遼寧省主要城市淺層地溫能賦存條件及特征

朱 巍， 劉 強， 張梅桂， 何海洋

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心， 遼寧 沈陽 110034； 2. 吉林大學 環(huán)境與資源學院， 吉林 長春 130021)

淺層地溫能是一種重要的新型能源，它是地表以下一定深度范圍內(nèi)(恒溫帶至200m埋深)巖土體、地下水和地表水中溫度低于25℃并在當前經(jīng)濟技術(shù)條件下具備開發(fā)利用價值的地熱能[1]，它具有儲量大、分布廣、開發(fā)利用成本低等優(yōu)點，其開發(fā)利用主要通過地源熱泵換熱技術(shù)實現(xiàn)，全面高效的開發(fā)淺層地溫能對構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)具有重要的意義.在我國近年來，汪集暘院士等人對地熱資源開展了相關(guān)的研究，并取得了豐富的成果，目前主要集中在指導深部地熱勘探開發(fā)過程中的作用以及地下能源的利用[1-4]，地熱能源作為一種重要的清潔能源通過合理的開發(fā)利用已經(jīng)越來越多應(yīng)用到國民生產(chǎn)生活中.

遼寧省位于我國東北地區(qū)南部，是東部沿海省份，省內(nèi)主要城市包括大連、鞍山、撫順、本溪、丹東、錦州、營口、阜新、遼陽、盤錦、鐵嶺、朝陽、葫蘆島市，本文即是對這13個城市淺層地溫能進行研究.經(jīng)濟快速增長的同時節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)境保護等任務(wù)也日益加重，尤其是霧霾污染揮之不去，已經(jīng)在全國范圍內(nèi)造成嚴重影響.自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局對淺層地溫能開發(fā)利用工作十分重視，近年來在國內(nèi)主要省份組織實施了相關(guān)工作，依托詳實的現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗和巖土體樣品熱物性測試分析數(shù)據(jù)深入分析淺層地溫能的賦存特征,為有效開發(fā)利用淺層地溫能提供參考.

1 淺層地溫能賦存條件

1.1 第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)第四系地層由沖洪積、沖積、沖海積及坡洪積物組成，主要分布于下遼河平原及丘陵山區(qū)的河谷平原.沖洪積層分布于東、西兩側(cè)的山前傾斜平原，含水巖組以上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)沖洪積層為主，上部為厚5～15 m的亞砂土、亞黏土，下部為砂礫石、礫卵石層，厚度10～60 m.沖積層分布于中部平原地區(qū)，表層覆蓋厚度2～8 m的亞砂土、粉砂，中部以更新統(tǒng)沖積細砂、中粗砂為主，厚度為50～80 m，下部為中下更新統(tǒng)中細砂、含礫中粗砂及混土砂礫石層，夾亞黏土含礫，厚度50～110 m.沖海積層分布于濱海三角洲平原，厚度20～60 m，下部為細砂、中細砂混礫，夾亞黏土層，厚200～300 m.坡洪積層分布于下遼河平原山前傾斜平原沖洪積扇扇間地帶及遼北丘陵邊坡區(qū)，巖性以黏性土為主，夾砂、礫石、碎石薄層，厚度變化大，最厚可達70 m.

1.2 地質(zhì)條件

研究區(qū)地勢總體由北向南，由東西兩側(cè)的山地和丘陵向中部傾斜，丹東市、大連市、撫順市、本溪市和朝陽市、葫蘆島市、錦州市、阜新市分別位于東、西兩側(cè)的山地和丘陵，面積約占2/3，鐵嶺市、遼陽市、鞍山市、營口市、盤錦市位于中部北東向南西向展布的長方形平原，面積約占1/3，河流自東、西、北3個方向匯集南部，注入遼東灣.中朝準地臺斷裂體系和濱太平洋斷裂體系控制了區(qū)內(nèi)的基本地貌形態(tài)，使山川地勢呈北東向展布的特征非常明顯(圖1).地下水分布呈明顯的水平和垂直變化.第四系地層普遍下伏上第三系館陶組、明化鎮(zhèn)組地層，為砂礫巖、砂巖和泥巖的互層，地下水賦存運移在其中的孔隙-裂隙空間內(nèi)，形成層間承壓水.此外，南部的濱海三角洲平原廣泛分布著咸水(礦化度大于1 g·L-1).

