白新飛 李志民 劉思亮 宋津宇 于超 宋亮 楊時驕

摘 要：現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)測試是獲取換熱深度內(nèi)巖土體綜合熱導(dǎo)率最直接的方法，能夠快速、直觀的體現(xiàn)巖土體換熱能力。通過分析研究臨清市鉆探獲取的地質(zhì)、水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合熱響應(yīng)試驗(yàn)成果資料，分析在一定條件下巖土體綜合熱導(dǎo)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)綜合熱導(dǎo)率與初始地溫、含水層厚度、滲流速度正相關(guān)，與地下水位埋深反相關(guān)。在黃河沖積平原（魯西北）地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用應(yīng)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(qū)域。

關(guān)鍵詞：黃河沖積平原;現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn);綜合熱導(dǎo)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?zé)崮苁切滦颓鍧嵞茉吹闹匾M成部分，其合理開發(fā)利用有助于優(yōu)化建筑能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低霧霾和熱島效應(yīng)等微環(huán)境問題（呂鑫等，2018），緩解供暖能源需求矛盾，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)綠色可持續(xù)發(fā)展。魯西北黃河沖積平原地區(qū)第四系發(fā)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(tǒng)進(jìn)行淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。

地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中巖土體綜合熱導(dǎo)率是地埋管系統(tǒng)換熱能力的直觀體現(xiàn)，是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)參數(shù)（刁乃仁等，2006）。現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)是獲取巖土體綜合熱導(dǎo)率最常用、最直接的方法，GB 50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》亦規(guī)定采取熱響應(yīng)試驗(yàn)獲取巖土體綜合熱物性參數(shù)。

本文以臨清市研究區(qū)的9組場熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為研究對象，通過分析試驗(yàn)取得的綜合熱導(dǎo)率與淺層地?zé)崮苜x存條件關(guān)系，探討了影響黃河沖積平原松散巖土體綜合熱導(dǎo)能力的有關(guān)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(tǒng)開發(fā)利用靶區(qū)選擇具有一定的參考意義。

1 研究區(qū)背景條件

1.1 地質(zhì)背景條件

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

1.2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)水文地質(zhì)單元屬于魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)（Ⅰ）古河道帶沖積平原淡水水文地質(zhì)亞區(qū)（Ⅰ2）冠縣—莘縣古河道帶孔隙水水文地質(zhì)小區(qū)（范縣、冠縣、臨清）（Ⅰ2-4）。依據(jù)地層巖性組合、含水層埋藏深度及水力性質(zhì)可將研究區(qū)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(xì)砂為主，累計(jì)厚度一般大于20 m，發(fā)育規(guī)律存在自黃河古河道上游至下游，含水層顆粒由粗到細(xì)，層數(shù)由單層到多層，砂層由厚逐漸變薄，富水性由強(qiáng)變?nèi)醯淖兓?guī)律?，F(xiàn)狀條件下，研究區(qū)內(nèi)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(xì)砂，累計(jì)厚度一般30～56 m，礦化度一般2～5 g/L（圖2）。

1.3 地質(zhì)環(huán)境

目前在臨清市西南唐元鎮(zhèn)一帶和城區(qū)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(qū)處于這2個次級降落漏斗影響范圍內(nèi)，地下水位埋深變化較大，據(jù)2020年3月地下水位統(tǒng)測數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)區(qū)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(qū)200 m以淺為第四系松散堆積物，巖土體結(jié)構(gòu)較簡單，地溫場分布特征主要受地質(zhì)構(gòu)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(xiàn)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(zhì)與水文地質(zhì)條件等因素影響，平均地溫梯度2.56 ℃/100 m（圖5）。

區(qū)內(nèi)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(xiàn)由南向北增高的趨勢（圖6）。

2 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)

2.1 熱響應(yīng)試驗(yàn)工程條件參數(shù)

依據(jù)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(shù)相同條件下，存在以下規(guī)律：

（1）雙U型比單U型鉆孔內(nèi)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(dǎo)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(huán)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(xù)時間成正相關(guān)。

上述規(guī)律中工程參數(shù)屬于人為可控因素，為探討地質(zhì)與水文地質(zhì)條件等客觀因素與巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)影響關(guān)系，9組熱響應(yīng)試驗(yàn)采用定工程參數(shù)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ū?）。

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

2.2 熱響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備與精度

熱響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備為北京華清榮昊新能源開發(fā)有限責(zé)任公司開發(fā)的HQ-H2型車載式淺層地?zé)崮芾?、熱響?yīng)測試儀，該設(shè)備通過中國地質(zhì)調(diào)查局認(rèn)證，技術(shù)成熟，滿足設(shè)備要求。

試驗(yàn)裝置由熱泵系統(tǒng)、電加熱器、補(bǔ)水箱、循環(huán)泵、循環(huán)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(shè)備的傳感器均選用高精度傳感器，流量計(jì)精度等級為0.2級、量程0～8 m3/h的電磁流量計(jì)，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(tǒng)整體最大測試誤差為±0.20%。

2.3 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算方法

以簡化的恒熱流穩(wěn)態(tài)線熱源理論傳熱模型計(jì)算現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)，進(jìn)行如下假設(shè)：埋管換熱器周圍巖土體為半無限大傳熱介質(zhì)，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(dǎo)（劉春雷等，2014;王婉麗等，2020）。

依據(jù)上述假設(shè)，流入與流出地埋管的水溫平均值計(jì)算式為：

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

2.4 測試計(jì)算結(jié)果

依據(jù)上述計(jì)算理論方法，采用北京艾諾申科技有限公司研發(fā)的地源熱泵勘察數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析、計(jì)算，得出各鉆孔巖土體初始地溫及綜合熱導(dǎo)率（表3）。

