SHALLOW GEOTHERMAL ENERGY SUITABILITY ZONING BASED ON FUZZY ANALYTIC HIERARCHY PROCESS-PARTICLE SWARM OPTIMIZATION MODEL
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摘要:
利用基于模糊一致矩阵的模糊层次分析法（FAHP）建立浅层地热能评价模型，将结果的一致性检验与修正过程整合为非线性规划问题，并通过粒子群算法（PSO）进行优化求解，得到满足一致性要求的权重结果，进而开展敏感度分析，校验指标权重准确性，提高地源热泵适宜性区划评价精度.通过构建4个层次、9个指标的评价体系，根据获得的权重值开展大连地区浅层地热能适宜性分区评价，为浅层地热能资源储量和潜力评价提供基础，也为浅层地热能可持续开发利用提供理论依据.评价结果表明，适宜性区划模型和指标权重值可靠，适宜区分布于研究区东部钻石湾、东港一带，面积32.87 km2，占评价总面积的4.45%，较适宜区分布于北部甘井子区，面积247.21 km2，占评价总面积的33.47%.
Abstract:The paper establishes the evaluation model of shallow geothermal energy by fuzzy consistent matrix-based fuzzy analytic hierarchy process(FAHP), integrating the consistency testing and correction of the results into a nonlinear programming problem, using particle swarm optimization(PSO) for optimization solution and getting the weight results that meet the consistency requirements, and then checking the accuracy of index weights through sensitivity analysis to improve the accuracy of ground source heat pump suitability zoning evaluation. By constructing an evaluation system with 4 levels and 9 indicators, the suitability zoning evaluation of shallow geothermal energy in Dalian area is carried out according to the weight values obtained, which provides a research foundation for the shallow geothermal energy resource reserves and potential evaluation, and theoretical basis for its sustainable development and utilization as well. The results show that the suitability zoning model and index weight values are reliable. The suitable area is distributed in Diamond Bay and Donggang district in the east of the study area, with an area of 32.87 km2, accounting for 4.45% of the total assessed area, while the less suitable area is distributed in Ganjingzi district in the north, with an area of 247.21 km2, accounting for 33.47% of the total assessed area.
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Key words:
- shallow geothermal energy /
- suitability zoning /
- FAHP /
- PSO /
- comprehensive index method /
- Liaoning Province
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表 1 适宜性区划评价方法对比表
Table 1. Comparison of evaluation methods for the suitability zoning of shallow geothermal energy
评价方法 主要优点 主要缺点 综合指数法 分散信息利用模型整合，集成综合特征，便于整体研究 指标层次少、资料少时不适用，反映系统的本质困难 模糊层次分析法 解决定量化难的问题，比较标度手段，对各指标重要性排序，复杂问题简单处理 一致性需要经过修正-检验的反复过程，且非常繁琐，计算工作量大 主成分分析法 高维变量降维，减少综合变量，替换原始多维变量，消除相互影响，避免主观性 具有模糊性，并不具体，变量本身重要性考虑不到，只是定量相互比较 系统动力学法 分析复杂系统，解析结构、功能内在关系，应用于结构复杂并且高阶的非线性事件 指标因子相互之间的作用掌控较难，导致实际结果会出现偏差 
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表 2 比较标度表
Table 2. Scales for comparison
标度 定义 说明 0.1 绝对不重要 因素ai比因素aj绝对不重要 0.2 非常不重要 因素ai比因素aj非常不重要 0.3 比较不重要 因素ai比因素aj比较不重要 0.4 稍微不重要 因素ai比因素aj稍微不重要 0.5 同等重要 因素ai与因素aj同等重要 0.6 稍微重要 因素ai比因素aj稍微重要 0.7 比较重要 因素ai比因素aj比较重要 0.8 非常重要 因素ai比因素aj非常重要 0.9 绝对重要 因素ai比因素aj绝对重要
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表 3 适宜性评价指标分级
Table 3. Grading of suitability evaluation indexes
赋值 1 2 3 4 5 潜水埋深/m ＜3 3~6 6~9 9~12 ≥12 承压水埋深/m ＜5或≥50 5~10 10~20 20~30 30~50 地层岩性（地层可钻性） 石英砂岩（困难） 互层（较难） 板岩（一般） 灰岩（较易） 有效含水层厚度/m ＜5 5~10 10~20 20~30 ≥30 含水层富水性/（m3/d） ＜100 100~500 ≥500 含水层回灌能力 极弱区 较弱区 一般区 较强区 地层渗透系数/(m/d) ＜1 1~3 3~6 6~9 ≥9 地下水腐蚀性 腐蚀性水 半腐蚀性水 非腐蚀性水 地下水结垢性 很多 多 少 很少 海水入侵 严重入侵 中等入侵 轻度入侵 非入侵
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表 4 评价准则层结论（权重）表
Table 4. Conclusions (weights) of evaluation criterion layer
准则层 全局权重 同级权重 目标层 地下水赋存条件 0.2833 0.2833 地下水地源热泵适宜性区划 地下水动力条件 0.4167 0.4167 地下水化学条件 0.2 0.2 地质环境条件 0.1 0.1
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表 5 评价因素层结论（权重）表
Table 5. Conclusions (weights) of evaluation factor layer
因素层 全局权重 同级权重 准则层 地层岩性 0.0567 0.2 地下水赋存条件 地下水位埋深 0.1322 0.4667 有效含水层厚度 0.0944 0.3333 含水层回灌能力 0.1806 0.4329 地下水资源条件 含水层富水性 0.1528 0.3671 地层渗透系数 0.0833 0.2 地下水腐蚀性 0.08 0.4 地下水化学条件 地下水结垢性 0.12 0.6 海水入侵 0.1 1 地质环境条件
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表 6 地下水源热泵适宜性评价区划指标表
Table 6. Suitability evaluation zoning indexes of groundwater source heat pump
评价分值 ≤3.0 3.0~4.2 ≥4.2 适宜性区划 不适宜区 较适宜区 适宜区
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表 7 地下水源热泵适宜性区划表
Table 7. Suitability zoning of groundwater source heat pump
分区 面积/km2 占比/% 适宜区 32.87 4.45 较适宜区 247.21 33.47 不适宜区 438.97 59.43 地表水体 19.56 2.65 合计 738.61 100.00
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图(3)
表(7)
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