天津地區(qū)地層熱物性特征及影響因素分析

阮傳俠，馮樹友，牟雙喜，程萬慶，趙蘇民

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083； 2.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

天津地區(qū)地層熱物性特征及影響因素分析

阮傳俠1,2，馮樹友2，牟雙喜2，程萬慶2，趙蘇民2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083； 2.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

為分析天津地區(qū)地層熱物性參數(shù)的地區(qū)分布特征和平面分布規(guī)律，布置88個勘查孔、現(xiàn)場采集1 076個巖土樣、室內(nèi)分析熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)等地層熱物性實(shí)驗(yàn)，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：天津市巖土體熱導(dǎo)率在1.26～1.70 W/(m·K)，比熱容在2 050～2 090 J/(kg·K)，熱擴(kuò)散系數(shù)在0.45×10-6～0.74×10-6m2/s。同一地區(qū)不同巖性的比熱容，黏土最大、粉砂最小，熱導(dǎo)率剛好相反，熱擴(kuò)散系數(shù)與比熱容規(guī)律相同；不同地區(qū)同一巖性的熱物性參數(shù)差別不大。天津市比熱容與熱導(dǎo)率呈現(xiàn)大致相反的趨勢，熱導(dǎo)率高值區(qū)位于薊縣、寶坻和寧河的東部、武清西部、靜海南部以及濱海新區(qū)的中部地區(qū)；比熱容高值區(qū)位于薊縣、寶坻和寧河西部、武清東部、靜海北部以及濱海新區(qū)大部分地區(qū)。

地?zé)岬刭|(zhì)；熱導(dǎo)率；比熱容；熱擴(kuò)散系數(shù)；水文地質(zhì)；地層熱物性；天津地區(qū)

E-mail:rchx12@sohu.com

天津地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷，氣候條件決定了天津夏季需要制冷，冬季需要供暖。優(yōu)越的水文地質(zhì)、基礎(chǔ)地質(zhì)條件為開發(fā)利用地源熱泵提供了基礎(chǔ)條件，因此地源熱泵在天津得到了快速發(fā)展。它是可再生能源開發(fā)利用的新方式[1～3]。地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計以地層熱物性參數(shù)為基礎(chǔ)[4～5]，如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則可能導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)[6]，給后期的應(yīng)用帶來諸多問題，因此地層熱物性參數(shù)對于地源系統(tǒng)工程設(shè)計非常重要。

2010年天津第一次開展了天津市淺層地?zé)崮苷{(diào)查工作，取得了一批天津市巖土體的熱物性參數(shù)，為天津市開發(fā)利用淺層地?zé)崮芴峁┝嘶A(chǔ)數(shù)據(jù)。孫寶成等[7]進(jìn)行了天津市淺層地?zé)崮苜Y源評價及開發(fā)利用條件分析的研究，主要開展淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)和資源評價等。于建水等[8]開展了天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益評價工作，為后期淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用提供了基礎(chǔ)依據(jù)。唐永香等[9～10]對天津地區(qū)淺層地?zé)崮苜x存條件及前景進(jìn)行了分析，并針對天津?yàn)I海新區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源評價及開發(fā)利用對策進(jìn)行了研究。劉九龍等[11]開展了專項地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程的高效利用技術(shù)研究，主要從熱泵利用效率方面開展了研究。曾梅香等[15]從地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和施工要求、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸及整理分析、監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)等方面進(jìn)行研究，為淺層地?zé)崮軇討B(tài)監(jiān)測提供依據(jù)。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，截至2016年底天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程達(dá)到306個，應(yīng)用建筑面積為933×104m2。其中地埋管地源熱泵系統(tǒng)多達(dá)231處，可見地埋管地源熱泵工程利用越來越廣泛，對巖土體熱物性特征的研究顯得尤其重要。

