地层水热参数原位检测方法研究与传感器研制

在近年来兴起的地温资源开发与地源热泵技术应用中，迫切需要各个地层的原位水热参数。地层中热参数的分布情况和水的运移规律在环境、水文、土壤等许多领域有重要的意义。本项目以固体的热传导物理方程为理论基础，通过热传导方程不同边界条件下的解，开展岩土体水热参数原位检测方法研究和传感器研制。我单位曾以该方程在稳态条件下的解为理论基础研制出温差式微流速仪，用于测量饱和状态下的包气带水渗透速度，效果令人满意。在前人工作的基础上，项目首先开展热传导方程瞬态条件下的理论计算工作，单探针热导率传感器设计将充分逼近给定的边界条件，并模拟不同矿物组成、不同含水率、不同渗流速度的地层进行室内模拟试验研究。在此基础上开展比热容、含水率、渗透速度等多参数传感器的研究工作，以三探针传感器为主、以不饱和含水层为重点，研究影响测量结果的各个关键因素，探头设计和数学算法互相匹配，使研究成果适于推广应用。

在近年来兴起的地温资源开发与地源热泵技术应用中，迫切需要知道各个地层的原位水热参数。地层的水热参数在环境、水文和土壤等许多领域都有重要的意义。但由于地层巨大的空间和时间变异性，使地层水热参数原位检测一直是一难题。本项目以热传导方程为理论基础，通过热传导方程不同边界条件下的解，开展了地层水热参数原位检测系列传感器的研制与室内模拟实验和野外安装运行完整水文年的工作。主要成果包括热传导方程瞬态条件下的求解，在给定边界条件的情况下，推导出了热导率和微流速值的解析解，在解析解的基础上，完成了系列水热参数传感器的设计加工。设计加工了单探针热导率传感器、二针水热参数快速检测传感器和三针热脉冲水热参数传感器。完成了传感器的几何尺寸与测量精度的实验研究，确定了传感器不同尺寸结构对测量范围和精度的影响，从而使地层水热参数原位检测传感器设计更符合给定边界条件。在实验室内完成了对比测试，进一步优化了传感器的几何尺寸，获得三项专利技术，填补了热脉冲研究方面的空白，也是该项目的创新之处。由解析解得到的热导率计算公式，由于各种系统因素的影响，实际计算热导率值的公式又做了进一步的修正，由试验数据得出了修正公式。完成了传感器测试用前端机软硬件设计和室内测试试验装置的制作。设计研制的前端机具有便携、低功耗的特点，能够方便地实现原位测量。完成了测温模块软件和数据接收处理软件的编写。在达西渗透定律原理的基础上设计制作了室内模拟装置。在实验室条件下，完成了温度精度测试试验、温差测试试验、热导率测试试验、饱和状态下地层水微流速测试和非饱和状态下地层水微流速测试，得到的测量值和实际值都能很好的符合，达到了预定的试验目的。把三套传感器和前端机安装于中国地科院水环所包气带地下水循环监测洞室中，运行了一整个水文年，经历了旱季和雨季，获取了大量实测原位数据，本项目的成功实施，不仅为地层水热参数原位检测提供了新手段，也促进了热脉冲技术本身的发展，对地层水热参数原位检测具有重要意义。