淺層地溫能巖土熱物理性質(zhì)及地溫場特征

摘要：本文以山東莒縣為例，采用野外調(diào)查、巖土樣品熱物理測試、水樣測試、現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗、地溫監(jiān)測的方法，利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)及實驗室測試數(shù)據(jù)，總結(jié)了莒縣淺層地溫能不同巖土體熱物理參數(shù)特征，巖土體的熱擴散率、比熱容與其密度呈負相關(guān)性，導(dǎo)熱系數(shù)與其密度呈正相關(guān)性。淺層地?zé)崴c巖石之間的化學(xué)作用沒有達到平衡狀態(tài)，水巖反應(yīng)微弱。淺層地溫空間分布特征為北部第四系厚度較大，地溫較高，西南部以紅土崖組和田家樓組為主則地溫較低。對莒縣淺層地溫能換熱方式適宜性評價及概算淺層地溫能資源量提供了依據(jù)，對于地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和運行具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：淺層地溫能；巖土熱物理參數(shù)；水巖反應(yīng)；地溫場

中圖分類號：P314""" 文獻標(biāo)識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.07.007

引文格式：孫學(xué)啟，姚鑠琳，鄭壯壯，等.淺層地溫能巖土熱物理性質(zhì)及地溫場特征——以山東省莒縣為例［J］.山東國土資源，2024，40（7）：4552. SUN Xueqi， YAO Shuolin， ZHENG Zhuangzhuang， et al. Study on Thermal Physical Properties and Characteristics of Geothermal Field" of Shallow Geothermal Energy——Taking Jvxian County in Shandong Province as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（7）：4552.

收稿日期：20231026；修訂日期：20240508；編輯：曹麗麗

基金項目：山東省地質(zhì)勘查項目“莒縣淺層地溫能調(diào)查評價”（魯國土資字〔2018〕288號）；山東省煤田地質(zhì)局科研專項“太陽能淺層地?zé)崮芏嗄芑パa機理研究及示范應(yīng)用”（魯煤地科字〔2022〕22號）

作者簡介：孫學(xué)啟（1969—），男，山東成武人，高級工程師，主要從事地質(zhì)調(diào)查與水工環(huán)地質(zhì)勘查工作；Email：121271404@qq.com

*通訊作者：邵銀川（1983—），男，山東乳山人，高級工程師，主要從事地質(zhì)調(diào)查與資源勘查工作；Email：syc0822@163.com

0" 引言

淺層地?zé)崮苁侵复鎯υ诘厍虮韺雍銣貛е?00m深的土壤、巖石和地下水中的低溫地?zé)崮?，是一種綠色、低碳的可再生資源。通過熱泵系統(tǒng)，可以從淺層地?zé)崮苤刑崛∧芰縼砉┡椭评?。在加快實現(xiàn)碳中和目標(biāo)背景下，淺層地?zé)崮芸商娲鷤鹘y(tǒng)化石能源實現(xiàn)節(jié)能減排，對國民經(jīng)濟和環(huán)境健康非常重要，在增加國內(nèi)能源潛力和減少外國對能源的依賴方面發(fā)揮重要作用［16］。

20世紀(jì)90年代開始，山東省各科研院校對淺層地溫能技術(shù)展開研究與應(yīng)用。自2000年以來，在市場需求的推動下，淺層地溫能資源的開發(fā)利用得到蓬勃發(fā)展，2008年開始，通過開展全省調(diào)查研究工作，基本摸清了淺層地溫能分布特點和賦存條件，有效推動了淺層地溫能開發(fā)利用步伐。截至2018年，山東省淺層地溫能利用工程供暖制冷面積5000萬m2左右。預(yù)計到2025年，全省新增地?zé)崮芄┡娣e1000萬m2以上。

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用過程中，影響淺層地?zé)崮芾眯蕩r土熱物性參數(shù)（熱儲介質(zhì)初始溫度、含水率、熱儲介質(zhì)的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙比等）中綜合導(dǎo)熱系數(shù)和綜合比熱容的測定對地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和運行有決定因素［7］。筆者通過樣品測試及現(xiàn)場試驗，準(zhǔn)確獲取物理性質(zhì)及熱物理性質(zhì)參數(shù)，為地埋管地源熱泵工程設(shè)計、淺層地溫能資源計算與評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1" 研究區(qū)地質(zhì)條件

