黄河冲积平原（鲁西北）浅层岩土体综合热导率研究

白新飞 李志民 刘思亮 宋津宇 于超 宋亮 杨时骄

摘 要：现场热响应试验测试是获取换热深度内岩土体综合热导率最直接的方法，能够快速、直观的体现岩土体换热能力。通过分析研究临清市钻探获取的地质、水文地质参数，结合热响应试验成果资料，分析在一定条件下岩土体综合热导率与初始地温、含水层厚度、渗流速度、地下水位埋深等相互关系，发现综合热导率与初始地温、含水层厚度、渗流速度正相关，與地下水位埋深反相关。在黄河冲积平原（鲁西北）地埋管地源热泵系统开发利用应选择初始地温较高、含水层厚度大（古河道带）、地下水位埋深浅、地下水径流条件好的区域。

关键词：黄河冲积平原;现场热响应试验;综合热导率;鲁西北

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

浅层地热能是新型清洁能源的重要组成部分，其合理开发利用有助于优化建筑能源结构、实现节能减排、降低雾霾和热岛效应等微环境问题（吕鑫等，2018），缓解供暖能源需求矛盾，实现社会经济绿色可持续发展。鲁西北黄河冲积平原地区第四系发育厚度大，岩性以粉土、黏性土和砂类土为主，适宜采用地埋管换热系统进行浅层地热能开发利用。

地埋管换热系统设计中岩土体综合热导率是地埋管系统换热能力的直观体现，是设计的重要依据参数（刁乃仁等，2006）。现场热响应试验是获取岩土体综合热导率最常用、最直接的方法，GB 50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》亦规定采取热响应试验获取岩土体综合热物性参数。

本文以临清市研究区的9组场热响应试验数据为研究对象，通过分析试验取得的综合热导率与浅层地热能赋存条件关系，探讨了影响黄河冲积平原松散岩土体综合热导能力的有关因素。研究成果对黄河冲积平原（鲁西北）岩土体换热能力研究与地埋管换热系统开发利用靶区选择具有一定的参考意义。

1 研究区背景条件

1.1 地质背景条件

研究区位于鲁西北临清市城区，为黄河冲积平原分布区，地表被厚层第四系所覆盖，岩性主要为粉土、粉质黏土、黏土及粉、细砂，为河流冲积、堆积形成，厚度一般超过200 m，土体工程地质类型为上层黏性土多层结构（图1）。

1.2 水文地质概况

研究区水文地质单元属于鲁西北平原松散岩类水文地质区（Ⅰ）古河道带冲积平原淡水水文地质亚区（Ⅰ2）冠县—莘县古河道带孔隙水水文地质小区（范县、冠县、临清）（Ⅰ2-4）。依据地层岩性组合、含水层埋藏深度及水力性质可将研究区200 m以浅含水层划分为：潜水—浅层微承压含水层、中深层承压水含水层。

潜水—浅层微承压水含水层（组）：该含水岩组底板埋深一般大于60 m，岩性以粉砂、细砂为主，累计厚度一般大于20 m，发育规律存在自黄河古河道上游至下游，含水层颗粒由粗到细，层数由单层到多层，砂层由厚逐渐变薄，富水性由强变弱的变化规律。现状条件下，研究区内单井出水量一般小于500 m3/d（口径219 mm，5 m降深），仅在南部景福庄村一带单井出水量增加到500～1000 m3/d，矿化度为1～3 g/L。

中深层承压水含水层（组）：该含水岩组顶板和底板埋深一般为60 m和250 m，岩性主要为粉砂、细砂，累计厚度一般30～56 m，矿化度一般2～5 g/L（图2）。

1.3 地质环境

目前在临清市西南唐元镇一带和城区北部存在2个浅层地下水降落漏斗，属于冠县—莘县—临清漏斗的次级漏斗，研究区处于这2个次级降落漏斗影响范围内，地下水位埋深变化较大，据2020年3月地下水位统测数据显示，内区地下水位埋深在7.68～15.28 m之间（图3）。

1.4 浅层地温场特征

研究区200 m以浅为第四系松散堆积物，岩土体结构较简单，地温场分布特征主要受地质构造、岩性组合、含水层厚度、地下水位埋深、地下水径流等因素影响（王万顺等，2010;李腾超等，2020）。

（1）平面地温场特征

岩土体在同一深度温度变化幅度较小，不同深度温度变化趋势基本相似。如100 m深度岩土体温度值总体呈现西部和北部较高，东部和南部略低的趋势（图4）。

（2）垂向地温场特征

地温场在垂向上可划分为变温层、恒温层及增温层：如LQD01孔0～28 m为变温层，该层地温值受气温变化影响大;恒温层在28～32 m，温度基本无变化;32 m以下为增温层，该层地温值受地质与水文地質条件等因素影响，平均地温梯度2.56 ℃/100 m（图5）。

区内恒温层埋深在20～46 m之间，恒温层温度在15.32～16.22 ℃之间。增温层地温梯度为1.54～2.56 ℃/100 m（表1），总体呈现由南向北增高的趋势（图6）。

