分布式光纖溫度示蹤識別裂隙地下水流動研究進展

符韻梅，董艷輝，徐志方，王禮恒，段瑞琪，趙少樺

(1.中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院地球科學研究院，北京 100029； 3.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；4.中國科學院地質與地球物理研究所新生代地質與環(huán)境重點實驗室，北京 100029)

識別地下水滲流通道和流動狀態(tài)，是預測裂隙介質中地下水流動行為的基本前提，也是目前裂隙地下水研究的熱點問題之一。溫度作為地下水的天然示蹤劑，具有環(huán)境無污染，測量精度高及監(jiān)測方便等優(yōu)點，早已被研究人員引入水文地質領域，并在地下水流動識別研究中得到應用[1-2]。就裂隙巖體而言，裂隙或周邊圍巖的溫度場分布可能會受到地下水流的擾動，使鉆孔中的垂向溫度剖面出現(xiàn)異常，這些異常可用于識別裂隙的分布及地下水的流動狀態(tài)。研究人員使用溫度探頭監(jiān)測獲取鉆孔垂向溫度剖面的異常變化，可定位鉆孔中連通裂隙的位置，并對地下水的流動狀態(tài)(水頭、流速等)進行識別，甚至可據(jù)此進一步推測連通裂隙的水力性質(水頭、傳導系數(shù)等)[3-5]。但利用溫度探頭進行監(jiān)測時，通常需要將探頭在鉆孔中進行上下拖拽，即使探頭的移動速度非常緩慢(<1.5 m/min)，也往往會擾動鉆孔中水柱的溫度。此外，溫度探頭一次測量只能獲取單點的溫度，通常需要幾小時才能獲取整個鉆孔的垂向溫度分布，測量數(shù)據(jù)的時空連續(xù)性較差。因此，受測溫技術的限制，溫度示蹤并未在裂隙地下水的流動特征識別研究中得到廣泛應用。

表1 基于DTS的溫度示蹤試驗研究一覽

隨著光纖技術的發(fā)展，溫度測量技術由溫度探頭的點式測量發(fā)展到分布式光纖測溫(distributed temperature sensors，DTS)的連續(xù)測量[6]，極大地擴展了溫度監(jiān)測的空間和時間連續(xù)性。分布式光纖測溫技術基于Raman散射原理，通過測量后向散射光強得到沿光纖分布的溫度，實現(xiàn)了高精度、高分辨率、強連續(xù)性的溫度監(jiān)測，且測量方便，成本經濟，在火災探測、電網監(jiān)測、管線監(jiān)測、石油天然氣開發(fā)等領域得到了廣泛的應用[7-8]，在水文地質領域的應用則主要集中于地表水-地下水相互作用研究[6,9-13]。目前，基于DTS的溫度示蹤正逐漸成為裂隙地下水流動特征識別研究的重要手段[14]，在識別地下水流動狀態(tài)、鉆孔間連通裂隙分布甚至裂隙水力性質等方面取得了許多新的進展。

盡管2000—2017年涉及分布式光纖測溫技術在水文學領域應用的論文有上百篇[15]，證明了該技術逐漸成為水文學主流工具的趨勢，但國內關于分布式光纖測溫應用的研究卻相對缺乏，涉及裂隙地下水流動特征識別的更是少之又少(表1)。因此，本文在闡述分布式光纖測溫原理的基礎上，對該技術在場地尺度裂隙巖體地下水流動特征識別中的應用現(xiàn)狀進行了梳理，并對其應用方式及范圍進行了歸納，最后總結分析實際應用中需要重點關注的因素，并展望了基于DTS的溫度示蹤方法在裂隙地下水研究中的發(fā)展趨勢。

1 分布式光纖測溫技術

1.1 分布式光纖測溫技術的發(fā)展歷程

在過去的30年中，分布式光纖傳感(distrubuted optical-fiber sensor,DOFS)技術在多個研究領域中得到了廣泛的應用。20世紀80年代后期，隨著為通訊行業(yè)開發(fā)的實用性強、損耗低的單模光纖出現(xiàn)，DOFS及其相應的儀器開發(fā)開始作為一門獨立學科出現(xiàn)。該技術以光纖為傳輸媒介，以光波為信息載體，對沿光纖路徑上的外界信號進行感知，從而得到被測量場的時空連續(xù)分布信息，實現(xiàn)分布式測量。DOFS的傳感物理機制基于光在光線中的散射或相互作用，包括瑞利(Rayleigh)散射、光纖干涉儀、偏振模式耦合、拉曼(Raman)散射和布里淵(Brillouin)散射等[28]。它的第一個主流應用是光纖陀螺儀，隨后出現(xiàn)了光時域反射儀。光時域反射儀發(fā)射短激光脈沖，利用光在光纖中傳播產生的后向散射光傳輸時間實現(xiàn)對測量點的定位，利用后向散射光的強度變化實現(xiàn)對外界環(huán)境參量變化的測量，傳感參量包括振動、應變、溫度等[29]。基于拉曼散射和光時域反射原理對沿光纖方向的溫度空間分布進行監(jiān)測的技術，被稱為DTS。DTS不僅可實現(xiàn)連續(xù)、分布式且實時的溫度監(jiān)測，還同時具有抗電磁干擾、耐腐蝕、遠程監(jiān)控、高靈敏度、安裝簡便、長壽命等特點，在管道、隧道、電纜、石油石化、煤礦、水文等領域具有極大的應用潛力。