1.1" 地層概況

研究區(qū)地層自下而上為白堊紀(jì)大盛群小店組、大土嶺組、馬朗溝組、田家樓組、白堊紀(jì)王氏群紅土崖組，由河流相礫巖氧化淺湖細粒砂巖、粉砂巖河流相的砂礫巖沉積，總厚度＞900m；第四系主要有黑土湖組，厚度15～25m，為一套細顆粒亞砂土和亞黏土沉積；、沂河組厚度20m，為河漫灘相砂和河床相礫石層（圖1）。

1.2nbsp; 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)地形較平坦，沿沭河、柳青河河道及現(xiàn)代河床兩側(cè)沖積層發(fā)育的沖積、沖洪積層厚度15～25m。上部為粉土或粉質(zhì)黏土，厚3～8m；下部則為砂礫石層，局部夾粉土或粉質(zhì)黏土透鏡體，其厚度一般小于2m。

含水層巖性以中粗砂及砂礫石為主，地下水位埋深隨地形而異，近河流地帶較淺，一般水位埋深1～2m；其他地帶一般埋深3～4m，富水性強地段，單井涌水量大于1000m3/d；其他地段單井涌水量500～1000m3/d，盆地內(nèi)水質(zhì)良好，礦化度一般0.6～0.8g/L，屬重碳酸鈣型水。

碎屑巖類孔隙裂隙含水主要賦存于白堊紀(jì)大盛群、王氏群的砂巖、礫巖的孔隙、裂隙中，本次調(diào)查揭露的埋藏深度一般在30m以深，最大揭露深度在120m左右。其富水性與裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)，一般單井涌水量小于100m3/d。地下水水位埋深一般1～4m，地下水礦化為0.8g/L，屬重碳酸鈣型水（圖2）。

1.3" 構(gòu)造特征

區(qū)內(nèi)隸屬于大地構(gòu)造單元上處于華北板塊（Ⅰ）魯西隆起區(qū)（Ⅱ）沂沭斷裂帶（Ⅲ）安丘莒縣斷陷（Ⅳ）莒縣凹陷（Ⅴ）。區(qū)內(nèi)未受沂沭斷裂影響，僅1條NW向斷層，切割NE向斷裂，且因全區(qū)被第四系覆蓋，無斷層出露，均為推測斷層。

2" 巖土熱物理性質(zhì)

2.1" 樣品采集與測試

2.1.1" 室內(nèi)測試

2018年10月—12月，先后對莒縣研究區(qū)6個地質(zhì)孔進行現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗（表1），分析其熱物性參數(shù)，實驗結(jié)束后在施工的熱響應(yīng)測試鉆孔中進行樣品采集，根據(jù)不同鉆孔的巖土體特征，選取不同深度和不同巖性的樣品進行采集，正常巖土樣采樣為每4m采集一個，其中巖土層單層厚度大于1m的，每層取代表性原狀樣。測試技術(shù)和方法嚴(yán)格按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）、《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JBJ89—92）、《中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DD2008—01）中規(guī)定的取樣方法、存放與運送要求、分析項目、分析時限、程序、方法要求進行。巖土樣物性測試指標(biāo)為密度、孔隙度、含水率、干密度［8］，熱物性參數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及熱擴散系數(shù)。

2.1.2" 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗

試驗設(shè)備采用山東大學(xué)地?zé)衢_發(fā)研究院設(shè)計生產(chǎn)的FTPT11型地層熱響應(yīng)測試儀。

試驗工序：埋管結(jié)束48h后進行熱響應(yīng)試驗，首先做無負荷的循環(huán)測試，獲取地層初始平均溫度［9］。無負荷循環(huán)法測試時，地埋管換熱器出水溫度穩(wěn)定（1h內(nèi)變化幅度小于0.3℃，觀測時間不少于12h）后，對回路中的傳熱介質(zhì)進行加熱6kW的制熱試驗，每次熱負荷停止后，繼續(xù)觀測回路的進出口溫度，直至溫度變化幅度小于0.5℃為止，觀測時間不小于12h。

根據(jù)線熱源理論，流入與流出地埋管的水溫平均值的計算式為：

Tf=Qheat4πλH（ln4atr2-γ）+QheatHRb+T0（1）

式（1）中：Tf為埋管內(nèi)流體平均溫度（取入口與出口的平均值，單位：K）；Qheat為加熱功率（W）； H為垂直埋管深度（m）；λ為巖土體的平均熱導(dǎo)率（W/（m·K））；a為熱擴散系數(shù)（m2/s）；t為測試時間（s）；r為鉆孔半徑（m）；γ為歐拉常數(shù)，取0.5772；Rb為鉆孔熱阻（m·K/W）；T0為巖土遠處未受擾動的溫度（K）。

