合肥市第四系及紅層巖土體熱物性分布特征研究

關鍵詞：熱物性；淺層地熱能；熱響應測試；合肥市

進入21 世紀以來，隨著國內經濟的蓬勃發(fā)展，能源問題日益突顯，清潔能源的應用越來越受到重視，淺層地熱能這一清潔能源通過熱泵技術加以應用已在全國范圍內得到廣泛推廣。淺層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能（是指通過地源熱泵換熱技術利用的蘊藏在地表以下200 m 以內，溫度低于25℃的熱能）。淺層地熱能的開發(fā)利用必然要查清區(qū)域內資源的熱容量及換熱功率，其主要影響因素為巖土體熱物性參數，包括體積熱容、熱導率、熱擴散率等。

本文基于合肥市淺層地溫能調查評價工作，系統地闡述了合肥地區(qū)淺層（埋深200 m 以淺）第四系及紅層巖土體熱物性的空間分布特征，為合肥市淺層地熱能資源的開發(fā)利用提供測試、監(jiān)測的基礎性地質背景資料，以及為相似地質背景條件地區(qū)提供重要的參考資料。

1 地質背景

合肥市地形呈西北高、東南低形態(tài)，地形坡度小于3%，地面高程小于50 m。研究區(qū)內除大蜀山錐狀火山孤峰外，其余均以波狀平原為主。根據目前已有的勘探資料顯示，研究區(qū)內200 m 以淺地層主要由第四系（Q）和“紅層”地層組成（圖1），“紅層”地層包括古近系定遠組（E1dy）、白堊系張橋組（K2z）和新莊組（K1x）以及侏羅系周公山組（J3z）。主要巖性為鈣質泥巖、泥鈣質粉細砂巖，地表絕大部分為第四系松散巖類所覆蓋。研究區(qū)地下水類型以松散巖類孔隙水、碎屑巖類（紅層）裂隙孔隙水和基巖裂隙水為主，徑流方向自西北流向東南至巢湖排泄，水化學類型以重碳酸型為主，富水性較弱，呈現出典型的紅層地區(qū)地下水特征。

2 鉆孔布設與取樣、測試

2.1 鉆孔布設

研究區(qū)包括合肥市轄區(qū)大部分，面積760 km2，本次研究工作的相關實物工作手段緊密結合合肥市城市開發(fā)利用規(guī)劃，在系統收集研究區(qū)已有鉆孔資料的基礎上進行的。

勘查孔主要布置在已建成區(qū)外圍的規(guī)劃區(qū)，優(yōu)先布設在地層結構和水文地質結構不清和急需勘查的地段，地層結構和水文地質結構代表性地段以及現場熱響應試驗區(qū)域性控制地段。本次工作共布設15 個勘查孔（圖2），每個勘查孔分別進行采樣、抽水試驗、現場熱響應試驗等工作，采取一孔多用。本次工作同時考慮到為研究不同孔深、不同孔徑下導熱系數的變化，勘查孔孔深、孔徑根據地層巖性的不同有所差異（圖3），孔徑分為168mm 和219 mm 兩種規(guī)格，一般孔深100～150 m，控制性孔深200 m，侏羅、白堊、古近系地層中均布設了控制性勘查孔。各勘查孔主要巖性及深度見表1。

2.2 樣品采集與測試

本次工作在勘查孔全孔取芯，并采集原狀巖土樣，旨在查明研究區(qū)內200 m 以淺地層結構特征及巖土體的熱物性參數。采樣要求每個樣品長度不小于25 cm，結合地層結構特征每10 m 采一個樣，局部巖性分層較薄處加密采樣。所采樣品不僅具有代表性，而且能反映勘查孔的巖土層結構特征。

本次工作共采取熱物理性質巖土樣品241 組，其中松散巖類樣品61 組，半固結巖類樣品180 組；松散巖類樣品中黏性土樣品52 組，砂土樣品9 組；半固結巖類樣品中泥巖樣品71 組，砂巖樣品109 組；侏羅系地層半固結巖類樣品19 組，白堊系地層半固結巖類樣品119 組，古近系地層半固結巖類樣品42 組。對采樣品進行了熱物理性質測試分析，分析項目包括體積熱容、熱導率、熱擴散率等。檢測機構為國家教育部中國科學技術大學工程與材料科學實驗中心，依據ISO-CD 22007-2 瞬變平面熱源法，檢測設備為熱物性分析儀HotDisk 2500s。

