CN104502404A - 一种地层水热参数原位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地层水热参数原位检测方法，方法如下：先用三针复合式探头测得各监测点处地层的温度，再由检测仪器的CPU控制三针复合式探头中间探针发出热脉冲，同时开始采集三针复合式探头下探针的温度值及其对应时间，采集从热脉冲发出到80秒这段时间内下探针测得的全部温度值数据，从中截取20秒至75秒之间段的数据，由CPU利用内嵌的热导率处理程序计算出地层的热导率；再利用含水率和热导率之间的经验公式得到各监测点处地层的含水率；开始温差测量，获取三针复合式探头上、下两侧探针处的温差ΔT值，用数据拟合反演软件处理，得到该监测点处地层水参数的渗透速度值。用本发明方法测量精度高，实用性强；监测成本低。

Description

一种地层水热参数原位检测方法

技术领域

本发明属于水文地质方法监测(含地热学)及地源热泵领域，以及其他所有需要地层水热参数的领域，尤其涉及一种地层水热参数原位检测方法。

背景技术

地层的热参数包括地层的温度、热导率等参数，地层水参数包括含水率、渗透速度等。查明各地层热参数分布情况和水的运移规律对环境地质、水文地质、土壤学等许多领域都具有十分重要的意义。由于地层巨大的空间和时间变异性，即使是同一质地、颗粒均匀矿物组成的地层，其热导率、渗透速度也是随含水率的变化而变化的，其复杂性导致到目前为止还没有原位分层检测地层水、热参数的商品化仪器系统问世，而热传导方程在研究地层的水、热参数方面具有先天的优势，因为热量在地层中的运移过程和地层的水、热参数密切相关。

本申请人单位于1987年研制的温差式微流速仪的理论基础是热传导方程的稳态阶段，其在测量地层饱和状态下水的流速效果还是令人满意的，但受限于其理论基础，摆脱不了笨重、测量速度慢和对现场扰动大的缺点。本发明专利的理论基础是热传导方程的瞬态阶段。

在地源热泵系统中，如果想了解地层水热参数，都是模拟向地下排热的工况，算出地层的热导率和比热能，不仅许多影响因素未考虑，而且计算出的是某个孔的一定深度内各个地层的平均值，不能获取单个地层的参数值，导致对地层的放热(吸冷)能力计算错误。

发明内容

本发明的目的是提供一种地层水热参数原位检测方法，依靠这种方法可选取监测点直接获得水文地质、环境地质和工程地质以及地源热泵所需要的地层水热参数。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种地层水热参数原位检测方法，包括有一个地层水热参数原位检测仪器，该检测仪器带有一组三针复合式探头且内置有热脉冲控制电路，各三针复合式探头由间距相同、位置固定的三根探针组成，两侧的探针中均装配有一支铂电阻温度传感器，中间的一根探针装配有热脉冲发生器，在该检测仪器的中心处理器中内嵌有热导率处理程序和数据拟合反演软件；将该组三针复合式探头分别埋设地层下面预定的各监测点处，且各三针复合式探头的三针竖向布设；所述的地层水热参数包括地层温度、热导率两个热参数和含水率、渗透速度两个水参数；所述的方法如下：

1)首先通过各三针复合式探头两侧的探针依次测得各监测点处地层的温度，将测得的地层温度值存入检测仪器的RAM中；

2)由检测仪器或检测仪器的中心处理器CPU控制各三针复合式探头中间探针发出热脉冲，同时开始采集各三针复合式探头下探针的温度值及其对应的时间，采集从热脉冲发出到80秒这段时间内下探针测得的全部温度值数据，从中截取20秒至75秒之间段的数据，由中心处理器CPU利用内嵌的热导率处理程序计算出地层的热导率；

3)再利用含水率和热导率之间的经验公式得到各监测点处地层的含水率；

4)把各监测点处地层的热导率和含水率值存入检测仪器存储器RAM中；

5)开始温差测量，获取各三针复合式探头上、下两侧探针处的温差ΔT值，用数据拟合反演软件处理，得到该监测点处地层水参数的渗透速度值，将其存入检测仪器或检测仪器的RAM中。