圖1 遼寧省地勢分布

1.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型依據(jù)賦存條件和含水巖組特征，分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、基巖裂隙水.表1為各類型地下水的富水性特征. 大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源.遼東丹東市、大連市、撫順市、本溪市山區(qū)地形陡峭，溝谷狹窄，堆積物薄，滲透、儲水條件不利，補給強度較弱.遼西朝陽市、葫蘆島市、錦州市、阜新市山區(qū)地形坡度較緩，河谷寬闊，堆積物較厚，有利于降水滲入補給.遼北鐵嶺市丘陵區(qū)北緣為河谷平原，滲透條件、儲水性能比東部山區(qū)好，滲入補給較強.下遼河平原遼陽市、鞍山市、營口市、盤錦市松散堆積物厚達30～200 m，是地下水匯聚儲存的主要場所，地形平坦，有利于降水入滲補給.地下水徑流由西、北、東三面中低山丘陵區(qū)向中部下遼河平原匯聚，河谷平原是其主要通道，由平原周邊匯入中部，由北東至南西流向渤海灣.

2 淺層地溫能賦存特征

2.1 測試數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計分析

為了能夠使得現(xiàn)場測試與實驗測試數(shù)據(jù)真實可靠，客觀反映研究區(qū)巖土體的熱物理性質(zhì)，盡量減少測試誤差等因素引起的異常數(shù)值，首先需要對現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗和實驗室測試的巖土體熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)進行異常值剔除，對篩選后的數(shù)據(jù)開展進一步研究，基于上述考量，利用最小二乘擬合算法來剔除天然含水量等的異常數(shù)值，以滿足研究的實際需求，擬合方程如下：

表1 水文地質(zhì)條件特征

注：板巖、石英巖互層，火成巖、變質(zhì)巖裂隙，三大巖類的風化裂隙以泉流量計.

式中：x為時間；y為天然含水量等數(shù)值；a、b為擬合系數(shù)；i為計算過程數(shù)據(jù)個數(shù)；m為測試數(shù)據(jù)總個數(shù).方程中|(a+bxi)-yi|>h的數(shù)據(jù)即為異常點.

2.2 巖土體熱物性特征

研究區(qū)地層巖性主要包括粉質(zhì)黏土、粉細砂、礫砂、卵石、泥巖、礫巖、花崗巖等，不同巖性的結(jié)構(gòu)導致其熱物理性質(zhì)有很大差異.分析實驗室測試數(shù)據(jù)的主要熱物性參數(shù)(表2、表3、圖2)，結(jié)果顯示第四系松散巖類導熱系數(shù)的總體變化趨勢隨巖性顆粒變粗而增加，依次增加的次序為：粉質(zhì)黏土、粉細砂、礫砂.卵石顆粒不均勻?qū)е聼嵯禂?shù)小于礫砂，導熱系數(shù)偏?。豢紫抖群捅葻崛莸目傮w變化趨勢隨巖土體顆粒增大而減小，由于水的比熱容最大，因此比熱容與含水率呈正相關(guān).研究區(qū)基巖的熱物性參數(shù)變化規(guī)律與松散巖類基本一致.

表2 不同巖土體熱物性參數(shù)范圍

2.3 不同測試方法熱物性特征對比

對每個熱響應(yīng)試驗鉆孔采集熱物理性樣品室內(nèi)測試結(jié)果進行加權(quán)平均(地層厚度)計算，獲取試驗孔的地層綜合導熱系數(shù)，圖3和表4顯示了ZK01～ZK14鉆孔樣品室內(nèi)測試與野外現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗測試的結(jié)果對比.通過對比可知，實驗室測試的導熱系數(shù)比原位熱響應(yīng)試驗測試的結(jié)果低.分析其原因主要是由于巖土體的熱物性參數(shù)不但與巖土體的巖性、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)(含水率、孔隙度)等密切相關(guān)，還與巖土體自身所處的環(huán)境包括所處地層深度的壓力、溫度等有關(guān)，不同的外界環(huán)境導致了不同熱物性參數(shù)的存在.

