通遼市科爾沁區(qū)松散土層埋藏深度和含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響趨勢(shì)研究

[關(guān)鍵詞] 通遼市；松散土層；導(dǎo)熱系數(shù)

當(dāng)前，全球新一輪能源革命和科技革命方興未艾，大力發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化的重大戰(zhàn)略方向和一致宏大行動(dòng)，國(guó)家在“十四五”期間將全面推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)，重點(diǎn)在具有供暖制冷雙需求的華北平原、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶等地區(qū)，優(yōu)先發(fā)展土壤源熱泵，積極發(fā)展再生水源熱泵。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，地源熱泵技術(shù)在北美和歐洲已經(jīng)非常成熟，是一種廣泛采用的供熱空調(diào)系統(tǒng)，有一整套標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范計(jì)算方法和施工工藝[1-3]。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)地源熱泵技術(shù)的研究更加深入，形成了產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合利用淺層地溫能的局面，地源熱泵機(jī)組在近幾年開(kāi)始大量應(yīng)用于工程實(shí)踐。土壤的導(dǎo)熱系數(shù)是反映溫度不均勻的物體中溫度均勻化速度的物理量，可表示為與溫度、密度、孔隙率、飽和度和含水率相關(guān)的函數(shù)，研究導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，可為淺層地溫能實(shí)踐提供指導(dǎo)[4]。本文分析研究資料依托2019～2020年在通遼市實(shí)施的淺層地溫能勘查項(xiàng)目。

1. 研究區(qū)概況

1.1研究區(qū)交通位置

通遼市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、松遼平原西端，研究區(qū)位于通遼市中南部，范圍涵蓋通遼市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、科爾沁區(qū)和科爾沁左翼后旗的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積約500km2，交通便利，有國(guó)道G303、G304、省道S111和高速公路G45和G2511縱貫工作區(qū)。

1.2地形地貌

研究區(qū)位于西遼河平原的中部，是西遼河沖積平原的一部分?？v觀全區(qū)地勢(shì)為西高東低。地形平坦開(kāi)闊，高程一般為170～184 m。由西向東緩慢傾斜。坡降為1‰～2‰。工作區(qū)地貌形態(tài)較為簡(jiǎn)單，地貌成因以堆積作用為主，按形態(tài)類(lèi)型分為河谷（Ⅰ）、平原（Ⅱ）和沙丘（Ⅲ）。研究區(qū)內(nèi)沖積平原分布面積占90%以上。

1.3氣象

研究區(qū)屬中溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候，春季干燥多風(fēng)、夏季濕熱多雨、秋季涼爽、冬季嚴(yán)寒少雪。多年平均降水量368 ㎜，多年平均蒸發(fā)量1690 ㎜，年平均氣溫5℃～7.5℃，凍結(jié)期由11月至翌年4月，無(wú)霜期140～280 d，全年以北風(fēng)及西北風(fēng)為主，年平均風(fēng)速3.6 m/s。

1.4水文

研究區(qū)位于西遼河水系，有河流三條。為西遼河及其支流清河和洪河?？茽柷邊^(qū)境內(nèi)原有天然地表水體46個(gè)，集水面積2.4 km2，近年來(lái)地下水大量開(kāi)采，自然水體已全部消失，地表水的利用量及入滲量均已不復(fù)存在。所有用水開(kāi)采地下水。

1.5地層

研究區(qū)自上向下200 m深度范圍內(nèi)地層分別為第四系全新統(tǒng)沖積層（Qhal）、風(fēng)積層（Qheol）、第四系上更新統(tǒng)顧?quán)l(xiāng)屯組（Qp3gal）、中更新統(tǒng)大青溝組（Qp2dal）和下更新統(tǒng)白土山組（Qp1bfgl）。全新統(tǒng)沖積層巖性為漫灘相粉土、粉質(zhì)黏土，黃褐色，灰褐色，河床相粉砂、細(xì)砂，淺黃、黃白色，厚度1.7～8.9 m；風(fēng)積層覆蓋在沖積平原之上，巖性為淺黃、灰黃、棕黃色粉砂、細(xì)砂，厚度0～8.0 m；顧?quán)l(xiāng)屯組粉土呈灰褐色、灰黃色，具垂直節(jié)理，厚度0～28.05 m；大青溝組地層巖性為淤泥質(zhì)細(xì)粉砂、粉砂、細(xì)砂、中粗砂，厚度85～121 m；白土山組地層為一套灰、灰白、灰綠、黃褐、黃灰色粗顆粒的冰水沉積層，巖性為卵石、卵礫石、砂卵石、粗中砂、中細(xì)砂夾礫石及含高嶺土的砂礫石，埋藏于118.4～154.28 m以下。

