黃河沖積平原（魯西北）淺層巖土體綜合熱導率研究

白新飛 李志民 劉思亮 宋津宇 于超 宋亮 楊時驕

摘 要：現場熱響應試驗測試是獲取換熱深度內巖土體綜合熱導率最直接的方法，能夠快速、直觀的體現巖土體換熱能力。通過分析研究臨清市鉆探獲取的地質、水文地質參數，結合熱響應試驗成果資料，分析在一定條件下巖土體綜合熱導率與初始地溫、含水層厚度、滲流速度、地下水位埋深等相互關系，發現綜合熱導率與初始地溫、含水層厚度、滲流速度正相關，與地下水位埋深反相關。在黃河沖積平原（魯西北）地埋管地源熱泵系統開發利用應選擇初始地溫較高、含水層厚度大（古河道帶）、地下水位埋深淺、地下水徑流條件好的區域。

關鍵詞：黃河沖積平原;現場熱響應試驗;綜合熱導率;魯西北

Abstract： The field thermal response test is the most direct method to obtain the comprehensive thermal conductivity of rock and soil within the heat transfer depth， which quickly and directly reflects the heat transfer capacity of rock and soil. Based on the analysis of geological and hydrogeological parameters obtained through drilling in Linqing City， the results of the thermal response test， and the relationship between comprehensive thermal conductivity of rock and soil mass and initial ground temperature， aquifer thickness， seepage velocity and groundwater depth under certain conditions， this paper finds that the comprehensive thermal conductivity is positively correlated with initial ground temperature， aquifer thickness and seepage velocity， but negatively correlated with groundwater depth. In the alluvial plain of the Yellow River （northwestern Shandong Province）， the development and utilization of ground source heat pump system should select the area with high initial ground temperature， large aquifer thickness （ancient river belt）， shallow groundwater level and good groundwater runoff conditions.

Keywords： Yellow River alluvial plain; field thermal response test; comprehensive thermal conductivity; Northwest Shandong

淺層地熱能是新型清潔能源的重要組成部分，其合理開發利用有助于優化建筑能源結構、實現節能減排、降低霧霾和熱島效應等微環境問題（呂鑫等，2018），緩解供暖能源需求矛盾，實現社會經濟綠色可持續發展。魯西北黃河沖積平原地區第四系發育厚度大，巖性以粉土、黏性土和砂類土為主，適宜采用地埋管換熱系統進行淺層地熱能開發利用。

地埋管換熱系統設計中巖土體綜合熱導率是地埋管系統換熱能力的直觀體現，是設計的重要依據參數（刁乃仁等，2006）。現場熱響應試驗是獲取巖土體綜合熱導率最常用、最直接的方法，GB 50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》亦規定采取熱響應試驗獲取巖土體綜合熱物性參數。

本文以臨清市研究區的9組場熱響應試驗數據為研究對象，通過分析試驗取得的綜合熱導率與淺層地熱能賦存條件關系，探討了影響黃河沖積平原松散巖土體綜合熱導能力的有關因素。研究成果對黃河沖積平原（魯西北）巖土體換熱能力研究與地埋管換熱系統開發利用靶區選擇具有一定的參考意義。

1 研究區背景條件

1.1 地質背景條件

研究區位于魯西北臨清市城區，為黃河沖積平原分布區，地表被厚層第四系所覆蓋，巖性主要為粉土、粉質黏土、黏土及粉、細砂，為河流沖積、堆積形成，厚度一般超過200 m，土體工程地質類型為上層黏性土多層結構（圖1）。

1.2 水文地質概況

研究區水文地質單元屬于魯西北平原松散巖類水文地質區（Ⅰ）古河道帶沖積平原淡水水文地質亞區（Ⅰ2）冠縣—莘縣古河道帶孔隙水水文地質小區（范縣、冠縣、臨清）（Ⅰ2-4）。依據地層巖性組合、含水層埋藏深度及水力性質可將研究區200 m以淺含水層劃分為：潛水—淺層微承壓含水層、中深層承壓水含水層。