圖2 不同巖土體主要熱物性參數(shù)對比

圖3 不同方法測試鉆孔綜合導熱(熱導率)系數(shù)對比

Fig.3Comparisonofcomprehensivethermalconductivity(thermalconductivity)ofboreholetestedbydifferentmethods

表4熱物性參數(shù)室內(nèi)測試加權(quán)平均計算結(jié)果與現(xiàn)場熱

響應(yīng)試驗3kw、6kw測試結(jié)果對比

Tab.4Weightedaveragecalculationresultsofthermalpropertyparametersarecomparedwiththoseofthermalresponsetests

城市導熱系數(shù)/(W·(m·K)-1)室內(nèi)測試加熱功率3kw加熱功率4kw加熱功率6kw大連2.082.172.29丹東1.782.733.32本溪1.741.992.78撫順2.003.403.49鐵嶺1.412.512.50遼陽1.332.352.63鞍山1.341.722.03營口1.531.631.72盤錦1.681.761.82朝陽0.932.082.26葫蘆島2.092.012.00錦州1.422.462.61阜新1.002.292.31

2.4 巖土體熱物性參數(shù)分布特征

2.4.1地層導熱系數(shù)特征

研究區(qū)導熱系數(shù)高值區(qū)位于東、西兩側(cè)的基巖山區(qū)及山前基巖埋藏較淺的地區(qū)，中部下遼河平原地區(qū)的導熱系數(shù)總體低于兩側(cè)的基巖山區(qū).基巖山區(qū)的地層巖性風化程度低，地層中花崗巖較多，花崗巖導熱系數(shù)為研究區(qū)所涉及巖土體中最大，因此形成導熱系數(shù)高值區(qū).山前地區(qū)由于基巖埋藏較淺，因而導熱系數(shù)相對也較大.下遼河平原南部的導熱系數(shù)高于平原北部地區(qū).下遼河平原內(nèi)分布有渾河、太子河沖洪積扇地，地層以細砂、粗砂為主，北部地區(qū)河流階地上，地層以黏土、粉質(zhì)黏土及泥巖為主.根據(jù)前面研究成果，細砂、粗砂的導熱系數(shù)明顯高于黏土、粉質(zhì)黏土及泥巖，因而在南部形成高值區(qū).

2.4.2地層比熱容特征

區(qū)內(nèi)地層比熱容呈現(xiàn)出與導熱系數(shù)相反的規(guī)律.東、西部山區(qū)比熱容明顯小于平原區(qū).在東、西部基巖山區(qū)，地層中多含花崗巖，花崗巖的比熱容在所測試的巖土體中最小，因此形成比熱容低值區(qū).由東西兩側(cè)山區(qū)向平原區(qū)過渡，比熱容逐漸增大.下遼河平原地區(qū)比熱容均比較高，其北部地層以黏性土和泥巖為主，由于黏性土及泥巖的比熱容較高，因而形成高值區(qū)；平原中部和南部地層以砂為主，雖然砂的比熱容低于黏性土，但是由于南部地層富水性好，水的比熱容較大，因而區(qū)內(nèi)的比熱容大.

2.5 地層熱響應(yīng)特征

地層熱響應(yīng)特征包括地層初始平均地溫、巖土體平均導熱系數(shù)、地溫恢復特征，其獲取方法通過現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，結(jié)合規(guī)范的要求和進行熱響應(yīng)試驗的實際工作需要，研究采用的是恒定熱流試驗測試法計算巖土體熱參數(shù).恒定熱流法是我國地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)標準(GB 50366—2009)推薦的方法.計算熱物性參數(shù)的依據(jù)是線熱源模型，試驗過程采用電加熱地埋管換熱器對地下巖土持續(xù)釋放恒定熱量，持續(xù)時間大于48 h，通過記錄各時刻盤管的進出口水溫獲得循環(huán)水平均溫度的變化過程，再利用數(shù)學模型反演得巖體體熱物性參數(shù).