對進(jìn)、出水口平均水溫與初始地溫進(jìn)行相關(guān)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(jié)果可靠。

利用9組試驗(yàn)結(jié)果與魯西北黃河沖積平原其它城市現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果（表4）對比顯示，研究區(qū)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)綜合熱導(dǎo)率值在其變化區(qū)間內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

3 綜合熱導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)亦各異，黃河沖積平原第四系沉積物導(dǎo)熱系數(shù)存在黏土<粉質(zhì)黏土<粉土<粉砂<細(xì)砂<中砂<粗砂的規(guī)律，即導(dǎo)熱系數(shù)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(huán)境、組分含量、物理性質(zhì)不同，其導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)率的差異。

對區(qū)內(nèi)222件黏土、粉質(zhì)黏土、粉土原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)熱物性測試，以格羅布斯準(zhǔn)則剔除異常值后統(tǒng)計(jì)匯總分析（表5）顯示，粉土、粉質(zhì)黏土、黏土熱物理性質(zhì)平均值存在一定差異，但變化幅度較小。

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

從圖8可知，巖土體綜合熱導(dǎo)率與砂層厚度大致呈正相關(guān)性，對試驗(yàn)深度接近的6個鉆孔（LQD2、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）的綜合熱導(dǎo)率與砂層厚度值進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，獲得相關(guān)系數(shù)為0.46，為中等強(qiáng)度相關(guān)。

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(xù)性和富水性強(qiáng)、水動力條件好。研究區(qū)大部分區(qū)域位于唐元—臨清—石槽古河道帶內(nèi)，僅東南部位于道間帶，區(qū)內(nèi)砂層厚度主要受古河道控制，通過對表4數(shù)據(jù)對比，呈現(xiàn)古河道帶內(nèi)巖土體綜合熱導(dǎo)率較高的規(guī)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(dǎo)率偏高，達(dá)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(dǎo)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(xiàn)達(dá)到飽和含水率之前導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增加而增加，增加幅度逐漸變小，在達(dá)到飽和狀態(tài)后導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。

通過對各孔數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：隨地下水位埋深變淺，飽和巖土體帶范圍擴(kuò)大，巖土體綜合熱導(dǎo)率增高;反之巖土體綜合熱導(dǎo)率降低。

比如LQD08與LQD09兩孔數(shù)據(jù)對比，LQD08孔初始地溫、砂層厚度均大于LQD09孔，但LQD09孔綜合熱導(dǎo)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(shù)據(jù)對比亦呈現(xiàn)這一規(guī)律（圖10）。

對試驗(yàn)深度接近的6個鉆孔（LQD02、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）的綜合熱導(dǎo)率與地下水位埋深進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，獲得相關(guān)系數(shù)為-0.44，呈負(fù)相關(guān)性，為中等強(qiáng)度相關(guān)。

3.3 初始地溫

巖土體初始地溫是淺層地?zé)崮苜Y源勘查評價與開發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)之一，受地質(zhì)構(gòu)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(shù)影響（岳麗燕等，2018;李娟等，2018）。

研究區(qū)內(nèi)初始地溫主要受地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件影響，總體呈現(xiàn)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(guī)律（圖11），推測區(qū)內(nèi)斷裂有溝通深部熱源的作用，含水層導(dǎo)熱性能好于隔水層。

對各孔數(shù)據(jù)分析（表3），呈現(xiàn)初始地溫越高相應(yīng)的綜合換熱能力亦越高的規(guī)律，通過對孔深相近的6個鉆孔（LQD2、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）綜合熱導(dǎo)率與初始地溫進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，獲得相關(guān)系數(shù)為0.54，呈正相關(guān)性，為中等強(qiáng)度相關(guān)。

初始地溫對地埋管換熱系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地?zé)崮艽嬖趦擅嫘裕合募竟r巖土體溫度越低，進(jìn)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(yīng)，冷熱負(fù)荷迅速以水流為載體向遠(yuǎn)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?。◤埓阂坏?，2015）。

現(xiàn)今在黃河沖積平原魯西北地區(qū)淺層地下水已形成嚴(yán)重的超采降落漏斗，降落漏斗改變了區(qū)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(dǎo)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(qū)位于臨清市唐元鎮(zhèn)和城區(qū)北部兩個淺層地下水降落漏斗的影響范圍內(nèi)，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(dǎo)率亦受其變化影響。

除受區(qū)域降落漏斗影響外，局部在取水工程影響半徑范圍內(nèi)水力坡度及滲流速度增大，而引起巖土體綜合熱導(dǎo)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(dǎo)率明顯較高，分析原因?yàn)長QD02孔距工業(yè)廠區(qū)取水井20 m，且該取水井一直處于取水狀態(tài)，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(dǎo)率偏高。

綜上所述，巖土體綜合熱導(dǎo)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(jié)論

（1）在臨清市研究區(qū)采取定工程參數(shù)的方式進(jìn)行9組現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)，按線熱源理論計(jì)算的綜合熱導(dǎo)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(qū)熱響應(yīng)試驗(yàn)測試結(jié)果對比，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

（2）通過對現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)成果與淺層地?zé)崮苜x存條件對比分析，黃河沖積平原魯西北地區(qū)巖土體綜合熱導(dǎo)率與初始地溫、含水層厚度、地下水滲流速度呈正相關(guān)性，與地下水位埋深呈負(fù)相關(guān)性。

（3）在黃河沖積平原魯西北地區(qū)進(jìn)行地埋管換熱系統(tǒng)開發(fā)利用應(yīng)綜合考慮地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，優(yōu)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(qū)域。

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