1 北京平原区地源热泵系统适宜性分区评价
1.1 层次分析法概述 层 次 分 析 法 (Analytia1 Hierarchy Process， 简 称
AHP) 是 美 国 匹 兹 堡 大 学 教 授 A．L．Saaty 于 20 世 纪 70
年代提出的一种系统分析方法。 AHP 是一种能将 定性 分析与定量分析相结合的系统分析方法， 把要解决的 问题分层系列化， 即根据问题的性质和要达到的目标， 将问题分解为不同的组成因素， 按照因素之间的相互 影响和隶属关系将其分层聚类组合， 形成一个递阶的、 有序的层次结构模型， 然后对模型中每一层次因素的 相对重要性， 依据人们对客观现实的判断给予定量表 示， 利用数学方法确定每一层次全部因素相对重要性 次序的权值， 通过逐层比较各种关联因素的重要性来 为分析、 决策提供定量的依据。 这种层次权重分析方 法在目标因素结构复杂且缺乏必要数据的情况下使用 较为方便。 浅层地温能不同利用方式的适宜性受地质、 水文地质条件、 地下水动力场、 水化学场、 施工条件、 岩土体热物性等条件影响， 各因素的影响程度各不相 同， 需要首先根据各影响因素的重要性确定其权重值， 再进行定量分析， 以评价不同条件下利用浅层地温资 源的适宜性， 可由层次分析法实现。 1.2 北京平原区浅层地温能资源开发适宜性评价 1.2.1 地下水式地源热泵系统适宜性区划
表 3 各要素指标对总目标有效权重
备选 方案
地下 水位 埋深
第四系 厚度
分层 水质 状况
地下水 径流 条件
钻进 条件
城市 覆盖率
综合 热传导
系数
平均 比热熔
权重 0.1060 0.0869 0.1062 0.0869 0.3925 0.0792 0.0710 0.0710
采用综合指数法， 将每个网格点上的 8 项属性赋值 与其相对应的权重值相乘， 然后求和， 即可得出每个点 上的初步分值。 根据此分值的分布情况， 制定地埋管式 地源热泵各个适宜区的分数范围值， 将分值 0～5 为地埋 管式地源热泵不适宜区， 5～6 为地埋管较适宜区， 6～9 为地埋管适宜区 （表 4）， 应用 GIS 叠加出图， 见图 4。
地埋管式地源热泵在北京平原区的应用， 需考虑施 工工艺和技术经济合理性等确定其适宜区。 从节约土地 的角度考虑， 本次评价工作只考虑垂直埋管方式。
影响地埋管式地源热泵适宜性的因素主要有地质 与水文地质条件、 地层热物性参数和施工条件。 地质、 水文地质条件主要考虑地下含水层的分布、 地下水位、
· 13 ·
顺义
平谷
地质，水文地质条件
水动力场
水化学场
含 含有 含
水 水效 水
层 层合 层
出 结水 回
水 构层 灌
能
厚能
力
度力
地地补 同
下层给 期
水渗模 水
埋透数 位
深系
对
数
比
水硬 质度 分分 区区 图图
北京市区 通州 良乡 大兴 房山
适宜区 较适宜区 不适宜区
榆垡 0 10 km 20 km 30 km
图 2 北京平原区地下水式地源热泵适宜区划分图
同时需要注意的问题是， 由于北京地区已连续经 历 9 个枯水年， 导致地下水位持续下降， 部分含水层 已近疏干， 出现了无水可取的局面， 影响到地下水式 水源热泵的建设。 另外地源热泵的建设还受地质环境 条件的影响， 在有地面沉降、 地裂缝等地质灾害发育 的地区也不适宜建设地源热泵。
参考文献
[1] 卫万 顺 ，郑 桂 森 ，王 立 发 ，等. 北 京 平 原 区 浅 层 地 温 能 资 源 地质勘查报告[R]. 北京：北京市地质矿产勘查开发局，2008.
综合各影响因素， 选择地质、 水文地质条件， 地 下水动力场， 水化学场这 3 个指标构建评价体系。 评 价体系由 3 层构成， 从顶层至底层分别由系统目标层 （O， Object） 、 属 性 层 （A， Attribute） 和 要 素 指 标 层 （F， Factor） 组成。 O 层是系统的总目标， 即水源热泵 适宜性划分。 A 层是属性层， 由地质水文地质条件、 地下水动力场和水化学场 3 部分构成。 F 层是要素指 标层， 由含水层出水能力、 含水层结构、 有效含水层 厚度， 含水层回灌能力， 地下水埋深， 地层渗透系数， 补给模数、 同期水位对比、 水质分区图和硬度分区图 共 10 个指标构成 （图 1）。
·水 资 源·
北 京 水 务 2010 年第 2 期
地下水流动条件及地下水水质状况等情况； 地下埋管 处岩土的热物性参数对埋管换热性能有着重要影响， 钻孔地点的岩土物性参数对埋管单位井深换热量的影 响非常大。 施工条件主要指场地条件及地层岩性影响 下的成井费用和初投资等。
评价体系由 3 层构成， 从顶层至底层分别由系统目 标层 （O， Object）、 属性层 （A， Attribute）） 和要素指标 层 （F， Factor） 组成。 O 层是系统的总目标， 即地埋管 热泵系统适宜区划分。 A 层是属性指标层， 由地质水文 地质条件、 施工条件及热物性 3 个指标构成。 F 层是要素 指标层， 由选择第四系厚度、 地下水埋深、 地下水径流 条件、 分层水质状况、 钻进条件、 城市覆盖率、 综合热 传导系数和平均比热容共 8 个指标。 由此建立层次结构 模型 （图 3）。