試驗可以獲得初始地溫、單位深度換熱量、鉆孔綜合熱導率、熱擴散系數(shù)等，過程分為無功循環(huán)、加熱試驗、地溫恢復3個階段[3-6]，加熱試驗分為大功率6KW和小功率3KW兩部分，鉆孔深度為100 m，試驗采用雙U管，回填材料為中粗砂[7-9].

地層初始平均地溫是自然條件下溫度，研究采用無功循環(huán)的方式獲取地層初始平均地溫,如葫蘆島市1號鉆孔2014年9月22和23日測試數(shù)據(jù)，如表5、圖4、圖5.無功循環(huán)法(地埋管水溫平衡法)的原理是當埋管內(nèi)的水與巖土體的溫度達到平衡時通過水泵循環(huán)泵出地埋管換熱器內(nèi)的水，同時監(jiān)測水溫的變化，從而分析巖土體的溫度.在不向地埋管換熱器加載冷、熱量的情況下，使水在地埋管內(nèi)形成循環(huán)，在循環(huán)水的溫度達到穩(wěn)定時，此時循環(huán)水與巖土體達到熱平衡[10-18]，該溫度即為巖土體初始平均溫度.

表5 研究區(qū)各城市地層初始地溫一覽

分析測試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)如下特征：① 初始地溫范圍為10.80～15.80℃；② 高值區(qū)在研究區(qū)東、西部的基巖及山前地帶，其第四系薄，地層巖性多含花崗巖或以其為主，因為花崗巖的導熱系數(shù)比其他巖土體大；③ 在第四系松散巖類區(qū)中，由于巖體的導熱系數(shù)與地溫呈正相關(guān)，因此地層巖性以中粗砂為主的地區(qū)地溫值高于黏性土為主的地區(qū).

圖4 進出水溫度變化曲線

圖5 地層平均溫度變化曲線

巖土體的平均導熱系數(shù)通過現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗的穩(wěn)定熱流模擬(大、小2種功率)獲取，模擬通過試驗臺向地埋管換熱器提供恒定熱流，監(jiān)測地埋管換熱器的進、出水溫度變化和流量數(shù)據(jù)[15-19].

歐美國家對地埋管換熱器的基礎(chǔ)理論研究開始較早，1948年，Ingersoll[15]首先提出了至今仍在廣泛應(yīng)用的線熱源理論，隨后Carslaw和Jaeger提出了一種改進了的線熱源理論——圓柱熱源理論，這2種模型都是利用解析法求解無限大介質(zhì)中的無限長熱源的熱傳導問題.V.C.Mei等人提出了基于三維瞬態(tài)遠邊界的傳熱模型，將系統(tǒng)分為運行、停止2個狀態(tài)分別建立能量方程.在工程應(yīng)用中，開發(fā)了各種計算工具，Spitler于2000年開發(fā)了已應(yīng)用于商業(yè)建筑埋管換熱器設(shè)計的Glheprom軟件；Hellstrom分別于1995、2001年開發(fā)了Dst for Trnsysw和EED軟件，在不考慮滲流作用情況下進行地埋管換熱器的設(shè)計；同樣，對于地下水流動很微弱的地區(qū)，國際地源熱泵協(xié)會(IGSHPA)推薦采用IGSHPA法，該方法的設(shè)計、模擬基于無限長線熱源模型展開.