為了保證淺層地?zé)崮苜Y源高效、合理、可持續(xù)開發(fā)利用，在以往工作成果的基礎(chǔ)上，對天津市不同區(qū)域相同地層和同一區(qū)域不同地層的熱物性參數(shù)進(jìn)行對比分析，研究熱物性參數(shù)平面分布特征。結(jié)果表明天津市巖土體熱導(dǎo)率為1.26～1.70 W/(m·K)，比熱容為2 050～2 090 J/(kg·K)，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.45～0.74×10-6m2/s。同一地區(qū)不同巖性的比熱容，黏土最大、粉砂最小，熱導(dǎo)率剛好相反，熱擴(kuò)散系數(shù)與比熱容規(guī)律相同；不同地區(qū)同一巖性的熱物性參數(shù)差別不大，為淺層地?zé)崮芄こ淘O(shè)計提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

天津市地處華北平原東北部，環(huán)渤海的中心，東南臨渤海，北依燕山山脈，南北距離為189 km，東西距離為117 km。天津市國土面積11 946 km2，北部山區(qū)面積755 km2，南部面積11 191 km2。天津市地貌主要有山地、丘陵、平原、洼地、灘涂等，地貌特征是從薊縣北部山區(qū)向南部平原逐級下降，西面從武清區(qū)永定河沖積扇尾部向東緩緩傾斜，南面從靜?？h南運(yùn)河大堤向海河河口漸漸降低，形成北高南低、西高東低的形態(tài)。最高處為薊縣九山頂，海拔1 085.5 m，最低處為塘沽區(qū)大沽口，海拔為-2 m。

1.1地質(zhì)條件

天津市地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動控制了新生代地層的沉積。

以寧河—寶坻斷裂為界，北部為陰山緯向構(gòu)造體系，南部為以新華夏構(gòu)造體系，為一系列北北東向的隆起坳陷和構(gòu)造斷裂，自東向西的Ⅲ級構(gòu)造單元依次有黃驊坳陷、滄縣隆起、冀中坳陷和一系列北東向斷裂。北部山區(qū)受二級燕山沉降帶的控制，在薊縣山前斷裂與寧河—寶坻斷裂之間形成北部平原，為Ⅲ級構(gòu)造單元薊寶隆褶。南部為南部平原。

天津市第四系在北部山區(qū)零星分布，主要廣布于平原區(qū)，厚度由近山前不足百米向南變厚，坳陷區(qū)己超過400 m，多為沖洪積、沖積、沼、湖積和海積，形成了砂、砂性土和黏性土不規(guī)則互層，無論從平面上還是從剖面上其巖性組合較單一(表1)。

表1 天津市第四系地層巖性特征Table 1 Lithology of the Quaternary sediments in Tianjin

1.2水文地質(zhì)條件

天津市第四系孔隙水廣泛分布于廣大平原區(qū)，按埋藏條件和水文地質(zhì)特征可分為四種類型：全淡水、淺層淡水、咸水和深層淡水。根據(jù)以往的地質(zhì)、水文勘查成果，第四系孔隙水劃分為四個含水組，即第Ⅰ含水組、第Ⅱ含水組、第Ⅲ含水組和第Ⅳ含水組。各含水層特征見表2。

表2 含水組特征Table 2 Characteristics of the aquifers

1.3地溫場特征

地殼淺層地溫場在垂向上的變化特征受地層巖性、結(jié)構(gòu)、孔隙度、當(dāng)?shù)貧夂?、地下水活動等多種因素的影響。從上至下依次分為：變溫層、恒溫層和增溫帶，天津市恒溫帶深度一般在30 m左右，“恒溫帶”之上稱為“變溫帶”，“恒溫帶”之下稱為“增溫帶”，其溫度主要受地殼傳導(dǎo)熱的影響，地溫隨深度的增加而增高，不同地區(qū)具有不同的地?zé)嵩鰷芈省?/p>

不同地區(qū)地溫梯度也不同，這主要和控?zé)岬牡刭|(zhì)構(gòu)造、熱儲層結(jié)構(gòu)、巖漿和斷裂活動及水文地質(zhì)環(huán)境等有密切關(guān)系。天津市200 m以淺地層的地溫梯度值一般為1.0～4.0 ℃/100 m。選取了不同構(gòu)造區(qū)的增溫帶(200 m以淺)的地溫梯度特征值，見表3。