所述地层水热参数原位检测方法步骤2中，所述热导率处理程序是先用获取的20秒至75秒之间的数据，求温度对时间的线性回归，得出回归方程，再对求出的热导率K值做如下修正：

K＝aK'+b，其中，a＝0.85,b＝-0.006；

其中,K为修正后的热导率。

所述地层水热参数原位检测方法步骤3中，对于含水砂土组成的地层，含水率θ和热导率K之间的经验公式为：K＝b₀+b₁θ+b₂θ^0.5其中，b₀，b₁，b₂是经验常数，b₀，b₁，b₂分别为0.228，-2.406，4.909。

所述地层水热参数原位检测方法步骤5中：在开始温差测量前，让前序步骤中三针复合式探头发出热脉冲的中间探针放热，最少持续2分钟。

所述地层水热参数原位检测方法中，所述的一组三针复合式探头埋设于地层的不同深度，安装过程中采用人工开挖竖井的方法，由工人下到竖井里面，把探头竖直插进不同深度的井壁中，探头安装完毕后，用原位土回填至孔口。

所述地层水热参数原位检测方法中，将三针复合式探头两侧的探针中标有W字样的探针作为下侧探针，该下侧探针接检测仪器差分放大电路单元的正极，上侧探针接检测仪器差分放大电路单元的负极。

所述地层水热参数原位检测方法中，所述三针复合式探头中间的装配有热脉冲发生器探针的参数为：探针外径3mm，内径2.4mm，壁厚0.3mm，探针长度100mm。各邻接的两个探针间距离为20mm。

本发明的优点是：

1.本发明地层水热参数原位检测方法能够实现地层温度、热导率、含水率和渗透速度的分层原位测量，测量参数多，精度高，实用性强；

2.利用三针复合式探头监测，可以解决目前地层中水热参数不能同时原位监测的问题；且三针复合式探头具有结构简单、测量时间短、功耗小、使用方便和价格便宜等特点，因此，监测成本低；

3.由于实现了多参数数据采集和处理，使得监测成本大大降低；

4.对特定地质条件下探头的安装埋设工艺提出的精细设计，确定了以含水砂土为主地质条件下的三针复合式探头埋设方法。

附图说明

图1为本发明地层水热参数原位检测探头的安装示意。

图2为本发明方法中所使用的三针复合式探头结构示意图。

图3为本发明方法中所使用的检测仪器方框结构示意图。

图4为温度和时间对数曲线关系图。

图5为热脉冲、热导率和渗透速度工作时序图。

图6为热脉冲原理示意图。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

具体实施方式

本发明地层水热参数原位检测方法是利用一个地层水热参数原位检测仪器，该检测仪器包括有一组三针复合式探头。

参阅图1所示，工作时，为了得到不同深度地层的水热参数，需用一组探头埋设于地层的不同深度，为了使探针在安装过程中发生的变形最小，安装过程中需采用人工开挖竖井的方法。本发明监测方法适用于监测深度小于10米的地层。竖井挖好后，由工人下到竖井里面，把探头水平插进不同深度的井壁中。探头安装完毕后，用原位土回填至孔口，尽量使其密实程度和原位土相当。

参见图2所示，本发明一较佳实施例是采用了三针复合式探头，该三针复合式探头上带有三个探针，中间为一热脉冲探针6(本实施例的热脉冲探针内部线性热源的绝缘电阻丝用镍络丝特制)，上、下两侧是一对温度传感器探针1；一探头座3用于固定所述的一组探针及实现探测现场的固定安装；一电缆5，一端与三个探针全部电连接，另一端用于实现与外接设备的连接，在电缆5从探头座引出段置有密封件4。该三针复合式探头两侧的探针中都装配有一支铂电阻温度传感器2，其中一支探针上标有W字样，该探针测量的温度值为地层温度，在埋设时位于埋设位置地层的最下面。