2.5.1基于IGSHPA線熱源模型的巖土體熱物性分析

研究引進IGSHPA線熱源模型作為地埋管換熱器計算的基礎(chǔ)，該模型將鉆孔內(nèi)外土壤視為整體，忽略回填材料和土壤的差異，將埋管換熱器看作具有一個當量直徑的單根線熱源，通過解一維瞬態(tài)熱傳導問題來確定在線源徑向某一平面位置上的地層溫度.利用分析試驗數(shù)據(jù)計算得到導熱系數(shù)，該模型為解決豎埋管間的熱干擾提供了基礎(chǔ).模型方程為

(1)

式中：Tf為隨時間變化的地埋管換熱器進出水平均溫度，℃；t為測試時間；Q為單位延米地埋管換熱孔換熱量，W·m-1；α為巖土體熱擴散系數(shù)，m2·s-1，α=λ/c，其中c為土壤體積比熱容；λ為巖土體導熱系數(shù)，W·(m·K)-1；H為有效孔深，m；rb為鉆孔半徑，m；γ為歐拉系數(shù)，0.577 2；Rb為鉆孔內(nèi)熱阻，m·K·W-1；T0為地層初始溫度，℃；

線熱源模型可簡化為

Tf=k·ln(t)+b

(2)

(3)

式中：k為地埋管進、出口水溫與時間對數(shù)擬合曲線的斜率.鉆孔熱阻為Rb，見式(4)：

(4)

式中：m為Tf隨lnt變化曲線的截距；r為鉆孔半徑.

通過對數(shù)擬合曲線擬合時的擬合優(yōu)度(R2)驗證，計算結(jié)果符合規(guī)范.各城市地埋管換熱器進出水平均溫度及對數(shù)擬合成果如圖6，細線為對數(shù)曲線，即擬合曲線，曲線的數(shù)據(jù)基于野外實驗數(shù)據(jù)，曲線越趨于平緩越說明擬合的效果好.IGSHPA線熱源模型計算結(jié)果見表6、表7.

通過分析研究結(jié)果，可以對區(qū)內(nèi)地層的巖土熱物理性質(zhì)有如下認識：①研究區(qū)100 m內(nèi)地層的導熱系數(shù)為1.68～3.44 W·(m·K)-1.②區(qū)內(nèi)東西兩側(cè)山前地區(qū)的導熱系數(shù)值較高，說明該區(qū)地層的換熱能力較強.③在鉆孔孔徑相同的情況下，導熱系數(shù)變化情況由大到小為花崗巖、砂、黏性土，這個變化與室內(nèi)試驗測得的巖土體熱導率特征的變化一致.鉆孔孔徑不同對測試結(jié)果也有影響.在同為黏性土和中粗砂地區(qū)，鉆孔孔徑大時測得的地層導熱系數(shù)均比同種巖性的大.

a 大連市鉆孔穩(wěn)定熱流(4 kW)

b 大連市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

c 丹東市鉆孔穩(wěn)定熱流(3 kW)

d 丹東市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

e 本溪市鉆孔穩(wěn)定熱流(4 kW)

f 本溪市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

g 撫順市鉆孔穩(wěn)定熱流(3 kW)

h 撫順市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

i 鐵嶺市鉆孔穩(wěn)定熱流(3 kW)

j 鐵嶺市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

k 遼陽市鉆孔穩(wěn)定熱流(3 kW)

l 遼陽市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

m 鞍山市鉆孔穩(wěn)定熱流(3 kW)

n 鞍山市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

o 營口市鉆孔穩(wěn)定熱流(4 kW)

p 營口市鉆孔穩(wěn)定熱流(6 kW)

城市初溫/℃測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果/(W·(m·K)-1)3 kW4 kW6 kW平均值大連市14.02.172.292.23丹東市13.22.733.323.03本溪市11.31.992.782.39撫順市11.53.403.493.44鐵嶺市12.92.512.502.51遼陽市12.42.352.632.49鞍山市12.71.722.031.87營口市12.41.631.721.68盤錦市12.11.761.821.79朝陽市12.22.082.262.17葫蘆島市13.92.012.002.00錦州市10.82.462.612.54阜新市11.82.292.312.30

2.5.2基于Ingersoll圓柱熱源模型的巖土體熱物性分析

為了研究不同鉆孔直徑對巖土體熱物理性質(zhì)的影響，在線源模型的基礎(chǔ)上引入圓柱源模型.圓柱熱源模型就是將鉆孔包括埋管和回填材料看作土壤中的均勻圓柱狀熱源，并假設(shè)鉆孔孔壁處有一恒定熱流，在這一模型中，以鉆孔壁為界，考慮了鉆孔回填部分和大地土壤存在的差異.