式（1）可寫為線性形式，即：

Tf=klnt+m（2）

k=φheat4πλH（3）

m=φheatH［14πλ（ln4ar2-γ）+Rb］+T0（4）

c=λa（5）

Qb-Q0=q4πλEi（r24at）（6）

由式（1）—式（6）可以計算得出地層的換熱量、巖土體的綜合熱導(dǎo)率λ和熱擴散系數(shù)a。

2.2" 測試數(shù)據(jù)分析

2.2.1" 巖性熱物理參數(shù)

參照《地埋管地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 730—2020），研究區(qū)巖土導(dǎo)熱系數(shù)介于1.22～1.73W/（m·K），平均值為1.39W/（m·K）。測試結(jié)果中，巖石導(dǎo)熱系數(shù)平均值1.43W/（m·K），略高于黏土1.27W/（m·K）。黏土比熱容平均值0.87kJ/（kg·K），高于巖石1.48kJ/（kg·K），熱擴散系數(shù)平均值黏土1.52mm2/s，為巖土樣品中最高，熱擴散系數(shù)是熱導(dǎo)率與比熱容的比值，總體來說導(dǎo)熱性能越好，其熱傳導(dǎo)越快，顆粒相對均勻，同一材料的熱平衡也來的快，熱擴散系數(shù)越大［10］。由熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)可知，熱導(dǎo)率呈高斯正態(tài)分布，眾值介于1.4～1.8W/（m·K），極大值和極小值均較少。將現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗和巖土體熱物性測試求得的單孔綜合熱導(dǎo)率做比較，兩種方法得到的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)偏差不大，說明兩種方法做出來的試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠（表2）。

測試數(shù)據(jù)中個別現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗測得的熱導(dǎo)率值相對偏大，是由現(xiàn)場環(huán)境因素及巖土體非均質(zhì)性的影響所致［11］。地下巖土層比較復(fù)雜，一般都不會是單一巖土層，而是多層或多種的，而且即使同一巖（土）層也會有不同程度的風(fēng)化層（全風(fēng)化層、強風(fēng)化層、弱風(fēng)化層、微風(fēng)化層、未風(fēng)化層），導(dǎo)致上下巖（土）層的結(jié)構(gòu)和成分變化較大。因此野外熱響應(yīng)試驗取得的熱物性數(shù)值并不是絕對的某一類巖層熱物性數(shù)值，而是地下巖（土）綜合層的平均熱物性數(shù)值；室內(nèi)巖土樣品測試取得的熱物性數(shù)值只能代表取樣段或其附近的巖性的熱物性數(shù)值［12］，代表不了在特定工況條件下的巖（土）層的熱物性數(shù)值（表3）。

2.2.2" 熱物理參數(shù)相關(guān)性

巖土體的比熱容和熱擴散率尤其是導(dǎo)熱系數(shù)是地源熱泵工程施工設(shè)計的重要依據(jù)參數(shù)［13］，與巖土體的巖性、孔隙率、含水率、溫度、各向異性等有關(guān)，這在以往地源熱泵工程施工中多次得到驗證。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，巖土體含水率變化范圍較大，而比熱容、熱導(dǎo)率及熱擴散率則變化不大，因此可知巖土體比熱容、熱導(dǎo)率、熱擴散率的熱物理性能與含水率之間沒有明顯的相關(guān)性（圖3）。

作為表征在環(huán)境溫度變化時巖土本身溫度變化速度的熱擴散率、比熱容與其密度呈負相關(guān)性規(guī)律明顯，密度與導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)性（圖4）。

松散巖類為主的黏性土、砂性土層其比熱容大于堅硬巖類為主的巖（地）層；而導(dǎo)熱系數(shù)松散巖類為主的黏性土、砂性土層要小于堅硬巖類為主的巖（地）層。巖土層的導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容二者呈逆反趨勢，即導(dǎo)熱系數(shù)小，其比熱容大；而導(dǎo)熱系數(shù)大，其比熱容則小。

由于導(dǎo)熱系數(shù)與巖土體中的顆粒組成密切相關(guān)，顆粒間越緊密，密度越大，顆粒的礦物成分的導(dǎo)熱性能越好，其導(dǎo)熱系數(shù)也越大。因此，巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱傳遞的速度越快，也就是越快向周邊傳遞擴散，也就越快影響到熱影響的范圍［14］，則在開發(fā)利用淺層地溫能時，越不易形成地下“熱島”或“冷窩”現(xiàn)象。