在材料选择上，热脉冲探针6选用不锈钢管制作。为了防止安装过程中探针变形，钢管要保证一定的强度，所以不锈钢管的壁厚和长度受到限制。不锈钢管中要装配加热丝和铂电阻温度传感器，它们的直径决定了对不锈钢管直径的选择。水热参数传感器的探针直径(d)决定了探针的长度(L)，也就是探针长度要满足L/d>30的线性热源要求。相邻两根探针中心间的距离越小，对探头的加工和装配工艺要求越高，对数据采集芯片的采集速度和精确度要求越高。本发明最后确定热脉冲传感器的参数为：探针外径3mm，内径2.4mm，壁厚0.3mm，探针长度100mm，各探针间的距离20mm，经大量的反复试验证明收到了极好的使用效果。

采用的检测仪器必须满足便携、低功耗的特点才能方便地实现原位测量，同时还要有数据存储功能，并可以通过RS-232串行通信方式把实测数据导出到终端的计算机中。参阅图3，本发明实施例采用检测仪器模块设计，由电源管理及电压基准、恒流源、主控单元CPU、A/D转换、数据处理、存储、通讯接口及加热控制、光电隔离、加热供电等功能电路组成。电源管理及电压基准、恒流源功能是为了实现电源的交直流转换和稳定电压的作用，是整个系统正常工作的基础。为减少检测仪器体积和降低功耗，测量、A/D转换和自动控制功能可以用一片高精度微处理芯片完成，实现了系统的高集成度、低功耗和便携式。

自动控制包括定时控制和测量控制两部分。定时功能主要由定时芯片完成，监测周期从5分钟到1年任意设定，测量控制由CPU和控制电路组成。检测仪器可通过RS－232和笔记本进行数据通讯。

检测仪器内置的自控软件控制仪器系统的定时和工作流程的建立，负责将采集的数据存入RAM(数据储存器)，并将下一次采集时间写入定时系统，根据程序设定指令进入相应的监测流程。该部分包括热脉冲的产生以及时间、温度、温差的精确测量，直接影响拟合结果，是整个监测系统的核心软件。

数据拟合反演软件以上面阐述的热脉冲理论为基础，由测得的时间、温度、温差数据拟合得出地层的热导率、渗透速度和含水率。

计算机数据接收和管理软件能把检测仪器传回的数据以数据库和数据文件两种方式保存，保存的数据具有显示、查询、作图、输出等功能。

综上所述，该检测仪器应具有以下特点：

①嵌入式低功耗设计；两路测温，采用铂电阻作为温度传感器。测温范围0到50摄氏度；

②高精度测量，温度分辨达到0.002摄氏度，精度高于10％，采样速率1Hz；

③具有一路热脉冲控制器，能控制加热丝的加热时间。(加热丝0.5W，每个加热脉冲占空时间8秒)每1秒进行一次温度采样，每次测量持续时间10分钟；

④模块具有数据通讯接口，存储在模块内的实测数据可方便地导入计算机中。

该检测仪器模块的具体电路设计可以由现有技术实现，此处不赘述。

参见图4所示，本发明地层水热参数原位检测方法的具体过程是：

(1)地层温度测量

首先启动检测仪器，开机工作后，检测仪器CPU发出指令给热脉冲控制电路，三针复合式探头中间的热脉冲探针6发出功率为60J/ms、持续时间为120s的热脉冲，同时CPU开始采集上、下探针1的温度值及其对应的时间，采集频率是1Hz,持续时间是80秒，把得到的温度值(T)存在存储器中。

(2)热导率含水率的测量

在检测仪器CPU内嵌有热导率处理程序，该程序是依据线状热源非稳态法对前面采集到的温度值(T)进行整合运算，最终求得热导率K。

具体原理是：热脉冲探针6的热脉冲发热强度为q，从加热开始，热脉冲探针6的温度将上升，在接近热脉冲探针6表面的介质中有一温度梯度，于是热量就向介质中传导，在温度场未达到稳定之前，温度场中某一点温度为：

$T=\frac{q}{2\mathrm{\πk}}{\∫}_{\mathrm{\β}}^{\∞}\frac{e^{-x^2}}{x}\mathrm{dx}$    式(5)