潛水—淺層微承壓水含水層（組）：該含水巖組底板埋深一般大于60 m，巖性以粉砂、細砂為主，累計厚度一般大于20 m，發育規律存在自黃河古河道上游至下游，含水層顆粒由粗到細，層數由單層到多層，砂層由厚逐漸變薄，富水性由強變弱的變化規律。現狀條件下，研究區內單井出水量一般小于500 m3/d（口徑219 mm，5 m降深），僅在南部景福莊村一帶單井出水量增加到500～1000 m3/d，礦化度為1～3 g/L。

中深層承壓水含水層（組）：該含水巖組頂板和底板埋深一般為60 m和250 m，巖性主要為粉砂、細砂，累計厚度一般30～56 m，礦化度一般2～5 g/L（圖2）。

1.3 地質環境

目前在臨清市西南唐元鎮一帶和城區北部存在2個淺層地下水降落漏斗，屬于冠縣—莘縣—臨清漏斗的次級漏斗，研究區處于這2個次級降落漏斗影響范圍內，地下水位埋深變化較大，據2020年3月地下水位統測數據顯示，內區地下水位埋深在7.68～15.28 m之間（圖3）。

1.4 淺層地溫場特征

研究區200 m以淺為第四系松散堆積物，巖土體結構較簡單，地溫場分布特征主要受地質構造、巖性組合、含水層厚度、地下水位埋深、地下水徑流等因素影響（王萬順等，2010;李騰超等，2020）。

（1）平面地溫場特征

巖土體在同一深度溫度變化幅度較小，不同深度溫度變化趨勢基本相似。如100 m深度巖土體溫度值總體呈現西部和北部較高，東部和南部略低的趨勢（圖4）。

（2）垂向地溫場特征

地溫場在垂向上可劃分為變溫層、恒溫層及增溫層：如LQD01孔0～28 m為變溫層，該層地溫值受氣溫變化影響大;恒溫層在28～32 m，溫度基本無變化;32 m以下為增溫層，該層地溫值受地質與水文地質條件等因素影響，平均地溫梯度2.56 ℃/100 m（圖5）。

區內恒溫層埋深在20～46 m之間，恒溫層溫度在15.32～16.22 ℃之間。增溫層地溫梯度為1.54～2.56 ℃/100 m（表1），總體呈現由南向北增高的趨勢（圖6）。

2 現場熱響應試驗

2.1 熱響應試驗工程條件參數

依據以往研究成果可知（曾和義等，2003;胡彩萍，2017;周陽等，2018），在其他工程參數相同條件下，存在以下規律：

（1）雙U型比單U型鉆孔內熱阻小30%左右，換熱能力提高7%～20%;

（2）地埋管管徑De32比De25換熱能力大5%左右;

（3）回填材料導熱性能越好，換熱能力和影響范圍也越大;

（4）換熱量總體上隨循環流體速度增加而增大，但隨著流速的增加換熱量對流速的變化比率逐漸下降;

（5）地埋管換熱能力與加熱功率、持續時間成正相關。

上述規律中工程參數屬于人為可控因素，為探討地質與水文地質條件等客觀因素與巖土體綜合導熱系數影響關系，9組熱響應試驗采用定工程參數的試驗模式（表2）。

9組熱響應試驗時間為2020年9月中旬至2020年10月下旬，試驗期間臨清市氣溫變化幅度較小，且對測試孔與試驗設備連接的管路采取隔熱保溫措施，防止U型管中的循環水與外界發生能量交換，因此本次熱響應試驗測試結果受氣溫變化影響小。

2.2 熱響應試驗設備與精度

熱響應試驗設備為北京華清榮昊新能源開發有限責任公司開發的HQ-H2型車載式淺層地熱能冷、熱響應測試儀，該設備通過中國地質調查局認證，技術成熟，滿足設備要求。

試驗裝置由熱泵系統、電加熱器、補水箱、循環泵、循環管路及切換閥，冷凝器散熱器、溫度和流量傳感器等組成。該設備的傳感器均選用高精度傳感器，流量計精度等級為0.2級、量程0～8 m3/h的電磁流量計，溫度傳感器型號：JWB/PT1000，精度A級、量程-195～420 ℃的JWB/Pt/1000/C、JWB/Pt1000/230/C鉑電阻，測試系統整體最大測試誤差為±0.20%。