2.3 現場熱響應試驗

現場熱響應試驗是將一定熱量加給豎直埋管，記錄響應數據，得出巖土體換熱能力，計算換熱孔巖土體綜合導熱系數，作為淺層熱溫能評價的重要參數。試驗內容主要包括巖土體初始溫度測試、穩(wěn)定熱流測試（大、小功率測試），用于獲取巖土體熱物性參數。

測試孔在下管、回填密實后靜置不少于48 h，測試設備安裝檢驗完畢后進行測試，本次研究工作現場熱響應試驗儀器采用北京華清集團研制生產的車載HQ-2 型冷熱響應測試儀。試驗首先進行無功循環(huán)法獲取地下巖土體初始溫度，測試時間不少于24 h；巖土體初始溫度測得之后進行穩(wěn)定熱流試驗，以獲得勘查孔綜合導熱系數，測試時間不少于48 h。

穩(wěn)定熱流試驗按規(guī)范要求結合勘查孔深度，分大小兩個功率進行測試。根據勘查孔深度不同，本次確定100 m和150 m 以淺勘查孔大功率為8 kW，小功率為4 kW，200 m 以淺勘查孔大功率為10 kW，小功率為5 kW。先進行小功率測試，結束后無功循環(huán)12 h 以上以恢復地溫，再進行大功率測試。大小功率測試結束后，對記錄數據進行分析，分別計算大小功率下勘查孔導熱系數，再取其算數平均值作為勘查孔的綜合導熱系數。

3 測試結果對比分析

3.1 實驗室測試數據分析

本次研究工作共采取巖土熱物性樣品241 組，對實驗室測試結果進行統計分析。按照數理統計方法要求，結合地層時代、巖性特征、孔徑、孔深等不同要素分類統計，對所測數據采用算數平均或加權平均方法進行分析，得出了巖土體不同分類統計下的熱物性特征，具體分析如下：

3.1.1 不同地層時代熱物性參數對比分析

對所采樣品測試結果進行統計分析，求得各地層巖性的主要熱物性參數的算數平均值（表2、圖4）。其中，第四系土樣熱導率范圍為1.07～2.40 W/（m·K），熱擴散率為0.38～1.69 mm2/s， 體積熱容在0.79～3.19 MJ/（m3·K）；基巖巖樣熱導率范圍為1.01～3.62W/（m·K），熱擴散率為0.30～1.80 mm2/s，體積熱容為0.94～4.10 MJ/（m3·K）。

據統計，巖土體的熱導率平均值大小排列如下：第四系（1.56 W/（m·K））＜白堊系（1.69 W/（m·K））＜古近系（2.02 W/（m·K））＜侏羅系（2.46 W/（m·K））；熱擴散率平均值大小順序為：第四系（0.72 mm2/s）＜白堊系（0.74mm2/s）＜古近系（0.90 mm2/s）＜侏羅系（1.20 mm2/s）；體積熱容平均值大小排列規(guī)律為：侏羅系（2.10 MJ/（m3·K））＜古近系（2.27 MJ/（m3·K））＜第四系（2.36 MJ/（m3·K））＜白堊系（2.37 MJ/（m3·K））。

3.1.2 不同巖性熱物性參數對比分析

對不同巖性的主要熱物性參數進行算數平均值計算。統計結果表明（表3，圖5），砂土與砂巖的熱導率平均值較接近，黏土與泥巖的熱導率平均值較接近，且小于砂土與砂巖的熱導率平均值；砂土與砂巖的熱擴散率平均值較接近，黏土與泥巖的熱擴散率平均值較接近，且小于砂土與砂巖的熱擴散率平均值；黏土、砂巖、泥巖的體積熱容平均值比較接近，相對于砂土略小。

3.1.3 勘查孔巖土體熱物性參數對比分析

為準確厘定各勘查孔的地層結構特征對巖土體熱物性參數的影響，將每個勘查孔按不同巖性的分層厚度進行加權賦值，再將各樣品熱物性參數與對應層厚權值進行加權平均，計算出各勘查孔第四系土樣與巖石樣的加權平均熱物性參數，進而計算出全孔地層的加權平均熱物性參數（表4，圖6）。根據表4 和圖6 對比分析，可以看出各勘查孔綜合加權平均熱物性參數均與巖石樣加權平均數較接近，且變化趨勢相同，說明研究區(qū)內勘查孔綜合熱物性參數受地層結構中巖體的物理性質影響較大。

