重；βk為第k個(gè)要素在第i行第j列網(wǎng)格上的賦值；αki，j為第i行第j列網(wǎng)格上地下水源熱泵的適應(yīng)性指數(shù)［7－8］。

3 地下水源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)

本文根據(jù)計(jì)算得到的地下水源熱泵的適應(yīng)性指數(shù)分布情況，結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，制定了地下水源熱泵的適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)：禁止區(qū)為0，慎重使用區(qū)為1～3，可使用區(qū)為4～6，適宜區(qū)為7～10。

圖2 石河子市地下水源熱泵適宜性評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.2 Adaptability evaluating distribution of GWHP in Shihezi

經(jīng)過等值線劃分之后，生成的石河子地下水源熱泵的適宜性分區(qū)圖如圖2所示。其中，禁止區(qū)有1塊（A區(qū)），適宜區(qū)分2塊（B區(qū)和C區(qū)），可使用區(qū)1塊（D區(qū)——西岸大渠以北）。

石河子各區(qū)具體評(píng)價(jià)值見表2。

表2 石河子各區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Evaluating results for distribution of Shihezi

3.1 A區(qū)（南山洼地）——禁止區(qū)

位于瑪納期河一級(jí)電站與紅山嘴之間的剝蝕堆積丘陵區(qū)和山間谷地，河流在流經(jīng)南山洼地途中大量滲漏補(bǔ)給地下水。經(jīng)物探成果分析具備良好的儲(chǔ)水構(gòu)造。飽水帶厚度平均380 m左右，含水層巖性為中更新統(tǒng)西域組礫巖，為孔隙一裂隙型潛水，富水性強(qiáng)，單位涌水量10～23 L／s·m，滲透系數(shù)26～46 m／d。近山前帶2.5 k m范圍的沖洪積扇頂部，由于接受暴雨洪入滲補(bǔ)給，溶解了第三紀(jì)地層中的鹽份，水化學(xué)類型為SO4·Cl—Na·Mg型和SO4·C·HCO3—Na·Ca·Mg型，礦化度大于1.0 g／L，最高達(dá)3.7 g／L。由于礦化度值高，容易腐蝕地源熱泵機(jī)組；抽取地下水容易造成負(fù)面地質(zhì)影響；此區(qū)域地下水位于城市供水水源上游，所以是禁止開采。

3.2 B區(qū)（山前沖洪積礫質(zhì)傾斜平原區(qū)）——適宜區(qū)

大致位于312國(guó)道以南至山前，含水層巖性為卵礫石、砂礫石，飽水帶厚度大于650 m，受瑪納斯河等地表水體的長(zhǎng)期滲漏補(bǔ)給，儲(chǔ)存了豐富的地下水資源，為極富水區(qū)。地下水埋深由南部的180 m向北逐漸變?yōu)闈撍绯鰩?。富水性由南向北呈現(xiàn)強(qiáng)－極強(qiáng)－強(qiáng)的變化規(guī)律，單位涌水量6.9～70 L／s·m，滲透系數(shù)16～200 m／d，地下水礦化度小于1 g／L。山前傾斜平原是地下水水平徑流區(qū)，潛水含水層礦化度低，一般為0.29 g／L～0.59 g／L，水化學(xué)類型為HCO3·SO4—Ca·Na型、HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型和 HCO3·SO4—Ca·Mg·Na型，水質(zhì)良好。

3.3 C區(qū)（沖洪積平原區(qū)）——適宜區(qū)

大致位于312國(guó)道與西岸大渠之間，含水巖組上部為潛水含水層，地下水埋深小于5 m，局部地帶為泉水溢出帶，為強(qiáng)富水區(qū)。含水層巖性顆粒自南向北漸變?yōu)榧?xì)，以砂礫石、粗砂、細(xì)砂為主，厚度32～65 m，單位涌水量1～15 L／s·m。潛水含水層之下為多層結(jié)構(gòu)承壓水含水層，單位涌水量11.6～34.7 L／s·m，滲透系數(shù)10～25 m／d，地下水礦化度小于1 g／L。水化學(xué)類型為HCO3·SO4—Ca·Na·Mg型和HCO3·SO4—Ca·Mg·Na型。