$\mathrm{\β}=\frac{r}{2\sqrt{\mathrm{at}}}$

T:是测温点的温度值(℃)；

r:是测温点至热脉冲探针的距离(cm)；

a:热脉冲探针周围介质的热扩散率(cm2/s)；

t:从热脉冲探针6发出热脉冲开始至观测时刻的时间(s)；

式(5)可展开为如下形式：

$T=\frac{q}{2\mathrm{\πk}}(-\frac{c}{2}-\mathrm{Ln\β}+\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2*1!}-\frac{{\mathrm{\β}}^2}{4*2!}+...)$    式(6)

c为欧拉常数，c＝0.5772；

当观测点至热脉冲探针的距离很小，且t值较大时，式(6)式括号内诸项仅需保留前二项即可，其余略去，于是式(6)可以写成：

$\begin{array}{c}T=\frac{q}{2\mathrm{\πk}}(-\frac{c}{2}-\mathrm{Ln}\frac{r}{2\sqrt{\mathrm{at}}})\\ =\frac{q}{2\mathrm{\πk}}(-\frac{c}{2}-\mathrm{Ln}\frac{r}{2\sqrt{a}}+\frac{1}{2}\mathrm{Lnt})\\ =\frac{q}{4\mathrm{\πk}}\mathrm{Lnt}-\frac{q}{2\mathrm{\πk}}(\frac{c}{2}+\mathrm{Ln}\frac{r}{2\sqrt{a}})=\mathrm{ALnt}-B\end{array}$

$A=\frac{q}{4\mathrm{\πk}},B=\frac{q}{2\mathrm{\πk}}(\frac{c}{2}+\mathrm{Ln}\frac{r}{2\sqrt{a}})$    式(7)

参见图5，在近似情况下，温度与时间的对数成线性关系，理论上，

T～Lnt曲线如图4的MN直线，T纵坐标是温度，横坐标是时间t的常用对数。但实际上我们多次实验发现，由于线热源的滞后效应，开始的一段温升较慢，这就出现ABCD曲线的AB一段低斜率段，对于低粘度液体(包括水)，由于对流效应，加热到一定时候，温度的上升又开始减慢(即CD段的情形)，干燥的粉末物质，一般CD段斜率降低得不明显，BCD段近乎直线。对于含水地层来说，CD段是存在的。不同物质BC段的起点位置和长度是不同的，对于我们在实验室模拟的地层来说，BC段大约是从热脉冲发出后的20秒到80秒之间。这样，在热导率测量过程中，采集从热脉冲发出到80秒的温度值，采样频率为1HZ，然后取20秒至75秒之间的数据，求温度对时间的线性回归，得出回归方程：

T_i＝A'Lnt_i+B'   (8)

回归斜率A'就是式(7)中的A，于是得到

$K^{\′}=\frac{q}{4\mathrm{\π}{A}^{\′}}---\left(9\right)$

由于各种系统因素的影响，此K'值与实际热导率值相差较大，需要做如下修正，得到较准确的K值：

K＝aK'+b   (10)

通过对粉末类物质包括含水砂土在内的大量实验，得出修正值为：

a＝0.85,b＝-0.006。

对于主要由含水砂土组成的地层，含水率(用θ表示)和热导率(用K表示)之间的经验公式为：

K＝b₀+b₁θ+b₂θ^0.5   式(11)

b₀，b₁，b₂是经验常数，值分别为0.228，-2.406，4.909。检测仪器CPU计算出地层的热导率后，含水率可由该式得到。

地层热导率和含水率的具体测量过程是：CPU发出指令给热脉冲控制电路，控制复合式探头中间的探针发出功率为60J/ms、持续时间为120秒的热脉冲，同时开始采集下探针的温度值及其对应的时间，采集频率是1HZ,持续时间是80秒，然后热导率处理程序自动选取20秒至75秒之间的数据进行线性回归，得出热导率值，由热导率和含水率的经验公式得出含水率值。把地层的热导率和含水率值存入检测仪器的RAM中待用。热导率的测量是利用了线状热源的非稳态。

