通遼市科爾沁區松散土層埋藏深度和含水率對導熱系數的影響趨勢研究

[關鍵詞] 通遼市；松散土層；導熱系數

當前，全球新一輪能源革命和科技革命方興未艾，大力發展可再生能源已經成為全球能源轉型和應對氣候變化的重大戰略方向和一致宏大行動，國家在“十四五”期間將全面推進淺層地熱能開發，重點在具有供暖制冷雙需求的華北平原、長江經濟帶等地區，優先發展土壤源熱泵，積極發展再生水源熱泵。經過多年發展，地源熱泵技術在北美和歐洲已經非常成熟，是一種廣泛采用的供熱空調系統，有一整套標準、規范計算方法和施工工藝[1-3]。進入21世紀，我國地源熱泵技術的研究更加深入，形成了產、學、研結合利用淺層地溫能的局面，地源熱泵機組在近幾年開始大量應用于工程實踐。土壤的導熱系數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的函數，研究導熱系數的變化規律，可為淺層地溫能實踐提供指導[4]。本文分析研究資料依托2019～2020年在通遼市實施的淺層地溫能勘查項目。

1. 研究區概況

1.1研究區交通位置

通遼市位于內蒙古自治區東部、松遼平原西端，研究區位于通遼市中南部，范圍涵蓋通遼市經濟技術開發區、科爾沁區和科爾沁左翼后旗的部分鄉鎮，面積約500km2，交通便利，有國道G303、G304、省道S111和高速公路G45和G2511縱貫工作區。

1.2地形地貌

研究區位于西遼河平原的中部，是西遼河沖積平原的一部分。縱觀全區地勢為西高東低。地形平坦開闊，高程一般為170～184 m。由西向東緩慢傾斜。坡降為1‰～2‰。工作區地貌形態較為簡單，地貌成因以堆積作用為主，按形態類型分為河谷（Ⅰ）、平原（Ⅱ）和沙丘（Ⅲ）。研究區內沖積平原分布面積占90%以上。

1.3氣象

研究區屬中溫帶半干旱季風氣候區，大陸性氣候，春季干燥多風、夏季濕熱多雨、秋季涼爽、冬季嚴寒少雪。多年平均降水量368 ㎜，多年平均蒸發量1690 ㎜，年平均氣溫5℃～7.5℃，凍結期由11月至翌年4月，無霜期140～280 d，全年以北風及西北風為主，年平均風速3.6 m/s。

1.4水文

研究區位于西遼河水系，有河流三條。為西遼河及其支流清河和洪河。科爾沁區境內原有天然地表水體46個，集水面積2.4 km2，近年來地下水大量開采，自然水體已全部消失，地表水的利用量及入滲量均已不復存在。所有用水開采地下水。

1.5地層

研究區自上向下200 m深度范圍內地層分別為第四系全新統沖積層（Qhal）、風積層（Qheol）、第四系上更新統顧鄉屯組（Qp3gal）、中更新統大青溝組（Qp2dal）和下更新統白土山組（Qp1bfgl）。全新統沖積層巖性為漫灘相粉土、粉質黏土，黃褐色，灰褐色，河床相粉砂、細砂，淺黃、黃白色，厚度1.7～8.9 m；風積層覆蓋在沖積平原之上，巖性為淺黃、灰黃、棕黃色粉砂、細砂，厚度0～8.0 m；顧鄉屯組粉土呈灰褐色、灰黃色，具垂直節理，厚度0～28.05 m；大青溝組地層巖性為淤泥質細粉砂、粉砂、細砂、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社會經濟概況

通遼市是內蒙古自治區地級市，是國家實施“一帶一路”和內蒙古自治區推進向北開放的重要戰略節點。2022年，通遼實現地區生產總值1561.76億元，按不變價格計算，比上年增長3.0%，2021 年，全市完成地區生產總值（GDP）1411.44億元，按不變價格計算，比上年增長4.0%，其中，第一產業增加值333億元，增長3.4%，第二產業增加值450 億元，增長0.1%，第三產業增加值628 億元，增長6.3%，三次產業比例為23.6∶31.9∶44.5，人均地區生產總值達到49346元，比上年增長4.9%。

2021年，通遼市500萬元及以上固定資產投資比上年下降17.7%，按照產業目錄區分，第一產業投資占比8%，第二產業投資占比41%，第三產業投資占比51%。2021年通遼市公共財政預算收入完成88億元，比上年同期增加11.45億元，增長14.9%，其中，稅收收入完成58.55億元，增長7.0%，非稅收收入完成29.39億元，增長35.2%，全市公共財政預算支出376.35億元。

2. 采樣及分析方法

2.1采樣

2019～2020年實施了“內蒙古自治區通遼市淺層地溫能勘查”項目，主要完成了抽水及回灌孔鉆探680 m（4孔），熱響應試驗孔1260 m（14孔），在施工的熱響應試驗孔中采集土壤測試樣322組[5]，土樣巖性為粉砂、細砂、中砂和粗砂等砂性土，同時還有黏土、粉質黏土、淤泥質黏土等黏性土，黏性土取原狀樣。

采集土樣依據《原狀土取樣技術標準》（JGJ89—92）。樣品直接從鉆孔、巖芯中采取，為保證取樣質量，在地下水位以上，采用干法鉆進，不注水未使用沖洗液，在飽和軟黏性土，粉土、砂土中鉆進，采用泥漿護壁，采用套管時先鉆進后跟進套管，套管的下設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，樣品的長度不小于20 cm，直徑為勘查孔取樣的巖芯直徑，兩頭用專用的蓋封好，膠帶封好，貼上標簽，標明取樣的深度、日期、測試項目等，單組樣品取樣質量不小于2.5 kg，密封土樣置于溫度及濕度變化小的環境，避免暴曬和冰凍，所取土樣在一周內送達實驗室，運輸樣品采用專用土樣箱包裝，樣品之間用柔軟緩沖材料填實。檢測單位為具有MA檢測資質的山東省魯南地質工程勘察院。