圓柱源理論本質(zhì)上基于線源模型，是線熱源理論的一種延伸，該模型將U型埋管用當量直徑等價為一根圓管.圓柱熱源理論分析的主要目的在于確定土壤溫度與熱交換井井壁溫度之間的溫差ΔTg，Ingersoll 等[20]在 Carslaw 和 Jaeger 工作基礎(chǔ)上導出了無限大各向同性介質(zhì)內(nèi)嵌入的圓柱熱源非穩(wěn)定傳熱溫差方程如式(5)：

(5)

式中:Tg為土壤溫度；Tw為熱交換井井壁溫度；Qe為單位延米地埋管換熱孔換熱量；p為地下巖土計算點半徑與鉆井半徑的比值；F0為傅立葉數(shù)，定義為

(6)

(7)

式中：ks為巖土平均導熱系統(tǒng)，W·(m·k)-1；ρs為巖土平均密度，kg·m-3；cs為巖土平均比熱.

表7 大、小功率下現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗熱物性參數(shù)計算一覽

通過函數(shù)迭代，可以得到埋管流體平均溫度Tf(t)的計算公式為

Tf(t)=qλ-1×

10[-0.891 29+0.360 8lg F0-0.055 08lg F0+3.596×10-1lg3F0]+

qRb+T0

(8)

式中：T(r,t)為t時刻半徑r處的巖土溫度，℃；q為單位長度圓柱熱源的熱流強度，W·m-1；T0為巖土初始溫度，℃；λ為巖土平均導熱系數(shù)，W·(m·K)-1；Rb為鉆孔總熱阻，K·m.

分別以 80 mm、120 mm、160 mm、200 mm、240 mm 為鉆孔直徑進行圓柱熱源非穩(wěn)定傳熱溫差方程計算，根據(jù)計算結(jié)果可以得到如圖7、8所示鉆孔直徑對導熱系數(shù)和熱阻的影響曲線.從圖中可以看出，隨鉆孔直徑的增加，鉆孔導熱系數(shù)減少，鉆孔熱阻明顯增加，因而在進行地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)當盡量采用較小的鉆孔直徑，尤其在回填材料的導熱系數(shù)較低的情況下，更要注意鉆孔直徑的影響.

2.6 地溫恢復特征

在地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行時，由于不斷地向地下注入或提取熱量，會使地溫場發(fā)生改變，當系統(tǒng)停止運行后，地溫場存在一個恢復期，但在不同的地質(zhì)條件下地溫恢復的能力是不同的.地溫恢復能力可以通過熱響應(yīng)大小功率試驗結(jié)束后的空載數(shù)據(jù)來判定[18-22].選擇4個不同地層巖性下的熱響應(yīng)試驗孔的地溫恢復數(shù)據(jù)來反映其地溫的恢復能力.恢復數(shù)據(jù)采用大小功率之間的恢復期的數(shù)據(jù).地層地溫恢復能力詳見表8及圖9.通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計、對比分析及對恢復數(shù)據(jù)曲線進行線性回歸分析，綜合得出以下結(jié)論：

圖7 鉆孔直徑對導熱系數(shù)的影響

圖8 鉆孔直徑對熱阻的影響

(1) 地溫場的恢復能力與地層的熱導率、比熱容等熱物性參數(shù)有直接的關(guān)系.

(2) 以恢復距初始地溫差距最小作為地層恢復能力的標準，地溫恢復能力大小次序為花崗巖、中粗砂、黏性土，這與地溫恢復曲線斜率的絕對值呈現(xiàn)相反的規(guī)律，說明地溫恢復快的地層，地溫恢復曲線的斜率小.