(3)渗透速度测量

渗透速度是根据热脉冲发出后，上、下探针的温度差值，即温差随时间的变化而测得。在持续2分钟的热脉冲放热完毕后，再开始温差的测量。它们的时序关系参见图5。

本发明是在含水地层中置一线状热源(即可发出热脉冲的热脉冲探针6，其长度与直径的比l/d>30)，使热源与水的运移方向垂直，取热源的长度方向为Z轴，水的运移方向为X轴，当水的流动是稳定流时，线热源的温度场的微分方程为：

$(C_s+\mathrm{\θ}{C}_w)\frac{\∂T}{\∂t}=K(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂X^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂Y^2})-\mathrm{\θ}{C}_{w}U\frac{\∂T}{\∂X}---\left(1\right)$

式(1)中，Cs：地层粒子单位体积热容量(cal/cm³.℃)；C_w水的单位体积热容量(cal/cm³.℃)；θ：地层体积含水率；U：水的渗透速度(cm/s)；K：含水地层的热导率(cal/cm.s.℃)。

线状热源热脉冲探针6在单位时间内单位长度的发热量为q，当时间t足够大时，温度场趋于稳定，即空间任意点上的温度不随时间而变化，(1)式中的我们可以得到X-Y平面内的温度分布函数：

$T=\frac{q}{2\mathrm{\π\κ}}{e}^{\mathrm{\β\γ}}{\mathrm{\κ}}_0\left(\mathrm{\β\γ}\right)---\left(2\right)$

(2)式中： $\mathrm{\γ}=\sqrt{{\mathrm{\χ}}^2+y^2},\mathrm{\β}=\frac{C_w\mathrm{\θU}}{2K}$

κ₀(βγ)：零价第二类虚宗量贝塞尔函数。

我们取水的运移方向为X轴，所以我们只考虑沿X轴方向的温度变化情况，即y＝0，于是(2)式可以写为

$T=\frac{q}{2\mathrm{\π\κ}}{e}^{\mathrm{\β\χ}}{\mathrm{\κ}}_0\left(\mathrm{\β\χ}\right)---\left(3\right)$

如图6所示，在线热源(热脉冲探针6)C的沿水流方向的上两侧距离为a的两点A、B置感温元件(探针1)，则由于流速的影响，A点和B点的温度分别为：

$T_a=\frac{q}{2\mathrm{\π\κ}}{e}^{-\mathrm{\β\α}}{\mathrm{\κ}}_0\left(\mathrm{\β\α}\right);$

$T_B=\frac{q}{2\mathrm{\π\κ}}{e}^{\mathrm{\β\α}}{K}_0\left(\mathrm{\β\α}\right);$

于是B、A两点的温差ΔT可表示为：

$\mathrm{\ΔT}=T_B-T_A=q\frac{q}{2\mathrm{\π\κ}}(e^{\mathrm{\β\α}}-e^{-\mathrm{\β\α}})K_0\left(\mathrm{\β\α}\right)---\left(4\right)$

由于β＝C_wθU/2K，式(4)给出了流速U与温差ΔT的关系，这里可以看到，温差与流速之间是非线性关系。C_w(水的单位体积热容量)是已知量，q(热脉冲单位长度的发热量)与a(探针之间的距离)是在设计时选定的，参变量θ(地层体积含水率)和K(地层热导率)是随介质条件而变化的，即需要由测定来获得，我们的仪器可以测定热导率和含水率θ值。由于温差ΔT和流速U之间是非线形关系，而且参变量热导率K和体积含水率θ又是随介质条件(不同的地层，地层的不同含水率，水份不同的运移速度等)而变化的，所以检测仪器的CPU用内置的数据拟合反演软件(曲线拟合)处理得出渗透速度值。所述的数据拟合反演软件是用连续曲线近似地刻画平面上离散点组所表示的坐标之间函数关系的一种常用方法。

由热传导方程可以得出，在地层水流速为0的情况下，热脉冲探针6的热脉冲发出后，同一时刻地层上、下探针1的温度相同，即温差为0。随着地层水流速增加，下侧探针的温度因为水流的影响将比上侧探针温度升高的快，同一时刻的温度值要比上探针高。水流速度越快，温差越大。由地层水运移引起的温差值是很小的，最大温差也不超过1℃。三针复合式探头的下侧探针接检测仪器差分放大的正极，上侧探针接检测仪器差分放大的负极，这样若温差为正值，就是地层水向下渗透的速度，为负值就是地层水向上蒸发的速度。