2.2分析方法

土樣進行常規物理性測試和熱物性測試，測試的理論與操作依據主要包括《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）和《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）等。常規物理性測試指標有含水率、密度、孔隙度、比重，熱物性測試指標包括比熱容、熱導率、熱擴散率[6-7]。土樣顆粒顯微特征采用光學體視顯微鏡法（放大倍數為30～100），自然密度采用環刀法（電子天平0.01g、環刀、密度計等），比重采用標準比重瓶法，含水率采用標準烘干法（電子天平0.1 mg，標準干燥箱105℃等），導熱系數、比熱容和熱擴散率采用基于恒熱流探針（Φ1.5～2.0 mm，不銹鋼，純銅粉）的非穩態傳熱方法（熱工實驗臺）。溫度數據記錄采用HP/Agilent 34970自動采集系統，恒溫水浴采用德國Julabo型實驗室級加熱/冷卻循環裝置（±0.2℃）。

3. 分析研究

3.1導熱系數隨地層埋藏深度變化規律

根據各樣品的熱物性參數檢測結果，選擇不同種類具有代表性的樣品分析其導熱系數隨土體埋藏深度的變化關系。

分別選取了研究區內RK01、RS01和RK06三個熱響應試驗孔中細砂土樣的熱物性參數，見表1，分析各樣品導熱系數隨取樣深度的變化關系，見圖1。

根據圖1可知，研究區內細砂的導熱系數隨取樣深度的增加而呈現逐漸增大的趨勢。

分別選取了研究區內RK01、RK02和RK03三個熱響應試驗孔中粉砂土樣的熱物性參數，見表2，分析各樣品導熱系數隨取樣深度的變化關系，見圖2。

根據圖2可知，研究區內粉砂的導熱系數隨取樣深度的增加而呈現逐步增大的趨勢。

分別選取研究區內RK08、RS01和RK14三個熱響應試驗孔中粉砂土樣的熱物性參數，見表3，分析各樣品導熱系數隨取樣深度的變化關系，見圖3。

根據圖3可知，研究區內（粉質）黏土的導熱系數隨取樣深度的增加而呈現逐步增大的趨勢。

綜上所述，通遼地區第四系松散土層導熱系數隨其埋深的增大而增大，究其原因，埋深不同，上覆總應力不同，有效應力不同，固結度也有差異，而固結度高的地層中單位體積內固體物質占比較高，而固體的導熱系數大于液體，液體的導熱系數大于氣體，固結度高的土層導熱系數較固結度低的土層大。

3.2導熱系數隨地層含水量變化規律

分別選取研究區內RK01、RS01和RK06三個熱響應試驗孔中細砂土樣的熱物性參數，見表4，分析各樣品導熱系數隨含水率的變化關系，見圖4。

根據圖4，RS01孔中細砂的導熱系數隨含水率增大而逐漸增大，RS02 孔中細砂的導熱系數在含水率小于11.43% 時，隨含水率的增大而逐漸減少，當含水率大于11.43%時，隨含水率的增大而逐漸增大。

分別選取研究區內RK01、RK12和RK11三個熱響應試驗孔中粉砂土樣的熱物性參數，見表5，分析各樣品導熱系數隨含水率的變化關系，見圖5。

根據圖5可知，RK01孔中粉砂的導熱系數隨含水率增大而逐漸減少，RK11孔中粉砂的導熱系數在含水率小于18.70% 時，隨含水率增大而逐漸增大，當含水率大于18.70%時，隨含水率增大而逐漸減少。RK12孔中粉砂的導熱系數在含水率小于14.70%時，隨含水率增大而逐漸增大，當含水率大于14.70% 時，隨含水率增大而逐漸減少。

分別選取研究區內RK04、RK05和RK10三個熱響應試驗孔中中砂土樣的熱物性參數，見表6，分析導熱系數隨含水率的變化關系，見圖6。

根據圖6可知，RK04孔中中砂的導熱系數在含水率小于14.80%時，隨含水率增大而逐漸減少，當含水率介于14.80%～16.6%時，隨含水率增大而逐漸增大，當含水率大于16.60%時，隨含水率增大而逐漸減少。RK05孔中中砂的導熱系數在含水率小于15.50%時，隨含水率增大而逐漸減少，當含水率大于15.50%時，隨含水率增大而逐漸增大。RK10孔中中砂的導熱系數在含水率小于18.30%時，隨含水率增大而逐漸減少，當含水率大于18.30%時，隨含水率增大而逐漸增大。

綜上所述，通遼地區松散土層的導熱系數與含水率大小無簡單的對應關系，該結果是由土體的三相性決定，單位體積內的土體由固相土顆粒、液相水和氣相組成，不同的含水率對應的固相和液相占比可能有多種結果，故其導熱系數也會隨固相和液相占比變化而有不同的結果。

4. 結語

通遼地區第四系松散土層不同巖性地層的導熱系數差距比較明顯。導熱系數隨土層埋藏加深呈現逐步增大的趨勢，固結度高的土層導熱系數較固結度低的土層大。導熱系數與含水率大小變化無簡單對應關系。該結論可為其他相似地層地區淺層地溫能開發利用提供依據。