2 现场热响应试验

2.1 热响应试验工程条件参数

依据以往研究成果可知（曾和义等，2003;胡彩萍，2017;周阳等，2018），在其他工程参数相同条件下，存在以下规律：

（1）双U型比单U型钻孔内热阻小30%左右，换热能力提高7%～20%;

（2）地埋管管径De32比De25换热能力大5%左右;

（3）回填材料导热性能越好，换热能力和影响范围也越大;

（4）换热量总体上随循环流体速度增加而增大，但随着流速的增加换热量对流速的变化比率逐渐下降;

（5）地埋管换热能力与加热功率、持续时间成正相关。

上述规律中工程参数属于人为可控因素，为探讨地质与水文地质条件等客观因素与岩土体综合导热系数影响关系，9组热响应试验采用定工程参数的试验模式（表2）。

9组热响应试验时间为2020年9月中旬至2020年10月下旬，试验期间临清市气温变化幅度较小，且对测试孔与试验设备连接的管路采取隔热保温措施，防止U型管中的循环水与外界发生能量交换，因此本次热响应试验测试结果受气温变化影响小。

2.2 热响应试验设备与精度

热响应试验设备为北京华清荣昊新能源开发有限责任公司开发的HQ-H2型车载式浅层地热能冷、热响应测试仪，该设备通过中国地质调查局认证，技术成熟，满足设备要求。

试验装置由热泵系统、电加热器、补水箱、循环泵、循环管路及切换阀，冷凝器散热器、温度和流量传感器等组成。该设备的传感器均选用高精度传感器，流量计精度等级为0.2级、量程0～8 m3/h的电磁流量计，温度传感器型号：JWB/PT1000，精度A级、量程-195～420 ℃的JWB/Pt/1000/C、JWB/Pt1000/230/C铂电阻，测试系统整体最大测试误差为±0.20%。

2.3 现场热响应试验参数计算方法

以简化的恒热流稳态线热源理论传热模型计算现场热响应试验数据参数，进行如下假设：埋管换热器周围岩土体为半无限大传热介质，并且初始温度相同，热物性不随温度的变化而变化;将热交换孔看作线热源，忽略钻孔几何尺寸，并且不考虑竖直方向的热传导（刘春雷等，2014;王婉丽等，2020）。

依据上述假设，流入与流出地埋管的水温平均值计算式为：

将恒热流现场热响应测试的地埋管进、出水平均温度拟合为式（2）形式的对数曲线，求取斜率k，进一步计算得到岩土体综合热导率λ。还可根据岩土体体积比热容c计算热扩散率a，由Tf随lnt的变化曲线的截距可计算单位深度钻孔总热阻Rb。

2.4 测试计算结果

依据上述计算理论方法，采用北京艾诺申科技有限公司研发的地源热泵勘察数据分析软件进行分析、计算，得出各钻孔岩土体初始地温及综合热导率（表3）。

对进、出水口平均水温与初始地温进行相关分析，拟合公式：y =0.8344X+3.0078，R2=0.9185，R2>0.9（图7），说明测试初始地温结果可靠。

利用9组试验结果与鲁西北黄河冲积平原其它城市现场热响应试验结果（表4）对比显示，研究区现场热响应试验综合热导率值在其变化区间内，试验结果可靠。

3 综合热导率影响因素分析

3.1 岩性组合与含水层厚度

不同岩土体组成成分不同，导热系数亦各异，黄河冲积平原第四系沉积物导热系数存在黏土<粉质黏土<粉土<粉砂<细砂<中砂<粗砂的规律，即导热系数随岩土体平均粒径的增大逐渐增大。第四系松散岩类同类岩土体由于沉积环境、组分含量、物理性质不同，其导热系数亦随之变化。地表以下不同岩性的组合与分布千差万别造成岩土体综合热导率的差异。

对区内222件黏土、粉质黏土、粉土原状土样进行室内热物性测试，以格罗布斯准则剔除异常值后统计汇总分析（表5）显示，粉土、粉质黏土、黏土热物理性质平均值存在一定差异，但变化幅度较小。

9组试验孔揭露的砂层厚度占比为25.36%～52.73%，且饱水状态下的砂类土导热系数明显大于饱水状态下的粉土、黏性土，含水层厚度对岩土体综合导热系数影响较大。

从图8可知，岩土体综合热导率与砂层厚度大致呈正相关性，对试验深度接近的6个钻孔（LQD2、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）的综合热导率与砂层厚度值进行皮尔逊相关性分析，获得相关系数为0.46，为中等强度相关。