2.3 現場熱響應試驗參數計算方法

以簡化的恒熱流穩態線熱源理論傳熱模型計算現場熱響應試驗數據參數，進行如下假設：埋管換熱器周圍巖土體為半無限大傳熱介質，并且初始溫度相同，熱物性不隨溫度的變化而變化;將熱交換孔看作線熱源，忽略鉆孔幾何尺寸，并且不考慮豎直方向的熱傳導（劉春雷等，2014;王婉麗等，2020）。

依據上述假設，流入與流出地埋管的水溫平均值計算式為：

將恒熱流現場熱響應測試的地埋管進、出水平均溫度擬合為式（2）形式的對數曲線，求取斜率k，進一步計算得到巖土體綜合熱導率λ。還可根據巖土體體積比熱容c計算熱擴散率a，由Tf隨lnt的變化曲線的截距可計算單位深度鉆孔總熱阻Rb。

2.4 測試計算結果

依據上述計算理論方法，采用北京艾諾申科技有限公司研發的地源熱泵勘察數據分析軟件進行分析、計算，得出各鉆孔巖土體初始地溫及綜合熱導率（表3）。

對進、出水口平均水溫與初始地溫進行相關分析，擬合公式：y =0.8344X+3.0078，R2=0.9185，R2>0.9（圖7），說明測試初始地溫結果可靠。

利用9組試驗結果與魯西北黃河沖積平原其它城市現場熱響應試驗結果（表4）對比顯示，研究區現場熱響應試驗綜合熱導率值在其變化區間內，試驗結果可靠。

3 綜合熱導率影響因素分析

3.1 巖性組合與含水層厚度

不同巖土體組成成分不同，導熱系數亦各異，黃河沖積平原第四系沉積物導熱系數存在黏土<粉質黏土<粉土<粉砂<細砂<中砂<粗砂的規律，即導熱系數隨巖土體平均粒徑的增大逐漸增大。第四系松散巖類同類巖土體由于沉積環境、組分含量、物理性質不同，其導熱系數亦隨之變化。地表以下不同巖性的組合與分布千差萬別造成巖土體綜合熱導率的差異。

對區內222件黏土、粉質黏土、粉土原狀土樣進行室內熱物性測試，以格羅布斯準則剔除異常值后統計匯總分析（表5）顯示，粉土、粉質黏土、黏土熱物理性質平均值存在一定差異，但變化幅度較小。

9組試驗孔揭露的砂層厚度占比為25.36%～52.73%，且飽水狀態下的砂類土導熱系數明顯大于飽水狀態下的粉土、黏性土，含水層厚度對巖土體綜合導熱系數影響較大。

從圖8可知，巖土體綜合熱導率與砂層厚度大致呈正相關性，對試驗深度接近的6個鉆孔（LQD2、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）的綜合熱導率與砂層厚度值進行皮爾遜相關性分析，獲得相關系數為0.46，為中等強度相關。

黃河多次游移改道泛濫，致使魯西北黃河沖積平原古河道帶與道間帶交替展布，呈南西-北東走向。古河道帶與道間帶相比，砂層厚度大，連續性和富水性強、水動力條件好。研究區大部分區域位于唐元—臨清—石槽古河道帶內，僅東南部位于道間帶，區內砂層厚度主要受古河道控制，通過對表4數據對比，呈現古河道帶內巖土體綜合熱導率較高的規律（圖9）：如LQD05、LQD07孔位于古河道砂層富集帶，砂層厚度均大于50 m，綜合熱導率偏高，達到1.94 W·m-1·K-1和1.89 W·m-1·K-1;LQD08、LQD09孔位于古河道帶外，砂層厚度約30 m，綜合熱導率相對偏低，均小于1.80 W·m-1·K-1。

3.2 地下水位埋深

第四系松散巖類巖土體呈現達到飽和含水率之前導熱系數隨含水率的增加而增加，增加幅度逐漸變小，在達到飽和狀態后導熱系數趨于穩定。

通過對各孔數據分析發現：隨地下水位埋深變淺，飽和巖土體帶范圍擴大，巖土體綜合熱導率增高;反之巖土體綜合熱導率降低。

比如LQD08與LQD09兩孔數據對比，LQD08孔初始地溫、砂層厚度均大于LQD09孔，但LQD09孔綜合熱導率明顯較高，分析原因正是LQD08孔地下水位埋深明顯大于LQD09孔。LQD02與LQD06孔數據對比亦呈現這一規律（圖10）。