水源热泵适宜性区划分
地 下 水 式 地 源 热 泵 适 宜 区 ， （表 2）。 应 用 GIS 空 间 分 析将各图层相互叠加， 得出综合评价图 （图 2）。
表 1 要素层中各个要素的有效权重
备选方案 有效含水层厚度 含水层回灌能力
含水层结构 地层渗透系数
地下水埋深 补给模数
同期水位对比 地层渗透系数
影响地下水式地源热泵适宜性的因素主要有地质
收稿日期： 2010 - 01 - 14 作者简介： 董殿伟 （1978—）， 男， 工程师。
· 12 ·
·水 资 源·
北 京 水 务 2010 年第 2 期
与水文地质条件、 地下水动力场、 水化学场。 地质、 水文地质条件决定着浅层地热能的赋存环境， 含水层 出水能力和回灌能力决定场地是否能使用地下水式地 源热泵及抽回灌井比例等； 地下水动力场分析主要有 地下含水层厚度、 地下水流动状况、 地下水超采状况 等， 确定地下水式地源热泵工程适宜性； 水化学场分 析主要针对城市地下水源地分布区及地下水资源的保 护区划， 结合不同层位地下水水质资料， 提出地下水 式地源热泵工程适宜区域， 确定防止地下水含水层污 染的适宜开采回灌层位。
图 1 水源热泵层次分析法模型结构图
按照层次分析法 （AHP）， 在评价体系的层次隶属 关系的基础上， 采用 1～9 标度法， 分别比较属性层和 要素层中各因素的相对重要性 （其中， 对适宜区划分 影响较大的因素重要性就越大）， 构建比较矩阵。 通过 计算， 检验比较矩阵的一致性， 必要时对比较矩阵进 行修改， 以达到可以接受的一致性， 最后确定出要素 层中各个要素在目标层中所占的权重 （表 1）。
2 结论
层次分析法是一种适用于浅层地温能适宜性评价 的方法。 根据区划结果， 北京平原区地下水式地源热 泵适宜区和较适宜区主要位于永定河冲洪积扇、 潮白 河冲洪积扇和拒马河冲洪积扇的中上部， 第四系颗粒 较粗， 岩性以砂砾石或砂卵砾石为主， 含水层赋水性 好， 单井出水能力较大， 地层回灌能力也好， 适宜和 较适宜区面积约为 1 350 km2。 地埋管适宜区和较适宜 区则位于各冲洪积扇中下部， 地层颗粒细， 含水层回 灌能力差， 地层可钻性好， 适宜和较适宜区面积约为 3 500 km2。 因 此 ， 对 于 北 京 平 原 区 ， 在 冲 洪 积 扇 中 上 部适合用地下水式地源热泵系统开发利用浅层地温能 资源， 在冲洪积扇下部及冲、 洪积平原区适合用地埋 管方式开发利用浅层地温能。
[2] 陈建 平 ，贾 洪 刚. 北 京 市 浅 层 地 温 （热 ）资 源 利 用 情 况 与 相 关规定 介 绍[M]. 地温 资 源 与地 源 热 泵技 术 应 用论 文 集 （第 二集）. 北京：地质出版社.
地埋管适宜性区划分
地质、水文地质条件
施工条件
热物性
第 地地 分 四 下下 层 系 水水 水 厚 埋径 质 度 深流 状
条况 件
钻城 进市 条覆 件盖
率
综平 合均 热比 传热 导容 系 数
图 3 地埋管适宜性区划模型结构图
同样按照层次分析法 （AHP）， 在评价体系的层次 隶属关系的基础上， 构建比较矩阵， 通过计算， 检验 比较矩阵的一致性， 确定要素层中各个要素在目标层 中所占的权重 （表 3）。
表 4 地埋管适宜性区划指标值
指标
0～5
5～6
6～9
适宜类型
不适宜区
较适宜区
适宜区
南口 昌平 沙河
密云 怀柔
顺义
平谷
北京市区 通州 良乡 大兴 房山
适宜区 较适宜区 不适宜区
榆垡 0 10km 20km 30km
图 4 北京平原区地埋管式地源热泵适宜区划分图
根据评价结果， 地埋管式地源热泵适宜区大多分 布在岩性为多层砂层和地下水径流条件较好的地区， 而冲洪积扇的顶部地区， 地层结构大都是单一的砂卵 砾石， 十分不利于地埋管的施工。
cess， 简记 AHP） 基本原理及其在浅层地温能资源开发适宜性评价中的应用， 并对北京平原区利用地
埋管式和地下水式两种地源热泵的适宜性进行分区评价。
关键词 层次分析法 地源热泵 开发适宜性 北京平原区
中图分类号 S273.4
文献标识码 B
文章编号 1673-4637（2010）-0012-03
受当地地质、 水文地质条件中多种因素的影响， 蕴 藏于地下岩土体内的浅层地温资源的开发利用方式及适 宜性存在较大差异。 北京市地区浅层地温能资源量巨 大， 据最新研究成果表明， 北京市平原区浅层地温能静 态储量为1.9×1015 kJ， 折合 6 620×104 t 标准煤， 可供暖 制冷面积为 9.59×108 m2， 不但能满足 2020 年北京市供 暖需求， 还可以减少烟尘排放量 15.09×104 t 和 二 氧 化 碳排放量 9 633.63×104 t， 能有效缓解北京市石化燃料 紧张和环境压力巨大的问题。 因此， 选用科学合理的方 法， 以地质条件为基础， 水文地质条件为依托， 评价浅层 地温能资源的不同开发利用方式， 即地埋管式和地下水 式地源热泵在北京市平原区的适宜性， 用于指导浅层地 热能资源开发利用和实际工程是非常必要的。 层次分析 法是适合于浅层地温能开发利用适宜性评价的有效方法。