基于布里渊传感器的主动分布式温度传感评估冲积含水层地下水通量的新方法

《Journal of Hydrology》：A new approach for groundwater fluxes assessment in alluvial aquifers using Active-DTS with a Brillouin-based sensor

　　

光纤分布式温度传感（Distributed Temperature Sensing, DTS）已成为在各种水文地质背景下估算地下水通量的广泛使用的方法。基于拉曼（Raman）的传感器是最常用的DTS单元，但它们依赖于校准，而对于持续数天的实验，维持校准可能具有挑战性。本文提出了一种使用基于布里渊（Brillouin）传感器（DITEST）的新方法。该方法依赖于布里渊频移（Brillouin Frequency Shift, BFS）与光纤温度之间的线性关系，该关系不受光损耗影响。研究人员在Port-Douvot实验站点进行了电阻率层析成像（Electrical Resistivity Tomography, ERT）剖面和岩心取样，以评估冲积沉积物的横向和纵向非均质性。这些调查确定冲积沉积物平均厚度为10?m，顶部为黏土质砂层（约5?m），覆盖在第二层粗砾石和卵石层（约5?m）之上。研究人员进行了点稀释试验（Point Dilution Tests, PDTs）以研究可能的地下水通量q范围，结果显示通量范围为1.2?×?10^-5至8.2?×?10^-7?m/s。布里渊主动DTS测量以1?m的空间分辨率、0.25?m的采样间隔和0.2°C的温度灵敏度进行。水平地下水通量q的垂直变化与地下非均质性一致。估算的通量跨度比点稀释试验更窄，介于1.0?×?10^-7至7.0?×?10^-7?m/s之间，但仍属合理。频率测量是绝对的且无需任何现场校准，这一事实使布里渊传感成为长期监测的有吸引力的工具。

**论文解读：基于布里渊传感器的主动分布式温度传感在冲积含水层地下水通量评估中的应用**

**研究背景与问题**
地下水通量的准确评估对于水资源管理至关重要，但传统方法如抽水试验和示踪试验仅能提供单一水力传导率K或地下水通量q值，难以解析含水层因横向和纵向非均质性导致的空间变异性。热基方法，尤其是光纤分布式温度传感（Distributed Temperature Sensing, DTS），通过将温度作为天然示踪剂，能够以高时空分辨率获取连续数据。然而，最常用的拉曼（Raman）基DTS传感器依赖现场校准，在长期实验中校准维持困难；瑞利（Rayleigh）基传感器虽精度高，但对环境噪声敏感，不适用于野外。布里渊（Brillouin）基传感器基于布里渊频移（Brillouin Frequency Shift, BFS）与温度的线性关系，测量绝对频率，不受光损耗影响，且无需现场校准，在土木工程监测中已广泛应用，但在环境科学中应用极少。因此，研究人员首次尝试将布里渊传感器用于冲积含水层地下水通量的野外评估，以验证其可行性与优势。该研究发表在《Journal of Hydrology》。

**主要关键技术方法**
研究人员在法国Port-Douvot实验站点（属于H+国家观测服务AUVERWATCH站点）开展了以下关键技术方法：1）电阻率层析成像（Electrical Resistivity Tomography, ERT）获取二维电阻率剖面，揭示横向非均质性；2）连续岩心取样（长9.94?m）进行岩性描述，识别纵向非均质性；3）点稀释试验（Point Dilution Tests, PDTs）使用NaCl示踪剂，通过电导率监测估算达西通量q；4）布里渊主动分布式温度传感（Active-DTS）实验，采用DITEST传感器（基于布里渊光学时域分析BOTDA模式）和热脉冲系统（Heatpulse System, HPS）加热光纤，利用移动瞬时线源（Moving Instantaneous Line Source, MILS）模型解释热响应曲线，估算热导率λ和地下水通量q。

**研究结果**
**3.1 冲积沉积物的纵向和横向非均质性**
通过岩心取样和ERT剖面，研究人员发现冲积沉积物平均厚10?m，上部为黏土质砂层（约5?m，低电阻率30–100?Ω·m），下部为粗砾石和卵石层（约5?m，高电阻率130–200?Ω·m）。岩心显示在233.67?masl处存在明显的粒度突变，与ERT剖面西南端的高低电阻率层对应，但ERT在亚米级非均质性分辨率上受限。这些非均质性表明粗粒层可能作为地下水优先流动通道。