作為表征巖土體本身溫度變化速度隨環(huán)境溫度變化的熱擴散系數(shù)，是熱導(dǎo)率與比熱容的比值，從測試數(shù)據(jù)可以分析，導(dǎo)熱性能越好，其熱傳導(dǎo)越快，顆粒相對均勻，同一材料的熱平衡也來得快，熱擴散系數(shù)越大。在開發(fā)利用淺層地溫能時，在熱影響范圍內(nèi)的巖土體其溫度能得到較快的平衡，也就是越快得到均勻溫度場。

2.2.3" 水巖作用

NaMgK三角圖用于評價地?zé)崴獛r平衡狀態(tài)的一種方法，Giggenbach基于Benjamin的NaK溫標(biāo)公式和Fournier等略作修改的KMg溫標(biāo)公式［1518］，提出以Na/1000、K/100和Mg為3個頂點繪制NaKMg三角圖（圖5）。

將地下水劃分為完全平衡水、部分平衡水和未成熟水3種類型。水樣品分兩個階段，在施工鉆孔中分別采樣，水化學(xué)成分見表4，采樣位置見圖6。

其中的Na+、K+、Mg2+含量在NaMgK三角圖中大部分落在未成熟區(qū)域內(nèi)，主要含水層厚度28m左右，為研究區(qū)南部紅土崖組砂巖、泥巖含水層，極少樣品在部分平衡水區(qū)域內(nèi)；主要含水層厚度17m左右，巖性為研究區(qū)東南部田家樓組砂巖、礫巖［1925］。說明淺層地?zé)崴c巖石之間的化學(xué)作用未達到平衡狀態(tài)。這是由于淺層地?zé)崴趶搅餮h(huán)的過程中與淺部地下冷水發(fā)生了混合，導(dǎo)致地?zé)崴蠳a+、K+、Mg2+含量被稀釋降低。因此，可以推測淺層地?zé)崴诘叵逻^程中與冷水混合，未能完全接觸到高溫巖石，未能達到完全平衡狀態(tài)。

3" 地溫場特征

3.1" 地溫場不同深度水平分布

平面上地溫的高低主要與所在地測量深度內(nèi)的地層巖性、第四系厚度、地下水水位埋深、巖溶裂隙發(fā)育程度等因素密切相關(guān)［9］。從地層分布情況看，第四系由黏土、粉質(zhì)黏土及含水層砂層組成，保溫效果較好，監(jiān)測深度內(nèi)全部為第四系賦存厚度大的地區(qū)，地溫相對較高（圖7）。當(dāng)巖石裂隙不發(fā)育，地下水徑流條件相對弱，不利于大地?zé)崃鞯纳⑹В販叵鄬σ草^高。當(dāng)巖石裂隙發(fā)育強烈，為地下水強徑流帶和排泄區(qū)，在120m深度巖性以紅土崖組和田家樓組為主的西南部，地溫較低。隨著深度變淺，區(qū)域上的溫度差異變小，只有劉西村的局部溫度較低。區(qū)域上整體北部地溫場較高，該區(qū)域為莒縣開發(fā)區(qū)，相比工廠、企業(yè)較多，形成局部城市熱島效應(yīng)［17］，長時間作用會影響地下水溫度，加之該區(qū)域地下水資源量較豐富，多種因素疊加使得該處地溫場處于較高水平。

3.2" 地溫垂向分布

淺層地溫場在垂向上可以劃分為3個帶，分別為變溫帶、恒溫帶與增溫帶［9］。根據(jù)研究區(qū)LR4地溫監(jiān)測孔的地溫監(jiān)測記錄，各地溫帶的空間分布特征如下。

（1）變溫帶的空間分布特征。地表至恒溫帶的頂板深度的范圍即為變溫帶。從第四系厚度、下伏地層巖性與變溫帶深度對應(yīng)分析，由于研究區(qū)范圍第四系大部分厚度在5～42.1m，平均厚度21m，變溫帶厚度較大，多在20～40m左右。地溫梯度受巖性變化及地下水徑流影響較大。

（2）恒溫帶的空間分布特征。同一種巖性受第四系厚度的影響，地溫梯度變化也較大，由于上覆第四系熱導(dǎo)率較低，會形成較好的蓋層，因此第四系覆蓋厚的地方地溫梯度也較大。

