關(guān)鍵詞：熱物性；淺層地?zé)崮埽粺犴憫?yīng)測(cè)試；合肥市

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，能源問題日益突顯，清潔能源的應(yīng)用越來越受到重視，淺層地?zé)崮苓@一清潔能源通過熱泵技術(shù)加以應(yīng)用已在全國(guó)范圍內(nèi)得到廣泛推廣。淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能（是指通過地源熱泵換熱技術(shù)利用的蘊(yùn)藏在地表以下200 m 以內(nèi)，溫度低于25℃的熱能）。淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用必然要查清區(qū)域內(nèi)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(shù)，包括體積熱容、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率等。

本文基于合肥市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)工作，系統(tǒng)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?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用提供測(cè)試、監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)性地質(zhì)背景資料，以及為相似地質(zhì)背景條件地區(qū)提供重要的參考資料。

1 地質(zhì)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(nèi)除大蜀山錐狀火山孤峰外，其余均以波狀平原為主。根據(jù)目前已有的勘探資料顯示，研究區(qū)內(nèi)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(yuǎn)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(zhì)泥巖、泥鈣質(zhì)粉細(xì)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(xué)類型以重碳酸型為主，富水性較弱，呈現(xiàn)出典型的紅層地區(qū)地下水特征。

2 鉆孔布設(shè)與取樣、測(cè)試

2.1 鉆孔布設(shè)

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(guān)實(shí)物工作手段緊密結(jié)合合肥市城市開發(fā)利用規(guī)劃，在系統(tǒng)收集研究區(qū)已有鉆孔資料的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shè)在地層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)不清和急需勘查的地段，地層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)代表性地段以及現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)區(qū)域性控制地段。本次工作共布設(shè)15 個(gè)勘查孔（圖2），每個(gè)勘查孔分別進(jìn)行采樣、抽水試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)等工作，采取一孔多用。本次工作同時(shí)考慮到為研究不同孔深、不同孔徑下導(dǎo)熱系數(shù)的變化，勘查孔孔深、孔徑根據(jù)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(shè)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(cè)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(nèi)200 m 以淺地層結(jié)構(gòu)特征及巖土體的熱物性參數(shù)。采樣要求每個(gè)樣品長(zhǎng)度不小于25 cm，結(jié)合地層結(jié)構(gòu)特征每10 m 采一個(gè)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(jié)構(gòu)特征。

本次工作共采取熱物理性質(zhì)巖土樣品241 組，其中松散巖類樣品61 組，半固結(jié)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(jié)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(jié)巖類樣品19 組，白堊系地層半固結(jié)巖類樣品119 組，古近系地層半固結(jié)巖類樣品42 組。對(duì)采樣品進(jìn)行了熱物理性質(zhì)測(cè)試分析，分析項(xiàng)目包括體積熱容、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率等。檢測(cè)機(jī)構(gòu)為國(guó)家教育部中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程與材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，依據(jù)ISO-CD 22007-2 瞬變平面熱源法，檢測(cè)設(shè)備為熱物性分析儀HotDisk 2500s。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)是將一定熱量加給豎直埋管，記錄響應(yīng)數(shù)據(jù)，得出巖土體換熱能力，計(jì)算換熱孔巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)，作為淺層熱溫能評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括巖土體初始溫度測(cè)試、穩(wěn)定熱流測(cè)試（大、小功率測(cè)試），用于獲取巖土體熱物性參數(shù)。

測(cè)試孔在下管、回填密實(shí)后靜置不少于48 h，測(cè)試設(shè)備安裝檢驗(yàn)完畢后進(jìn)行測(cè)試，本次研究工作現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)儀器采用北京華清集團(tuán)研制生產(chǎn)的車載HQ-2 型冷熱響應(yīng)測(cè)試儀。試驗(yàn)首先進(jìn)行無(wú)功循環(huán)法獲取地下巖土體初始溫度，測(cè)試時(shí)間不少于24 h；巖土體初始溫度測(cè)得之后進(jìn)行穩(wěn)定熱流試驗(yàn)，以獲得勘查孔綜合導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)試時(shí)間不少于48 h。

穩(wěn)定熱流試驗(yàn)按規(guī)范要求結(jié)合勘查孔深度，分大小兩個(gè)功率進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)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(jìn)行小功率測(cè)試，結(jié)束后無(wú)功循環(huán)12 h 以上以恢復(fù)地溫，再進(jìn)行大功率測(cè)試。大小功率測(cè)試結(jié)束后，對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算大小功率下勘查孔導(dǎo)熱系數(shù)，再取其算數(shù)平均值作為勘查孔的綜合導(dǎo)熱系數(shù)。

3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)分析

本次研究工作共采取巖土熱物性樣品241 組，對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法要求，結(jié)合地層時(shí)代、巖性特征、孔徑、孔深等不同要素分類統(tǒng)計(jì)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)采用算數(shù)平均或加權(quán)平均方法進(jìn)行分析，得出了巖土體不同分類統(tǒng)計(jì)下的熱物性特征，具體分析如下：

3.1.1 不同地層時(shí)代熱物性參數(shù)對(duì)比分析

對(duì)所采樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求得各地層巖性的主要熱物性參數(shù)的算數(shù)平均值（表2、圖4）。其中，第四系土樣熱導(dǎo)率范圍為1.07～2.40 W/（m·K），熱擴(kuò)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(dǎo)率范圍為1.01～3.62W/（m·K），熱擴(kuò)散率為0.30～1.80 mm2/s，體積熱容為0.94～4.10 MJ/（m3·K）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，巖土體的熱導(dǎo)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(kuò)散率平均值大小順序?yàn)椋旱谒南担?.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(shù)對(duì)比分析