黄河多次游移改道泛滥，致使鲁西北黄河冲积平原古河道带与道间带交替展布，呈南西-北东走向。古河道带与道间带相比，砂层厚度大，连续性和富水性强、水动力条件好。研究区大部分区域位于唐元—临清—石槽古河道带内，仅东南部位于道间带，区内砂层厚度主要受古河道控制，通过对表4数据对比，呈现古河道带内岩土体综合热导率较高的规律（图9）：如LQD05、LQD07孔位于古河道砂层富集带，砂层厚度均大于50 m，综合热导率偏高，达到1.94 W·m-1·K-1和1.89 W·m-1·K-1;LQD08、LQD09孔位于古河道带外，砂层厚度约30 m，综合热导率相对偏低，均小于1.80 W·m-1·K-1。

3.2 地下水位埋深

第四系松散岩类岩土体呈现达到饱和含水率之前导热系数随含水率的增加而增加，增加幅度逐渐变小，在达到饱和状态后导热系数趋于稳定。

通过对各孔数据分析发现：随地下水位埋深变浅，饱和岩土体带范围扩大，岩土体综合热导率增高;反之岩土体综合热导率降低。

比如LQD08与LQD09两孔数据对比，LQD08孔初始地温、砂层厚度均大于LQD09孔，但LQD09孔综合热导率明显较高，分析原因正是LQD08孔地下水位埋深明显大于LQD09孔。LQD02与LQD06孔数据对比亦呈现这一规律（图10）。

对试验深度接近的6个钻孔（LQD02、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）的综合热导率与地下水位埋深进行皮尔逊相关性分析，获得相关系数为-0.44，呈负相关性，为中等强度相关。

3.3 初始地温

岩土体初始地温是浅层地热能资源勘查评价与开发应用的关键参数之一，受地质构造、地层岩性和层序、地形地貌、地下水、太阳辐射、气候条件等参数影响（岳丽燕等，2018;李娟等，2018）。

研究区内初始地温主要受地质构造和水文地质条件影响，总体呈现越靠近断裂初始地温越高，含水层厚度越大初始地温越高的规律（图11），推测区内断裂有沟通深部热源的作用，含水层导热性能好于隔水层。

对各孔数据分析（表3），呈现初始地温越高相应的综合换热能力亦越高的规律，通过对孔深相近的6个钻孔（LQD2、LQD03、LQD05、LQD06、LQD07、LQD09）综合热导率与初始地温进行皮尔逊相关性分析，获得相关系数为0.54，呈正相关性，为中等强度相关。

初始地温对地埋管换热系统开发利用浅层地热能存在两面性：夏季工况岩土体温度越低，进出口温差越大，排热量越大，有利于夏季制冷;冬季工况则相反，岩土体温度越高，埋管取热量越大，有利于冬季供暖。

3.4 地下水渗流

地下水渗流作用有利于减弱或消除地埋管换热器吸热或放热不平衡而引起的冷/热量累积效应，冷热负荷迅速以水流为载体向远处传递，渗流速度越大，换热能力越大，热影响范围则越大，反之则小（张春一等，2015）。

现今在黄河冲积平原鲁西北地区浅层地下水已形成严重的超采降落漏斗，降落漏斗改变了区域上地下水渗流方向与速度，越靠近渗流中心，水力坡度越大，渗流速度亦越大（赵琳，2015）;而中深层地下水基本未开采，水平渗流速度很缓慢。因此，黄河冲积平原鲁西北岩土体综合热导率主要受浅层地下水渗流影响，中深层地下水渗流速度轻微。研究区位于临清市唐元镇和城区北部两个浅层地下水降落漏斗的影响范围内，地下水位埋深变化较大，水力坡度及渗流速度随之变化，岩土体综合热导率亦受其变化影响。

除受区域降落漏斗影响外，局部在取水工程影响半径范围内水力坡度及渗流速度增大，而引起岩土体综合热导率变大，比如LQD01与LQD02两孔初始地温基本一致，砂层厚度和地下水位埋深相近，但LQD02综合热导率明显较高，分析原因为LQD02孔距工业厂区取水井20 m，且该取水井一直处于取水状态，造成LQD02孔附近水力坡度和渗流速度增大，致使测量的综合热导率偏高。

综上所述，岩土体综合热导率在工程条件一致时，主要受初始地温、含水层厚度、地下水位埋深及地下水渗流速度4个因素共同影响，4个因素之间亦互相影响与制约：初始地温受含水层厚度与地下水渗流速度影响;地下水位的变化影响了地下水渗流速度与饱和含水层厚度;含水层厚度影响地下水渗流面积。

4 结论

（1）在临清市研究区采取定工程参数的方式进行9组现场热响应试验，按线热源理论计算的综合热导率为1.74～1.94 W·m-1·K-1，与黄河冲积平原鲁西北其它地区热响应试验测试结果对比，试验结果可靠。

（2）通过对现场热响应试验成果与浅层地热能赋存条件对比分析，黄河冲积平原鲁西北地区岩土体综合热导率与初始地温、含水层厚度、地下水渗流速度呈正相关性，与地下水位埋深呈负相关性。

（3）在黄河冲积平原鲁西北地区进行地埋管换热系统开发利用应综合考虑地质与水文地质条件，优选初始地温较高、古河道带（含水层厚度大）、地下水位埋深浅、地下水径流条件好的区域。

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