表3 地溫梯度分布特征值Table 3 Distribution characteristics of the geothermal gradient

2 巖土體物性特征

地層熱物性特征，主要是巖土體的熱導(dǎo)率、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)，反映了巖土體的蓄熱和導(dǎo)熱能力，是影響淺層地?zé)崮苜Y源賦存的重要影響因素，是淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用適宜性分區(qū)及資源潛力評價的重要參數(shù)。

巖土體熱物性特征主要通過實(shí)驗(yàn)室對巖土體樣品測試取得。共完成88個勘查孔，勘查孔的設(shè)計深度為120 m，直徑為110 mm，根據(jù)巖性采集巖土樣，對勘查孔進(jìn)行巖性分析，每個勘查孔采集10～12個巖土樣，每個樣品長度為25 cm，采樣間隔為10 m或者根據(jù)地層埋深進(jìn)行調(diào)整，共采集1 076個巖土樣?，F(xiàn)場按照試驗(yàn)室對巖土樣要求進(jìn)行包裝，送往實(shí)驗(yàn)室，測試其熱導(dǎo)率、比熱容以及熱擴(kuò)散系數(shù)。

2.1測試方法

巖土熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)采用微細(xì)熱探針法進(jìn)行測量。熱探針法作為一種非穩(wěn)態(tài)測量方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多孔介質(zhì)傳熱介質(zhì)研究領(lǐng)域。試驗(yàn)熱探針主體采用Φ2 mm的不銹鋼管，長度為200 mm。熱源采用Φ0.1 mm的繞制漆包康銅絲，外接WYJ-15V型恒流源保證穩(wěn)定的加熱功率。測溫傳感器采用自制的微細(xì)銅-康銅熱電偶，通過Julabo型高精度恒溫水浴標(biāo)定，測試數(shù)據(jù)通過Aglient 34970A型溫度采集儀記錄和儲存，溫度測量精度為±0.1 ℃。試驗(yàn)中，巖土熱探針的測試結(jié)果采用丙三醇和篩分干燥細(xì)砂進(jìn)行標(biāo)定，從而確定平均修正因子。經(jīng)過標(biāo)定后，巖土樣品的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)測試誤差可以控制在±2%之內(nèi)[13～14]。

比熱容采用混合法(絕熱恒容槽)，巖土體樣品溫度測量采用Φ0.05 mm銅-康銅熱電偶，標(biāo)定精度±0.1 ℃，溫度數(shù)據(jù)記錄采用HP/Agilent 34970自動采集系統(tǒng)，恒溫水浴采用德國Julabo型實(shí)驗(yàn)室級加熱/冷卻循環(huán)裝置(±0.02 ℃)。測試結(jié)果進(jìn)行修訂，修訂后的測試結(jié)果誤差在±5%之內(nèi)，滿足工程設(shè)計的需求[13～14]。

2.2巖土體物理性質(zhì)統(tǒng)計分析

按照巖土體的巖性、物理性質(zhì)分類，在數(shù)理統(tǒng)計(采取方差剔除異常值)方法進(jìn)行全孔段(120 m)的加權(quán)平均，根據(jù)勘查孔巖性資料，把天津市巖土體主要概化為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂四種，對1 076個熱物性測試成果進(jìn)行統(tǒng)計，分析巖土體熱物性參數(shù)分布規(guī)律，并且初步解釋其影響因素。

2.2.1不同地點(diǎn)同一巖性熱物性參數(shù)對比分析

依據(jù)采樣的地點(diǎn)，巖土體熱物性參數(shù)測試結(jié)果按照天津市行政區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計分析，為了直觀表示出不同地點(diǎn)、同一巖性熱物性變化，將統(tǒng)計分析的結(jié)果繪制曲線圖，見圖1。