**3.2 点稀释试验估算的地下水通量**
五组PDT（PZ1、PZ3、PZ5、PZ7）的恢复曲线显示，通量恢复时间从2.45?h到28?h不等，估算的达西通量q范围为8.17?×?10^-7?m/s至1.23?×?10^-5?m/s（比值15），平均值为3.0?×?10^-6?m/s（针对相同筛管间隔的PZ1、PZ5、PZ7）。该宽范围反映了冲积含水层的结构非均质性。

**3.3 布里渊主动DTS实验估算的地下水通量**
**3.3.1 光纤温度剖面**
加热前和加热期间的温度剖面显示，控制孔F1和F5温度稳定（13.91?±?0.13°C和15.27?±?0.15°C），加热孔F2、F3、F4温度响应正确，温度峰值30–50°C对应电连接点。饱和区温度随深度从10°C增至14.4°C，与附近RBR传感器测量值一致。

**3.3.2 热响应随时间变化**
热响应曲线分为三个阶段：早期（10²–10³?s）温度急剧上升，由光纤热特性控制；中期（10³–4?×?10⁴?s）传导控制热传递；后期（约28?h后）达到稳态，对流主导散热。整个加热持续72?h。

**3.3.3 水平地下水通量的深度变化**
通过MILS模型估算的热导率λ范围为1–5?W/m/K，与饱和砂砾石介质一致。水平地下水通量q在饱和区的垂直分布与岩性非均质性吻合：在黏土质砂层（234.5–233.5?masl）通量最低（约2.1?×?10^-7?m/s），在粗粒层（232.5–229?masl）通量增加，最大达7.0?×?10^-7?m/s（F2和F4），并在夹有黏土层的区域降低。F2、F3、F4的平均通量分别为3.8?×?10^-7、4.1?×?10^-7和3.3?×?10^-7?m/s，通量变化与岩心描述的粒度变化一致。

**讨论与结论**
讨论部分指出，ERT与岩心结果在PZ3处一致，但在PZ6处存在2.5?m的差异，可能源于反演伪影或采样点不足。PDT通量范围宽（1.2?×?10^-5至8.2?×?10^-7?m/s），而A-DTS通量范围较窄（1.7?×?10^-7至7.0?×?10^-7?m/s），但均处于文献报道的冲积含水层通量范围内。A-DTS通量在深度上的变化与纵向非均质性一致，但接近检测下限，需谨慎解释。光纤安装方式（钻孔回填）影响接触质量，可能影响结果。布里渊传感器的优势在于频率测量绝对、无需现场校准，且可进行长距离（50–150?km）监测，适用于长期被动监测。然而，1?m的空间分辨率在饱和带较薄时受限，未来需改进至厘米级。

**研究结论翻译**：在本研究中，研究人员提出使用基于布里渊的传感器（DITEST）进行主动分布式温度测量，以估算自然地下水流动条件下的通量。该方法基于布里渊频移（GHz）与光纤温度（°C）之间的线性关系。DITEST以1?m的空间分辨率、0.25?m的采样间隔和0.2°C的温度灵敏度测量沿光纤电缆的绝对频率数据。进行布里渊背向散射测量无需温度控制浴（控制浴仅用作光纤上的参考点）。研究人员进行了电阻率层析成像剖面并提取了10?m深的岩心样本，以调查冲积沉积物的横向和纵向非均质性。研究表明，水平地下水通量的垂直分布与地下非均质性一致。使用食盐（NaCl）进行的点稀释试验（PDT）评估了研究区域可能的地下水通量范围，A-DTS得出的通量落在PDT估算的下限范围内，但仍属合理。据研究人员所知，这是首次在野外部署基于布里渊的传感器以估算冲积含水层中的地下水通量。需要进一步工作以更好地界定该方法的局限性。最后，目前正在进行比较布里渊与拉曼精度和分辨率的调查。