1.6社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況

通遼市是內(nèi)蒙古自治區(qū)地級(jí)市，是國(guó)家實(shí)施“一帶一路”和內(nèi)蒙古自治區(qū)推進(jìn)向北開(kāi)放的重要戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)。2022年，通遼實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值1561.76億元，按不變價(jià)格計(jì)算，比上年增長(zhǎng)3.0%，2021 年，全市完成地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）1411.44億元，按不變價(jià)格計(jì)算，比上年增長(zhǎng)4.0%，其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值333億元，增長(zhǎng)3.4%，第二產(chǎn)業(yè)增加值450 億元，增長(zhǎng)0.1%，第三產(chǎn)業(yè)增加值628 億元，增長(zhǎng)6.3%，三次產(chǎn)業(yè)比例為23.6∶31.9∶44.5，人均地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到49346元，比上年增長(zhǎng)4.9%。

2021年，通遼市500萬(wàn)元及以上固定資產(chǎn)投資比上年下降17.7%，按照產(chǎn)業(yè)目錄區(qū)分，第一產(chǎn)業(yè)投資占比8%，第二產(chǎn)業(yè)投資占比41%，第三產(chǎn)業(yè)投資占比51%。2021年通遼市公共財(cái)政預(yù)算收入完成88億元，比上年同期增加11.45億元，增長(zhǎng)14.9%，其中，稅收收入完成58.55億元，增長(zhǎng)7.0%，非稅收收入完成29.39億元，增長(zhǎng)35.2%，全市公共財(cái)政預(yù)算支出376.35億元。

2. 采樣及分析方法

2.1采樣

2019～2020年實(shí)施了“內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市淺層地溫能勘查”項(xiàng)目，主要完成了抽水及回灌孔鉆探680 m（4孔），熱響應(yīng)試驗(yàn)孔1260 m（14孔），在施工的熱響應(yīng)試驗(yàn)孔中采集土壤測(cè)試樣322組[5]，土樣巖性為粉砂、細(xì)砂、中砂和粗砂等砂性土，同時(shí)還有黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土等黏性土，黏性土取原狀樣。

采集土樣依據(jù)《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ89—92）。樣品直接從鉆孔、巖芯中采取，為保證取樣質(zhì)量，在地下水位以上，采用干法鉆進(jìn)，不注水未使用沖洗液，在飽和軟黏性土，粉土、砂土中鉆進(jìn)，采用泥漿護(hù)壁，采用套管時(shí)先鉆進(jìn)后跟進(jìn)套管，套管的下設(shè)深度與取樣位置之間保留三倍孔徑的距離。取樣要求采用圓筒鐵皮，樣品的長(zhǎng)度不小于20 cm，直徑為勘查孔取樣的巖芯直徑，兩頭用專(zhuān)用的蓋封好，膠帶封好，貼上標(biāo)簽，標(biāo)明取樣的深度、日期、測(cè)試項(xiàng)目等，單組樣品取樣質(zhì)量不小于2.5 kg，密封土樣置于溫度及濕度變化小的環(huán)境，避免暴曬和冰凍，所取土樣在一周內(nèi)送達(dá)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)輸樣品采用專(zhuān)用土樣箱包裝，樣品之間用柔軟緩沖材料填實(shí)。檢測(cè)單位為具有MA檢測(cè)資質(zhì)的山東省魯南地質(zhì)工程勘察院。

2.2分析方法

土樣進(jìn)行常規(guī)物理性測(cè)試和熱物性測(cè)試，測(cè)試的理論與操作依據(jù)主要包括《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）等。常規(guī)物理性測(cè)試指標(biāo)有含水率、密度、孔隙度、比重，熱物性測(cè)試指標(biāo)包括比熱容、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率[6-7]。土樣顆粒顯微特征采用光學(xué)體視顯微鏡法（放大倍數(shù)為30～100），自然密度采用環(huán)刀法（電子天平0.01g、環(huán)刀、密度計(jì)等），比重采用標(biāo)準(zhǔn)比重瓶法，含水率采用標(biāo)準(zhǔn)烘干法（電子天平0.1 mg，標(biāo)準(zhǔn)干燥箱105℃等），導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散率采用基于恒熱流探針（Φ1.5～2.0 mm，不銹鋼，純銅粉）的非穩(wěn)態(tài)傳熱方法（熱工實(shí)驗(yàn)臺(tái)）。溫度數(shù)據(jù)記錄采用HP/Agilent 34970自動(dòng)采集系統(tǒng)，恒溫水浴采用德國(guó)Julabo型實(shí)驗(yàn)室級(jí)加熱/冷卻循環(huán)裝置（±0.2℃）。

3. 分析研究

3.1導(dǎo)熱系數(shù)隨地層埋藏深度變化規(guī)律

根據(jù)各樣品的熱物性參數(shù)檢測(cè)結(jié)果，選擇不同種類(lèi)具有代表性的樣品分析其導(dǎo)熱系數(shù)隨土體埋藏深度的變化關(guān)系。