對(duì)不同巖性的主要熱物性參數(shù)進(jìn)行算數(shù)平均值計(jì)算。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表3，圖5），砂土與砂巖的熱導(dǎo)率平均值較接近，黏土與泥巖的熱導(dǎo)率平均值較接近，且小于砂土與砂巖的熱導(dǎo)率平均值；砂土與砂巖的熱擴(kuò)散率平均值較接近，黏土與泥巖的熱擴(kuò)散率平均值較接近，且小于砂土與砂巖的熱擴(kuò)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(duì)于砂土略小。

3.1.3 勘查孔巖土體熱物性參數(shù)對(duì)比分析

為準(zhǔn)確厘定各勘查孔的地層結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖土體熱物性參數(shù)的影響，將每個(gè)勘查孔按不同巖性的分層厚度進(jìn)行加權(quán)賦值，再將各樣品熱物性參數(shù)與對(duì)應(yīng)層厚權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算出各勘查孔第四系土樣與巖石樣的加權(quán)平均熱物性參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出全孔地層的加權(quán)平均熱物性參數(shù)（表4，圖6）。根據(jù)表4 和圖6 對(duì)比分析，可以看出各勘查孔綜合加權(quán)平均熱物性參數(shù)均與巖石樣加權(quán)平均數(shù)較接近，且變化趨勢(shì)相同，說明研究區(qū)內(nèi)勘查孔綜合熱物性參數(shù)受地層結(jié)構(gòu)中巖體的物理性質(zhì)影響較大。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)15 個(gè)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(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，初步得出：巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)有一定的差異（表5）。

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明：研究區(qū)巖土體小功率測(cè)試條件下導(dǎo)熱系數(shù)為1.62～2.49 W/（m·K），大功率測(cè)試條件下導(dǎo)熱系數(shù)為2.16～3.18 W/（m·K），平均導(dǎo)系數(shù)變化范圍為1.99～2.84 W/（m·K）。

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)分析結(jié)果表明：埋管形式采取單U及雙U 時(shí)的勘查孔導(dǎo)熱系數(shù)不同，單U 時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)比雙U 時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)存在差異，統(tǒng)計(jì)表明侏羅系的導(dǎo)熱系數(shù)大于古近系、白堊系，而古近系、白堊系之間的導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)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(dǎo)熱系數(shù)差異很小，且不同口徑導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)規(guī)律，無(wú)論大小功率不同口徑導(dǎo)熱系數(shù)相差不大于3 %。

3.3 不同測(cè)試方法下巖土體熱導(dǎo)率對(duì)比分析

通過對(duì)各勘查孔不同測(cè)試方法的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，系統(tǒng)地研究了巖土體的熱物性特征。由圖7 可知，現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試得出的單孔綜合導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）相較室內(nèi)測(cè)試的數(shù)據(jù)偏大，但兩種方法所測(cè)數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)相同，如DRK05、DRK08、DRK10、DRK13 孔較其他勘查孔導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）均呈相同趨勢(shì)地出現(xiàn)峰值。

對(duì)于兩種測(cè)試方法下巖土體導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）的差異性，分析其原因可能是受地下水影響。實(shí)驗(yàn)室所測(cè)巖土體熱導(dǎo)率因巖土樣中水分已基本烘干較低，而現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)所測(cè)得勘查孔綜合導(dǎo)熱系數(shù)是通過記錄豎直地埋管換熱器熱交換數(shù)據(jù)計(jì)算得出，該參數(shù)的得出是將地下水與地下巖土體作為一個(gè)整體去考量，且地下水參與換熱，故所測(cè)各勘查孔綜合導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）大于實(shí)驗(yàn)室所測(cè)數(shù)據(jù)。

3.4 巖土體熱物性平面分布特征

根據(jù)表4 中各勘查孔熱物性參數(shù)的加權(quán)平均數(shù)值，采用MapGIS 6.7 軟件分別繪制出研究區(qū)內(nèi)巖土體熱導(dǎo)率平面分布圖（圖8）和體積熱容平面分布圖（圖9）。由熱導(dǎo)率平面分布圖可見，研究區(qū)內(nèi)巖土體熱導(dǎo)率由2.1 W/（m·K） 升至2.8 W/（m·K），在西北部和東南部出現(xiàn)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(nèi)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(shì)，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(jié)論

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

（2）合肥市巖土體熱導(dǎo)率由2.1 W/（m·K） 升至2.8 W/（m·K），在西北部和東南部出現(xiàn)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(xiàn)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(shì)，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(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)得埋管類型采用雙U 型時(shí)巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)要高出單U 型埋管8 %～15 %；不同的換熱孔口徑致?lián)Q熱孔導(dǎo)熱系數(shù)差異性很?。ㄐ∮? %）；相同孔深相同換熱功率條件下，不同地層時(shí)代巖土體導(dǎo)熱系數(shù)存在差異，以侏羅系地層最好。

（4）現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試得出的單孔綜合導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）相較于室內(nèi)測(cè)試的數(shù)據(jù)偏大，但兩種方法所測(cè)數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)相同；實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果受巖土體的物理性質(zhì)影響，而現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試是將地下巖土體和地下水作為一個(gè)整體去試驗(yàn)，所測(cè)數(shù)據(jù)更接近于實(shí)況。