圖1 不同地點(diǎn)同一巖性熱導(dǎo)率、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)對比分析圖Fig.1 Comparison of the thermal conductivity, specific heat and thermal diffusion coefficient of different rocks in different sities

通過對比分析圖1，能明顯看出，熱導(dǎo)率總體上呈現(xiàn)黏土>粉質(zhì)黏土>粉土>粉砂的分布特征，但是對于同一種巖性而言，不同地點(diǎn)熱導(dǎo)率變化不大，因此可以認(rèn)為熱導(dǎo)率的大小僅受地層巖性的影響而與分布的位置相關(guān)性不大。從圖1看，不同巖性、不同地區(qū)的比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)變化不大，只是因所處的區(qū)域和巖性不同存在差異，總體上呈現(xiàn)粉土>粉質(zhì)黏土>粉土>粉砂，應(yīng)更一步分析其影響因素。

2.2.2同一地點(diǎn)不同巖性熱物性參數(shù)對比分析

為了分析同一測試點(diǎn)不同巖性之間各物理性質(zhì)的差異，對薊縣、中心城區(qū)及靜?？辈榭椎膸r土體測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，分別代表天津市北部、中部和南部地區(qū)的地層物理性質(zhì)特征，見表4[15]。

通過同一地區(qū)不同巖性之間熱物性對比分析，結(jié)果表明：巖土體的熱物性參數(shù)主要受地層巖性的影響，對比熱容而言，黏土最大，粉砂最小，但是熱導(dǎo)率剛好相反，黏土最小，而粉砂最大，熱擴(kuò)散系數(shù)與熱導(dǎo)率規(guī)律相同。

2.2.3巖土體熱物性平面特征

為了直觀看出綜合熱導(dǎo)率和比熱容的平面變化趨勢，繪制平面等值線圖(圖2)。 圖2熱導(dǎo)率高值區(qū)位于薊縣、寶坻和寧河的東部、武清西部、靜海南部以及濱海新區(qū)的中部，這正好反映水文地質(zhì)條件與熱導(dǎo)率之間的聯(lián)系。熱導(dǎo)率高的地區(qū)一般都是地下水動力條件好的地區(qū)，該地區(qū)單井涌水量也比較大[16]。

天津市熱導(dǎo)率的變化規(guī)律是：東西方向上兩邊高中間低。比熱容與熱導(dǎo)率呈現(xiàn)大致相反的趨勢，比熱容的高值區(qū)主要分布在薊縣、寶坻和寧河西部、武清東部、靜海北部以及濱海新區(qū)大部分地區(qū)，低值區(qū)位于寧河、天津市區(qū)西部和津南等地。

表4 三個地區(qū)不同巖性的熱物性參數(shù)Table 4 Thermal properties of different rocks in three location

圖2 天津市巖土體熱導(dǎo)率和比熱容平面分布圖Fig.2 Plane distribution of the thermal conductivity and specific heat capacity of rock and soil in Tianjin City

3 分析與討論

巖土體熱物性參數(shù)影響因素主要是以下幾個方面：

受地層巖性的影響，同一種巖性地層熱物性參數(shù)與所處的位置關(guān)系不大(表7)。由表可知，熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律一致，熱導(dǎo)率大的巖性，熱擴(kuò)散系數(shù)也相對較大。

從平面分布規(guī)律分析(圖2)，不同地區(qū)的地層熱物性存在明顯的差異。薊縣地區(qū)熱導(dǎo)率在1.54～1.70 W/(m·K)之間，比熱容在2 030～2 070 J/(kg·K)之間，熱擴(kuò)散系數(shù)在0.52×10-6～0.74×10-6m2/s之間。中心城區(qū)熱導(dǎo)率在1.54～1.70 W/(m·K)之間，比熱容在2 030～2 070 J/(kg·K)之間，熱擴(kuò)散系數(shù)在0.52×10-6～0.74×10-6m2/s之間。靜海地區(qū)熱導(dǎo)率在1.34～1.39 W/(m·K)之間，比熱容在2 050～2 090 J/(kg·K)之間，熱擴(kuò)散系數(shù)在0.52×10-6～0.74×10-6m2/s之間。不同地區(qū)差值的區(qū)別主要受地下水徑流條件影響，在熱導(dǎo)率值相對比較的高位置，比熱容值相對較小，如熱導(dǎo)率為1.70 W/(m·K)，地區(qū)比熱容值為2 010 J/(kg·K)，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.52×10-6～0.74×10-6m2/s。

