利用分布式温度传感检测和定位钻孔换热器场地中地下水流的分析方法

《Geothermics》：Analytical methods for detecting and locating groundwater flow in Borehole Heat Exchanger fields using distributed temperature sensing

　　

两种分析方法可检测和定位钻孔换热器（Borehole Heat Exchanger，BHE）场地中含水层的存在。分布式温度传感（Distributed Temperature Sensing，DTS）现场数据揭示了传导型热场中的对流侵入。在非活动场地中，含水层热移除通过体积热生成得到量化。在活动场地中，热松弛速率用于定位受地下水影响的地层。研究结果通过水位计对含水层深度的测量得到验证。

该研究发表于《Geothermics》，聚焦钻孔换热器（Borehole Heat Exchanger，BHE）场地中地下水流检测与定位难题。在地下热传导为主的场地中，地下水对流侵入可显著改变温度场分布，但低流速侵入往往不会产生即时热异常，却会影响系统中长期运行效率。传统温度测井和数值模型在定量分析上存在局限，尤其是缺乏将温度观测转化为地下水流信息的成熟方法。分布式温度传感（Distributed Temperature Sensing，DTS）技术可提供高时空分辨率的温度剖面，但以往研究多限于定性证据，缺乏独立验证。为此，研究人员在意大利罗马ENEA-Casaccia研究中心的低焓地热系统上开展实验，提出两种互补的分析方法，分别适用于未扰动和主动运行条件，并通过独立的水位计测量进行验证。

在实验设计上，场地包含四个深度分别为35、50、70、85米的BHE井和一个监测井P5，井间距9米，热干扰可忽略。DTS系统以2米垂直分辨率测量温度，精度为0.12K。场地附近两个水位计（PZ1和PZ2）相距100米，测得水力梯度为9毫米/100米，指示Bracciano湖区域含水层的存在。岩心实验室测量提供了各层的热导率、密度和比热容等热物性参数。未扰动监测持续2021年5月1日至2022年4月30日，主动测试在2024年7月1日至11月15日进行，共7次热交换测试，每次持续6小时，储热入口温度35°C，取热温度15°C，测试间隔至少14小时。

关键技术方法上，未扰动分析基于一维热传导方程，通过最小二乘法拟合温度时间序列与深度剖面，计算等效内部体积热生成率（q″_vol,i），该量代表含水层从控制体积中移除的热量；主动分析引入热松弛比率ψ_relax,i和特征松弛时间t^*_relax,i，定义松弛率k_i为t^*_relax,i的倒数，并以阈值θ=0.33判定扰动消退程度。误差评估遵循Moffat和Witte的误差传播框架，温度导数的不确定性由DTS精度0.12K通过最小二乘估计传递。此外，结合降雨数据分析季节性变化对含水层热交换的影响。

结果方面，研究人员首先在未扰动条件下分析了P4井2021年8月31日至2022年2月8日的数据。每日体积热生成率与日平均值之间的偏差显示，20至30米深度范围内的地层表现出显著异常，偏差量级为30～70毫瓦每立方米（mW/m³），超过传播不确定度（约10 mW/m³）的3～10倍，确立其统计显著性。该深度区间与岩芯记录的22～32米高导熔岩层一致，也与水位计实测含水层深度相符，从而验证了未扰动方法的可靠性。同时，研究人员发现异常层位的深度随季节变化，与2021年11月意大利雨季开始相对应，并通过对比降雨数据确认降水量对地下水与BHE之间热交换深度和强度的影响。

在主动运行条件下，研究人员对P4井的7次热测试数据进行分析。将各层每小时松弛率相对于所有层均值的偏差除以标准差，得到标准化偏差。统计结果显示该偏差分布近似高斯分布，超出预期范围的点对应异常层位。在20至30米深度，标准化偏差从负值过渡到正值，表明该区间从低渗透性向高渗透性过渡，与熔岩层中裂缝增加一致。特别是接近30米处，松弛率显著上升，意味着地下水对流加速了热波衰减。数据点的聚类表明各层在所有测试中表现出稳定的松弛行为，说明松弛率主要受地下水入侵控制，而非瞬态热激励的具体排程。这一结果与水位计所指示的26米以下熔岩层高渗透性和裂隙化特征吻合。

讨论部分指出，研究中采用的阈值（θ=0.33）和导数计算窗口（23天）是针对该特定场地的水热地质条件校核的，相关参数迁移至其他地质背景时需进一步验证，但这一局限不影响结果的内在一致性——两种独立分析方法相互印证，且均得到水位计直接测量的支持。总体而言，两种方法为在传导主导型热场中检测和定位对流侵入效应提供了实用且可扩展的分析框架：一种以体积热生成率量化含水层热移除，另一种通过特征松弛时间评估热扰动后的散热速率。

研究结论可概括为：本研究提出了两种互补的分析方法，用于在未扰动和热扰动条件下检测和定位BHE场地中的地下水流。通过DTS实验数据，第一种方法量化了体积等效热生成率，揭示熔岩层附近更强的热移除，且受影响深度随雨季推进而变化；第二种方法通过松弛率识别出更快速恢复的层位，表明地下水对流增强散热。两种方法在同一钻孔上给出一致结果，水位计直接测量确认了含水层深度。未来工作应测试场地标定参数在不同水文地质条件下的可转移性，以推广该框架。该研究增进了对非均质含水层环境中BHE运行性能的理解，并对所有存在对流侵入的传导型热系统具有参考价值。