3.2 現場熱響應試驗數據分析

通過對15 個勘查孔的不同孔深、不同地層、不同加熱功率、不同換熱條件的現場熱響應試驗結果進行統計分析，初步得出：巖土體的導熱系數有一定的差異（表5）。

現場熱響應試驗結果表明：研究區(qū)巖土體小功率測試條件下導熱系數為1.62～2.49 W/（m·K），大功率測試條件下導熱系數為2.16～3.18 W/（m·K），平均導系數變化范圍為1.99～2.84 W/（m·K）。

現場熱響應試驗分析結果表明：埋管形式采取單U及雙U 時的勘查孔導熱系數不同，單U 時的導熱系數比雙U 時減小8 %～15 %，且大功率減少的比率要高于小功率；相同孔深、相同加熱功率、不同地層巖性的導熱系數存在差異，統計表明侏羅系的導熱系數大于古近系、白堊系，而古近系、白堊系之間的導熱系數無明顯規(guī)律；相同的深度、相同的地層巖性、相同的埋管形式，不同的孔徑其導熱系數差異很小，且不同口徑導熱系數無規(guī)律，無論大小功率不同口徑導熱系數相差不大于3 %。

3.3 不同測試方法下巖土體熱導率對比分析

通過對各勘查孔不同測試方法的測試數據對比分析，系統地研究了巖土體的熱物性特征。由圖7 可知，現場熱響應測試得出的單孔綜合導熱系數（熱導率）相較室內測試的數據偏大，但兩種方法所測數據整體變化趨勢相同，如DRK05、DRK08、DRK10、DRK13 孔較其他勘查孔導熱系數（熱導率）均呈相同趨勢地出現峰值。

對于兩種測試方法下巖土體導熱系數（熱導率）的差異性，分析其原因可能是受地下水影響。實驗室所測巖土體熱導率因巖土樣中水分已基本烘干較低，而現場熱響應試驗所測得勘查孔綜合導熱系數是通過記錄豎直地埋管換熱器熱交換數據計算得出，該參數的得出是將地下水與地下巖土體作為一個整體去考量，且地下水參與換熱，故所測各勘查孔綜合導熱系數（熱導率）大于實驗室所測數據。

3.4 巖土體熱物性平面分布特征

根據表4 中各勘查孔熱物性參數的加權平均數值，采用MapGIS 6.7 軟件分別繪制出研究區(qū)內巖土體熱導率平面分布圖（圖8）和體積熱容平面分布圖（圖9）。由熱導率平面分布圖可見，研究區(qū)內巖土體熱導率由2.1 W/（m·K） 升至2.8 W/（m·K），在西北部和東南部出現兩處大于其他區(qū)域的閉環(huán)峰值區(qū)（2.8 W/（m·K））；由體積熱容平面分布圖可以看出，研究區(qū)內巖土體積熱容由西北向東南逐漸增大，由2.1 MJ/（m3·K） 升至2.7 MJ/（m3·K），至巢湖邊有閉環(huán)峰值趨勢，其平面分布特征與地下水徑流方向基本一致，印證了巖土體體積熱容受巖土孔隙率、含水率等因素影響，含水率高致使巖土體體積熱容增大。

4 結論

（1）實驗室測試結果表明，合肥市淺層第四系及紅層巖土體綜合熱物性參數受地層時代與巖性特征影響，不同的地層時代中，侏羅系地層巖土體熱導率最高；在相同的地層時代中，隨著巖土體的孔隙率和含水率變化，以砂巖的熱導率較好。

（2）合肥市巖土體熱導率由2.1 W/（m·K） 升至2.8 W/（m·K），在西北部和東南部出現兩處大于其他區(qū)域的閉環(huán)峰值區(qū)（2.8 W/（m·K））的平面分布特征；體積熱容平面分布特征呈現由西北向東南逐漸增大，由2.1 MJ/（m3·K）升至2.7 MJ/（m3·K），至巢湖邊有閉環(huán)峰值趨勢，該平面分布特征與地下水徑流方向基本一致，印證了巖土體體積熱容受巖土孔隙率、含水率等因素影響，含水率高致使巖土體體積熱容增大。

（3）現場熱響應試驗測得埋管類型采用雙U 型時巖土體綜合導熱系數要高出單U 型埋管8 %～15 %；不同的換熱孔口徑致換熱孔導熱系數差異性很小（小于3 %）；相同孔深相同換熱功率條件下，不同地層時代巖土體導熱系數存在差異，以侏羅系地層最好。

（4）現場熱響應測試得出的單孔綜合導熱系數（熱導率）相較于室內測試的數據偏大，但兩種方法所測數據整體變化趨勢相同；實驗室測試結果受巖土體的物理性質影響，而現場熱響應測試是將地下巖土體和地下水作為一個整體去試驗，所測數據更接近于實況。