表7 熱物性參數(shù)對比表Table 7 Comparison of thermal physical properties

4 結(jié)論

(1)通過對88個勘查孔，1 076個巖土樣測試結(jié)果統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：同一地區(qū)不同巖性的比熱容，黏土最大、粉砂最小，熱導(dǎo)率剛好相反，熱擴(kuò)散系數(shù)與熱導(dǎo)率規(guī)律相同；不同地區(qū)同一巖性的熱物性參數(shù)差別不大。

(2)對比分析熱導(dǎo)率和比熱容平面分布規(guī)律，天津市比熱容與熱導(dǎo)率呈現(xiàn)大致相反的趨勢，熱導(dǎo)率高值區(qū)位于薊縣、寶坻和寧河的東部、武清西部、靜海南部以及濱海新區(qū)的中部地區(qū)；比熱容的高值區(qū)位于薊縣、寶坻和寧河西部、武清東部、靜海北部以及濱海新區(qū)大部分地區(qū)。

(3)綜合分析天津地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、第四系巖性特征以及巖土體熱物性參數(shù)，天津市適宜開發(fā)利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，適宜的地埋管埋深為100～120 m。

致謝：非常感謝天津市國土資源和房屋管理提供支撐，得以順利開展項目，采集了大量的樣品，完成實(shí)驗(yàn)室測試！

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責(zé)任編輯：張若琳

AnanalysisofthecharacteristicsofthermalphysicalpropertiesandtheirinfluencingfactorsintheTianjinarea

RUAN Chuanxia1，2, FENG Shuyou2, MOU Shuangxi2, CHENG Wanqing2, ZHAO Sumin2

(1.SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.TianjinGeothermalExplorationandDevelopmentDesigningInstitute,Tianjin300250China)

In order to analyze the regional distribution and plane distribution regulations of thermal physical parameters of the strata in the Tianjin area, the authors use 88 exploration holes, collect 1 076 soil samples, analyze thermal conductivity, specific heat and thermal diffusion coefficient of formation in the laboratory and carries out statistical analyses of the test data. The results show that the heat conductivity of rock and soil body in the Tianjin area is 1.26～1.70 W/(m·K), the specific heat capacity ranges from 2 050 to 2 090 J/(kg·K), and the thermal diffusion coefficient varies from 0.45×10-6to 0.74×10-6m2/s. The specific heat of different rocks in the same region is different: clay is the smallest and silt is the biggest. The situation is contrary for the thermal conductivity. The thermal diffusivity and the specific heat capacity are of the same changes. Difference in thermal physical parameters in different parts of the same rocks is not large. In the Tianjin region the heat capacity and the thermal conductivity are roughly in an opposite trend, i.e., the areas of high value of thermal conductivity is located in the easttern parts of Jixian, Baodi and Ninghe county, the western part of Wuqing, the southern part of Jinghai and the middle part of the Binhai new area; the areas of high value of the specific heat capacity lie mainly in the western part of Jixian, Baodi and Ninghe county, the eastern part of Wuqing, the northern part of Jinghai and the most part of the Binnhai new area.

geothermal geology; thermal conductivity; specific heat; thermal diffusion coefficient; hydrogeology; thermal physical properties; Tianjin area

P314.1

A

1000-3665(2017)05-0158-06

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.24

2016-10-10;

2016-12-08

國家自然科學(xué)基金項目(41502256)

阮傳俠(1978-)，女，碩士，高級工程師，主要從事地?zé)岷蜏\層地?zé)崮苜Y源評價，動態(tài)監(jiān)測和回灌等研究。