(3) 以與初始地溫差1.0°作為地溫恢復的標準，在熱響應(yīng)試驗大小功率之間的恢復期，以黏性土為主的地層恢復期需要5 d(根據(jù)線性回歸公式推算)；而中粗砂為主的地層恢復期為3 d.

(4) 以與初始地溫差0.5°作為地溫恢復的標準，在熱響應(yīng)試驗大小功率之間的恢復期，以黏性土為主的地層恢復期需要15 d(根據(jù)線性回歸公式推算)，而中粗砂為主的地層恢復期為7 d.

表8 不同地質(zhì)條件地溫恢復參數(shù)對比

a zk02

b zk05

c zk08

d zk13

3 結(jié)論

為了得到天然含水條件下巖土體的熱導率與含水量、孔隙度等的關(guān)系曲線，研究采用了最小二乘法剔除了個別異常值.研究重視數(shù)據(jù)的選擇、巖性和粒度級配對天然條件下熱物性參數(shù)的影響，研究導熱系數(shù)變化規(guī)律.通過數(shù)理分析、模型構(gòu)造、正反演擬合等多種方法分析了熱物性參數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 第四系松散巖類導熱系數(shù)由小到大排序為：黏土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、中砂、粗砂、礫砂，位于0.91～1.85 W·(m·K)-1范圍內(nèi).卵石的導熱系數(shù)平均值為1.40 W·(m·K)-1，低于礫砂，主要是由于卵石顆粒很不均勻，因此會對熱導率有影響.導熱系數(shù)隨巖性顆粒變粗而增加，但孔隙度和比熱容呈相反規(guī)律.基巖的熱物性參數(shù)變化與松散巖類一致，導熱系數(shù)由小到大排序為：泥巖、砂巖、砂礫巖、花崗巖，位于1.19～2.82 W·(m·K)-1范圍內(nèi).

研究區(qū)地層平均導熱系數(shù)為1.68～3.44 W·(m·K)-1，高值區(qū)位于基巖山區(qū).通過對比分析，實驗室測試的導熱系數(shù)比原位熱響應(yīng)試驗測試的結(jié)果低，主要是由于巖土體的熱物性參數(shù)與其所處地層深度的壓力、溫度等有關(guān)，不同的外界環(huán)境導致了其熱物性參數(shù)的差異.原位試驗的地層初始地溫顯示，其范圍為10.80～15.80℃，高值區(qū)出現(xiàn)在東、西部的基巖及山前地帶，巖性直接影響地溫分布，主要影響因素為熱導率.

(2) 在天然含水率條件下，巖土體的導熱系數(shù)隨含水率、密度、孔隙比的變化規(guī)律趨勢明顯：隨含水量的增大熱導率逐漸減小，隨密度的增加熱導率增大，隨孔隙度的增加熱導率逐漸降低.巖土體綜合含水量在25%左右熱導率最佳.

鉆孔直徑的變化對地層導熱系數(shù)會產(chǎn)生影響，隨鉆孔直徑的增加，鉆孔導熱系數(shù)減少，鉆孔熱阻明顯增加，因而在進行地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)盡量采用較小的鉆孔直徑，尤其當回填材料的導熱系數(shù)較低時.

(3) 與初始地溫相差1.0°作為地溫恢復的標準，黏性土層恢復期為5 d，中粗砂地層恢復期為3 d；以與初始地溫差0.5°作為地溫恢復的標準，黏性土地層恢復期為15 d，中粗砂地層恢復期為7 d.

致謝：本論文得到自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局的“大連海岸帶陸海統(tǒng)籌綜合地質(zhì)調(diào)查(DD20189504)”和“遼寧省主要城市淺層地溫能開發(fā)區(qū)1：5萬水文地質(zhì)調(diào)查(12120114086501-25)”的項目聯(lián)合支持，特致謝！