分別選取了研究區(qū)內(nèi)RK01、RS01和RK06三個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔中細(xì)砂土樣的熱物性參數(shù)，見(jiàn)表1，分析各樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨取樣深度的變化關(guān)系，見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1可知，研究區(qū)內(nèi)細(xì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)隨取樣深度的增加而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

分別選取了研究區(qū)內(nèi)RK01、RK02和RK03三個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔中粉砂土樣的熱物性參數(shù)，見(jiàn)表2，分析各樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨取樣深度的變化關(guān)系，見(jiàn)圖2。

根據(jù)圖2可知，研究區(qū)內(nèi)粉砂的導(dǎo)熱系數(shù)隨取樣深度的增加而呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。

分別選取研究區(qū)內(nèi)RK08、RS01和RK14三個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔中粉砂土樣的熱物性參數(shù)，見(jiàn)表3，分析各樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨取樣深度的變化關(guān)系，見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖3可知，研究區(qū)內(nèi)（粉質(zhì)）黏土的導(dǎo)熱系數(shù)隨取樣深度的增加而呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。

綜上所述，通遼地區(qū)第四系松散土層導(dǎo)熱系數(shù)隨其埋深的增大而增大，究其原因，埋深不同，上覆總應(yīng)力不同，有效應(yīng)力不同，固結(jié)度也有差異，而固結(jié)度高的地層中單位體積內(nèi)固體物質(zhì)占比較高，而固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的導(dǎo)熱系數(shù)大于氣體，固結(jié)度高的土層導(dǎo)熱系數(shù)較固結(jié)度低的土層大。

3.2導(dǎo)熱系數(shù)隨地層含水量變化規(guī)律

分別選取研究區(qū)內(nèi)RK01、RS01和RK06三個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔中細(xì)砂土樣的熱物性參數(shù)，見(jiàn)表4，分析各樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的變化關(guān)系，見(jiàn)圖4。

根據(jù)圖4，RS01孔中細(xì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增大而逐漸增大，RS02 孔中細(xì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)在含水率小于11.43% 時(shí)，隨含水率的增大而逐漸減少，當(dāng)含水率大于11.43%時(shí)，隨含水率的增大而逐漸增大。

分別選取研究區(qū)內(nèi)RK01、RK12和RK11三個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔中粉砂土樣的熱物性參數(shù)，見(jiàn)表5，分析各樣品導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的變化關(guān)系，見(jiàn)圖5。

根據(jù)圖5可知，RK01孔中粉砂的導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增大而逐漸減少，RK11孔中粉砂的導(dǎo)熱系數(shù)在含水率小于18.70% 時(shí)，隨含水率增大而逐漸增大，當(dāng)含水率大于18.70%時(shí)，隨含水率增大而逐漸減少。RK12孔中粉砂的導(dǎo)熱系數(shù)在含水率小于14.70%時(shí)，隨含水率增大而逐漸增大，當(dāng)含水率大于14.70% 時(shí)，隨含水率增大而逐漸減少。

分別選取研究區(qū)內(nèi)RK04、RK05和RK10三個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔中中砂土樣的熱物性參數(shù)，見(jiàn)表6，分析導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的變化關(guān)系，見(jiàn)圖6。

根據(jù)圖6可知，RK04孔中中砂的導(dǎo)熱系數(shù)在含水率小于14.80%時(shí)，隨含水率增大而逐漸減少，當(dāng)含水率介于14.80%～16.6%時(shí)，隨含水率增大而逐漸增大，當(dāng)含水率大于16.60%時(shí)，隨含水率增大而逐漸減少。RK05孔中中砂的導(dǎo)熱系數(shù)在含水率小于15.50%時(shí)，隨含水率增大而逐漸減少，當(dāng)含水率大于15.50%時(shí)，隨含水率增大而逐漸增大。RK10孔中中砂的導(dǎo)熱系數(shù)在含水率小于18.30%時(shí)，隨含水率增大而逐漸減少，當(dāng)含水率大于18.30%時(shí)，隨含水率增大而逐漸增大。

綜上所述，通遼地區(qū)松散土層的導(dǎo)熱系數(shù)與含水率大小無(wú)簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該結(jié)果是由土體的三相性決定，單位體積內(nèi)的土體由固相土顆粒、液相水和氣相組成，不同的含水率對(duì)應(yīng)的固相和液相占比可能有多種結(jié)果，故其導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)隨固相和液相占比變化而有不同的結(jié)果。

4. 結(jié)語(yǔ)

通遼地區(qū)第四系松散土層不同巖性地層的導(dǎo)熱系數(shù)差距比較明顯。導(dǎo)熱系數(shù)隨土層埋藏加深呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，固結(jié)度高的土層導(dǎo)熱系數(shù)較固結(jié)度低的土層大。導(dǎo)熱系數(shù)與含水率大小變化無(wú)簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系。該結(jié)論可為其他相似地層地區(qū)淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。