對試驗深度接近的6個鉆孔（LQD02、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）的綜合熱導率與地下水位埋深進行皮爾遜相關性分析，獲得相關系數為-0.44，呈負相關性，為中等強度相關。

3.3 初始地溫

巖土體初始地溫是淺層地熱能資源勘查評價與開發應用的關鍵參數之一，受地質構造、地層巖性和層序、地形地貌、地下水、太陽輻射、氣候條件等參數影響（岳麗燕等，2018;李娟等，2018）。

研究區內初始地溫主要受地質構造和水文地質條件影響，總體呈現越靠近斷裂初始地溫越高，含水層厚度越大初始地溫越高的規律（圖11），推測區內斷裂有溝通深部熱源的作用，含水層導熱性能好于隔水層。

對各孔數據分析（表3），呈現初始地溫越高相應的綜合換熱能力亦越高的規律，通過對孔深相近的6個鉆孔（LQD2、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）綜合熱導率與初始地溫進行皮爾遜相關性分析，獲得相關系數為0.54，呈正相關性，為中等強度相關。

初始地溫對地埋管換熱系統開發利用淺層地熱能存在兩面性：夏季工況巖土體溫度越低，進出口溫差越大，排熱量越大，有利于夏季制冷;冬季工況則相反，巖土體溫度越高，埋管取熱量越大，有利于冬季供暖。

3.4 地下水滲流

地下水滲流作用有利于減弱或消除地埋管換熱器吸熱或放熱不平衡而引起的冷/熱量累積效應，冷熱負荷迅速以水流為載體向遠處傳遞，滲流速度越大，換熱能力越大，熱影響范圍則越大，反之則小（張春一等，2015）。

現今在黃河沖積平原魯西北地區淺層地下水已形成嚴重的超采降落漏斗，降落漏斗改變了區域上地下水滲流方向與速度，越靠近滲流中心，水力坡度越大，滲流速度亦越大（趙琳，2015）;而中深層地下水基本未開采，水平滲流速度很緩慢。因此，黃河沖積平原魯西北巖土體綜合熱導率主要受淺層地下水滲流影響，中深層地下水滲流速度輕微。研究區位于臨清市唐元鎮和城區北部兩個淺層地下水降落漏斗的影響范圍內，地下水位埋深變化較大，水力坡度及滲流速度隨之變化，巖土體綜合熱導率亦受其變化影響。

除受區域降落漏斗影響外，局部在取水工程影響半徑范圍內水力坡度及滲流速度增大，而引起巖土體綜合熱導率變大，比如LQD01與LQD02兩孔初始地溫基本一致，砂層厚度和地下水位埋深相近，但LQD02綜合熱導率明顯較高，分析原因為LQD02孔距工業廠區取水井20 m，且該取水井一直處于取水狀態，造成LQD02孔附近水力坡度和滲流速度增大，致使測量的綜合熱導率偏高。

綜上所述，巖土體綜合熱導率在工程條件一致時，主要受初始地溫、含水層厚度、地下水位埋深及地下水滲流速度4個因素共同影響，4個因素之間亦互相影響與制約：初始地溫受含水層厚度與地下水滲流速度影響;地下水位的變化影響了地下水滲流速度與飽和含水層厚度;含水層厚度影響地下水滲流面積。

4 結論

（1）在臨清市研究區采取定工程參數的方式進行9組現場熱響應試驗，按線熱源理論計算的綜合熱導率為1.74～1.94 W·m-1·K-1，與黃河沖積平原魯西北其它地區熱響應試驗測試結果對比，試驗結果可靠。

（2）通過對現場熱響應試驗成果與淺層地熱能賦存條件對比分析，黃河沖積平原魯西北地區巖土體綜合熱導率與初始地溫、含水層厚度、地下水滲流速度呈正相關性，與地下水位埋深呈負相關性。

（3）在黃河沖積平原魯西北地區進行地埋管換熱系統開發利用應綜合考慮地質與水文地質條件，優選初始地溫較高、古河道帶（含水層厚度大）、地下水位埋深淺、地下水徑流條件好的區域。

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