研究區(qū)恒溫帶上限深度一般在20～40m，恒溫帶溫度是指恒溫帶溫度的平均值，研究區(qū)恒溫帶溫度范圍為14.3～15.2℃，平均值為14.75℃。

（3）增溫帶的空間分布特征。恒溫帶的下限一般在24～44m，以下便是增溫帶。從地溫長期監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，同一監(jiān)測深度，一般是冬季末（2月下旬）溫度較高，而夏季末秋季初（8—9月）相對較低。沭東新院地溫監(jiān)測孔監(jiān)測地溫在2018年12月—2019年3月冬季供暖期間運行地埋管地源熱泵系統(tǒng)，取熱注冷過程造成地溫場監(jiān)測溫度偏低，在2019年4月開始地溫逐漸恢復(fù)至正常水平。

4" 結(jié)論

（1）研究區(qū)巖土熱物理性質(zhì)及其相關(guān)性，巖土體比熱容、熱導(dǎo)率、熱擴散率的熱物理參數(shù)與含水率之間沒有明顯的相關(guān)性，巖土體本身溫度變化速度的熱擴散率、比熱容與其密度呈負相關(guān)性，密度與導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)性。

研究區(qū)巖土體導(dǎo)熱系數(shù)介于1.22～1.73W/（m·K），平均值為1.39W/（m·K）。測試結(jié)果中，巖石導(dǎo)熱系數(shù)平均值為1.43W/（m·K），略高于黏土的1.27W/（m·K）。黏土比熱容平均值為0.87KJ/（kg·K），高于巖石1.48KJ/（kg·K），熱擴散系數(shù)平均值黏土為1.52mm2/s，為巖土樣品中最高，導(dǎo)熱性能越好，其熱傳導(dǎo)越快，顆粒相對均勻，同一材料的熱平衡也快，熱擴散系數(shù)越大。熱導(dǎo)率呈高斯正態(tài)分布，眾值介于1.4～1.8W/（m·K）。

（2）研究區(qū)的Na+、K+、Mg2+含量在NaMgK三角圖中大部分落在未成熟區(qū)域內(nèi)，極少樣品在部分平衡水區(qū)域內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崴c巖石之間的化學(xué)作用沒有達到平衡狀態(tài)。

（3）了解了研究區(qū)的地溫空間分布特征。北部第四系厚度較大，地溫較高，西南部以紅土崖組和田家樓組為主，地溫較低。淺層地溫場在垂向上可以劃分為3個帶，分別為變溫帶、恒溫帶與增溫帶，隨著深度的增加，田家樓組的砂巖地溫梯度低于紅土崖組的泥巖。

（4）依據(jù)地溫空間分布特征，對莒縣淺層地溫能換熱方式適宜性評價及概算淺層地溫能資源量提供

了依據(jù)，對于地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和運行具有重要的參考價值。

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Study on Thermal Physical Properties and Characteristics of Geothermal Field" of Shallow Geothermal Energy in Jvxian County in Shandong Province——Taking Jvxian County in Shandong Province as an Example

SUN Xueqi1，YAO Shuolin2，ZHENG Zhuangzhuang1，YU Ke1，CHEN Wenxia3， SHAO Yinchuan1

（1.No.1 Exploration Brigade of" Shandong Coalfield Geologic Bureau， Research Center for Low Carbon Energy and Carbon Neutralization Engineering， Shandong Qingdao 266500， China; 2. No.273 Nuclear Industry Geological Brigade in Shandong Province， Shandong Yantai 264000， China; 3. Mengyin Bureau of Natural Resources and Planning， Shandong Mengyin 276200， China）

Abstract： Taking Jvxian county in Shandong province as an example， thermal physical parameters of different rock and soil masses in shallow geothermal energy in Jvxian county have been summarized based on field investigations， thermal physical testing of rock and soil samples， water sample testing， onsite thermal response testing and geothermal monitoring. The thermal diffusivity and specific heat capacity of rock and soil mass are negatively correlated with their density， while the coefficient of thermal conductivity of rock and soil mass is positively correlated with their density. The chemical interaction between shallow geothermal water and rocks has not reached equilibrium， and the waterrock reaction is weak. The spatial distribution characteristics of shallow geothermal fields indicate that the northern Quaternary system is thicker and has a higher ground temperature， while the southwest is dominated by Hongtuya group and Tianjialou group， which exhibit lower ground temperatures. This study lays the groundwork for the adaptive evaluation of shallow geothermal energy heat exchange methods in Jvxian county and for estimating shallow geothermal energy resources. It will provide a significant reference value for the design and operation of ground source heat pump systems.

Key words：Shallow geothermal energy; geophysical parameters of rock and soil; water rock reaction; ground temperature field