基于主动加热分布式光纤传感技术的水域沉积层土-水-气界面动态监测方法研究

针对传统监测技术难以实时获取水域沉积层多界面动态信息的难题，南京大学团队创新性地开发了高分辨率主动加热分布式温度传感（HRAH-DTS）系统。通过等效热导率梯度与温度特征值双指标分析，实现了土-水-气界面厘米级精度的原位识别，为河床侵蚀/沉积过程监测提供了全分布式、抗干扰强的技术方案，相关成果发表于《Journal of Hydrology》。

　　

水域生态系统的稳定性与河床侵蚀、沉积过程密切相关，而传统监测手段如人工测深仪、声呐探测等存在空间分辨率低、抗干扰能力差等局限，难以捕捉土-水-气界面的动态变化。这一技术瓶颈直接影响了洪水预警精度和水利工程安全评估。针对这一挑战，南京大学团队在《Journal of Hydrology》发表的研究，开创性地将主动加热分布式光纤传感技术（AH-DTS）应用于多界面监测领域。

研究团队开发了高分辨率碳纤维加热测温管（HRAH-DTS），通过建立温度特征值空间梯度与等效热导率（λ_soil）的双重判据，实现了对土壤-水（SWI）、水-空气（WAI）和土壤-空气（SAI）界面的同步识别。关键技术包括：1）基于热传导方程构建等效热导率计算模型；2）优化碳纤维加热电缆的缠绕工艺提升空间分辨率至厘米级；3）设计透明亚克力柱体室内实验验证系统。

等效热导率测量原理
通过求解含对流项的热传导方程，发现不同介质（土壤/水/空气）的λ_soil存在数量级差异。土-水界面处λ_soil梯度突变达0.15 W/(m·K)/cm，成为界面识别的关键指标。

高分辨率AH-DTS传感器
将碳纤维加热缆以5 cm间距缠绕于PVC管，配合DTS系统实现0.01°C温度分辨率。该设计使测温管兼具加热源与传感器双重功能，突破传统DTS 1 m空间分辨率的限制。

实验验证
在30 cm直径的亚克力柱中模拟侵蚀-沉积过程，HRAH-DTS系统成功识别出SWI界面位置误差<±1.5 cm，并能通过λ_soil波动特征区分静水与流速>0.3 m/s的紊流状态。

这项研究的突破性在于首次将AH-DTS技术拓展至三相界面监测领域。相比传统方法，该技术具备三大优势：1）全分布式测量可捕捉界面瞬态变化；2）抗电磁干扰特性适用于洪水等极端环境；3）等效热导率指标可间接反映孔隙水流速。研究为河床侵蚀预警、水利工程安全评估提供了革新性工具，未来可通过场外观测进一步验证其在天然河道中的适用性。值得注意的是，团队在CRediT贡献声明中明确标注了Dao-Yuan TAN作为通讯作者负责方法论构建与基金统筹，Ke Fang则主导了实验验证与可视化工作，这种分工模式确保了技术开发与实证研究的紧密结合。