已知热脉冲的发热强度q＝60J/ms，温差探针至热源的距离a＝20mm，地层的热导率和含水率上面已经测定，上下探针的温差值也已测出，把这些值带入公式(4)中，便可得到渗透速度值。

由此，获得包括地层温度、热导率、含水率和渗透速度四个地层水热参数。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种地层水热参数原位检测方法，包括有一个地层水热参数原位检测仪器，该检测仪器带有一组三针复合式探头且内置有热脉冲控制电路，各三针复合式探头由间距相同、位置固定的三根探针组成，两侧的探针中均装配有一支铂电阻温度传感器，中间的一根探针装配有热脉冲发生器，在该检测仪器的中心处理器中内嵌有热导率处理程序和数据拟合反演软件；将该组三针复合式探头分别埋设地层下面预定的各监测点处，且各三针复合式探头的三针竖向布设；所述的地层水热参数包括地层温度、热导率两个热参数和含水率、渗透速度两个水参数；其特征在于所述的方法如下：

1)首先通过各三针复合式探头两侧的探针依次测得各监测点处地层的温度，将测得的地层温度值存入检测仪器的RAM中；

2)由检测仪器的中心处理器CPU控制各三针复合式探头中间探针发出热脉冲，同时开始采集各三针复合式探头下探针的温度值及其对应的时间，采集从热脉冲发出到80秒这段时间内下探针测得的全部温度值数据，从中截取20秒至75秒之间段的数据，由中心处理器CPU利用内嵌的热导率处理程序计算出地层的热导率；

3)再利用含水率和热导率之间的经验公式得到各监测点处地层的含水率；

4)把各监测点处地层的热导率和含水率值存入检测仪器存储器RAM中；

5)开始温差测量，获取各三针复合式探头上、下两侧探针处的温差ΔT值，用数据拟合反演软件处理，得到该监测点处地层水参数的渗透速度值，将其存入检测仪器或检测仪器的RAM中。

2.如权利要求1所述的地层水热参数原位检测方法，其特征在于：步骤2中，所述热导率处理程序中是先用获取的20秒至75秒之间的数据求温度对时间的线性回归，得出回归方程，再对求出的热导率K’值做如下修正：

K＝aK'+b，其中，a＝0.85,b＝-0.006；

其中,K为修正后的热导率。

3.如权利要求1所述的地层水热参数原位检测方法，其特征在于所述步骤3中对于含水砂土组成的地层，含水率θ和热导率K之间的经验公式为：K＝b₀+b₁θ+b₂θ^0.5其中，b0，b1，b2是经验常数，

b₀，b₁，b₂分别为0.228，-2.406，4.909。

4.如权利要求1所述的地层水热参数原位检测方法，其特征在于所述步骤5中：在开始温差测量前，让前序步骤中三针复合式探头发出热脉冲的中间探针放热，最少持续2分钟。

5.如权利要求1所述的地层水热参数原位检测方法，其特征在于：所述的一组三针复合式探头埋设于地层的不同深度，安装过程中采用人工开挖竖井的方法，由工人下到竖井里面，把探头竖直插进不同深度的井壁中，探头安装完毕后，用原位土回填至孔口。

6.如权利要求5所述的地层水热参数原位检测方法，其特征在于：将三针复合式探头两侧的探针中标有W字样的探针作为下侧探针，该下侧探针接检测仪器差分放大电路单元的正极，上侧探针接检测仪器差分放大电路单元的负极。

7.如权利要求1所述的地层水热参数原位检测方法，其特征在于：所述三针复合式探头中间的装配有热脉冲发生器探针的参数为：探针外径3mm，内径2.4mm，壁厚0.3mm，探针长度100mm。

8.如权利要求7所述的地层水热参数原位检测方法，其特征在于：所述三针复合式探头的各邻接的两个探针间距离为20mm。