3.4 D區(qū)（細(xì)土平原區(qū)）——可使用區(qū)

西岸大渠以北至莫索灣墾區(qū)，含水層顆粒更細(xì)，巖性一般為粉細(xì)砂、粉砂為主，粘性土層增多，承壓水滲透系數(shù)1～5 m／d，單位涌水量0.5～2.5 L／s·m，承壓水水質(zhì)較好，礦化度0.3～1 g／L，水平徑流變緩，為富水區(qū)。潛水含水層主要受渠系滲漏、灌溉入滲、降水入滲等補(bǔ)給，水質(zhì)較差，礦化度大于3 g／L。

4 工程應(yīng)用

4.1 石河子第一附屬醫(yī)院中醫(yī)院地下水源熱泵項(xiàng)目

該項(xiàng)目工程位于石河子市區(qū)，在文中劃分的適宜區(qū)B區(qū)內(nèi)，采用地下水源熱泵機(jī)組采暖、制冷，系統(tǒng)示意如圖3所示。工程應(yīng)用面積1萬m2，制冷負(fù)荷800 k W，制熱負(fù)荷530 k W，于2008年11月開始運(yùn)行。該工程潛水位埋深70 m左右，在降深2.5 m時(shí)機(jī)井單井涌水量均在150 m3／h以上，滲透性極好，一口抽水井只需一口回水井就能滿足要求，正?；毓嗨徊钜恢北３衷?.3 m以內(nèi)。

圖3 中醫(yī)院地下水源熱泵示意圖Fig.3 Schematic diagram of GWHP for the traditional Chinese medicine hospital

4.2 農(nóng)八師147團(tuán)地下水源熱泵項(xiàng)目

該項(xiàng)目工程位于石河子市北郊，在區(qū)劃的可使用區(qū)D區(qū)內(nèi)。2009年冬開始運(yùn)行，采用地下水源熱泵項(xiàng)目供暖，應(yīng)用面積近5萬m2，供暖平面示意圖如圖4。制熱負(fù)荷2600 k W，潛水位埋深60 m左右，單井涌水量在120 m3／h以上，降深一般保持在0.7 m以內(nèi)，滲透性較好。系統(tǒng)運(yùn)行通常是3口抽水井與4口回水井配合使用。

以上2個(gè)工程經(jīng)過2至3個(gè)采暖期的使用，地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，驗(yàn)證了本文分區(qū)的正確性。

圖4 147團(tuán)地下水源熱泵供暖平面示意圖Fig.4 Plane schematic diagram of GWHP for heating in 147crop

5 結(jié)語

為了確保工程質(zhì)量和保護(hù)地下水資源，在推廣地下水源熱泵應(yīng)用的前期，需要有相關(guān)管理部門對(duì)區(qū)內(nèi)地下水源熱泵的適應(yīng)性進(jìn)行的總體劃分和規(guī)劃，進(jìn)而指導(dǎo)適宜應(yīng)用區(qū)內(nèi)建設(shè)范圍的水文地質(zhì)詳勘，指導(dǎo)地源熱泵項(xiàng)目建設(shè)遵從工程建設(shè)的科學(xué)性，以避免大規(guī)模盲目應(yīng)用而帶來的一系列嚴(yán)重不良后果，因此，地下水源熱泵的適宜性評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

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Evaluating Ground water Heat Pu mp Adaptability in Shihezi

XUE Guang，JIANG Shuguang，WANG Lei，ZHANG Qin，SU Xiaolei
（1 Life Science，Shihezi University，Shihezi 832003；2 College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，832003，China）

By analytic hierarchy process（AHP），we established the mathematics model for division of adaptability f or GWHP in Shi Hezi，obtained a distribution map of adaptability for GWHP，with t he result that one block of f or bidden subarea，t wo blocks of suitable subarea and one block of tolerable subarea，evaluated adaptability for the distributions.This evaluating result provides references for the related designer and ad ministration in planning the range of GWHP use in this city.

ground water heat pu mp（GWHP）；analytic hierarchy process；adaptability evaluating

TU833

A

1007-7383（2011）04-0500-05

2011-05-13

石河子大學(xué)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（GXIS2010-ZDGG05-04）

薛光（1988-），男，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閰^(qū)域規(guī)劃與農(nóng)業(yè)建筑工程；e-mail：xg198802103158＠163.com。通訊作者：姜曙光（1965-），女，教授，從事小城鎮(zhèn)綠色住區(qū)建設(shè)與建筑節(jié)能研究；e-mail：jsg99999＠126.com。