黄土的导热系数：实验研究和经验模型

土壤热特性对于农业、工程和环境科学至关重要。土壤导热系数是表征热性质的关键指标，它反映了地下空间传输和储存热量的能力。

了解导热系数的影响因素和机制对于植物的萌发和生长以及深层矿产和地热资源的开发利用至关重要、埋地高压电缆的散热、核废料深层地质处置的热导率，以及垃圾填埋场衬垫系统的设计。

在过去的几十年里，土壤热导率一直在现场和室内进行测量。室内测试比现场测试更容易操作，测试时间更短，不受现场气候条件的影响，并且节省资金。

以往的研究发现，土壤的导热系数与矿物质含量、土壤性质、孔隙度、含水量、干密度和温度密切相关，并获得了热导率与相关因素之间的经验关系。

然而，这些实验研究大多在室温下进行，在计算导热系数时很少考虑温度的影响。Boersma和Sepaskhah在研究热导率对温度的影响时，采用了加热探针技术来测量砂质、粉质粘土的热导率；然而，只考虑了两种温和的温度（25℃和45℃）和有限的含水量。

坎贝尔等人使用探针技术测量了九种不同土壤类型的导热系数，包括粗土、中土和细土，温度范围为30°C至90°C。该数据仅在较低温度（30oC和50oC），因为在70oC和90oC时随着水含量的变化它变得有些不稳定。

近年来，尼古拉耶夫等人史密茨等人）和徐等人研究了温度对渥太华沙和里士满山细砂壤土、硅砂和红粘土导热系数的影响。发现50℃以上热导率大幅增加，这归因于蒸汽的潜热传递。

结果表明，不同土壤的导热系数随温度和饱和度的变化有不同的变化趋势。然而，有关黄土在较宽温度范围内导热系数的实验数据很少。大多数现有实验数据仅考虑含水量、干密度和孔隙率对导热系数的影响。

图2 导热系数测试示意图

在中国，黄土分布广泛，面积约64万平方公里。由于黄土独特的结构特征，过去几十年来研究人员一直致力于研究其工程力学性能。

然而，对于黄土热性质的研究却很少。由于对黄土导热系数与温度关系的认识有限，黄土地区地热资源利用、地下空间热环境危害防治等热工问题尚未得到有效解决。

因此，研究黄土导热系数的温度依赖性势在必行。在温度作用下，土体的传热不仅包括颗粒间的接触传热，还包括难以量化的水蒸气潜热传递。

因此，目前很少有考虑温度的热导率预测模型是第一个开发预测模型的人，该模型考虑了温度引起的水蒸气扩散和增强的热传递Campbell和Tarnawski修改了DeVries模型以获得Campbell和deV-1、deV-2模型。

塔尔纳夫斯基等人和Leong等人提出了基于自洽近似的颗粒间接触传热模型，考虑了颗粒间接触传热和水蒸气潜热传递。但上述理论模型计算参数复杂，不确定性值较大，存在局限性。Tarnawski经验模型包含七个拟合参数，这些参数高度依赖于实验数据，因此不切实际。

由于大温度范围内黄土导热系数实验数据的缺乏以及现有导热系数温度模型的局限性而，导热系数是开发利用地热资源的重要指标。

本研究通过使用Hot Disk热常数分析仪研究不同含水量、干密度和温度下饱和和非饱和黄土的导热系数，探讨地下环境因素对黄土导热系数的影响。

结果表明，随着含水量的增加，非饱和原状和重塑黄土的导热系数呈现出不同的增长趋势。当含水量小于9%时，原状土的导热系数增加缓慢。非饱和黄土的导热系数随温度的升高而逐渐增大。

当温度升高到30℃以上时，蒸汽的潜热传递逐渐加强，加速导热系数的增加，这在中间饱和时最为明显。但饱和黄土的导热系数随着温度的升高而缓慢上升。

本研究提出了加权几何平均模型来预测温度条件下黄土的导热系数，考虑土壤含水量、干密度和矿物质含量的影响。测量的土壤热导率和从六个区域收集的数据证实了模型的准确性。

1.Wang, J., Deng, J., Zheng, J. et al. Thermal Conductivity of Loess: Experimental Studies and Empirical Model. KSCE J Civ Eng 28, 644–654 (2024). https://doi.org/10.1007/s12205-023-0773-x.

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