早在20世紀80年代，DTS就被引入市場，首先在石油天然氣行業(yè)得到應用，隨后很快開始進入水文學領域。Hurtig等[16]基于DTS，開展攜帶熱源的注水試驗，對裂隙巖體中的地下水流動進行了探測。但直至Selker等[30]對DTS在水文領域的應用進行全面綜述之后，才真正開始了該技術在水文領域的廣泛傳播應用。發(fā)展至今，DTS測溫精度可達到0.01℃，監(jiān)測距離最長可達35 km，可在0.29 m的空間分辨率下以2 s為采樣間隔對鉆孔中的溫度分布進行監(jiān)測[31]。

1.2 分布式光纖測溫的基本原理

分布式光纖主要基于拉曼散射原理進行測溫。激光器發(fā)出的激光脈沖在光纖中傳輸，與光纖內分子發(fā)生相互作用，發(fā)生光的散射。散射光向四周傳輸，但有一部分散射光會沿光纖向相反方向(即背向)傳輸，這些背向散射光中除了保持原有入射光波長(λ0)的瑞利散射光，也包括了具有新的頻率和波長的拉曼散射光。拉曼散射光包括斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(anti-Stokes)。斯托克斯光波長大于原入射光(λs=λ0+Δλ)，與溫度無關，而反斯托克斯光波長小于原入射光(λas=λ0+Δλ′)，光強隨溫度變化。因此反斯托克斯光強與斯托克斯光強的比值即可反映散射點溫度的高低。此外，基于入射光與返回散射光之間的時間差可對溫度采樣點的位置進行定位，實現(xiàn)沿光纖的分布式測溫[12,30,32]。

2 基于DTS的溫度示蹤在裂隙地下水流動特征識別中的應用

依據(jù)試驗方式的不同，目前基于DTS開展的溫度示蹤試驗主要分為被動溫度示蹤(passive mode)與主動溫度示蹤(active distributed temperature sensing，A-DTS)。兩種試驗方式的區(qū)別主要在于溫度監(jiān)測過程中是否有人為熱源(或冷源)的進入。被動溫度示蹤可在不同的水力條件下開展，分析不同水力條件下鉆孔中溫度隨深度的變化；主動溫度示蹤可通過點源加熱或線源加熱改變鉆孔中的熱量分布，分析鉆孔溫度-深度剖面的響應。此外，取決于研究目的，DTS可直接在裸孔(open borehole)中監(jiān)測，也可測量封閉鉆孔(sealed borehole)中的垂向溫度分布，試驗手段豐富多樣(表1)?；跍y量的溫度剖面，研究人員可通過解析或數(shù)值方法獲取鉆孔中地下水的流速、流向，并對鉆孔中連通裂隙進行定位，甚至進一步推測裂隙的滲透性質。另外，基于DTS開展的溫度示蹤也可以與其他示蹤方法聯(lián)合運用，互相驗證補充，對場地中的地下水滲流通道及流動狀態(tài)進行識別(圖1)。

圖1 基于分布式光纖的溫度示蹤試驗方法(改自Maldaner 等[27])

2.1 基于DTS的被動溫度示蹤(passive mode)

基于DTS的被動溫度示蹤是指在不引入人為熱源(冷源)的情況下，對鉆孔溫度-深度剖面進行監(jiān)測，如圖1(a)所示。

由于裂隙中地下水溫度與圍巖溫度存在明顯差異，當?shù)叵滤诹严吨械牧鲃虞^為強烈時，可能會引起鉆孔的背景溫度剖面(即在無其他人為水力干擾下測得的鉆孔溫度隨深度的變化曲線)的突變(陡降或陡升)。根據(jù)這種突變，可以對鉆孔中的連通裂隙進行定位[33-34]。若地下水在裂隙中的流動較弱難以觀測到溫度剖面的突變時，也可通過改變鉆孔中水力條件使溫度異常更加明顯，例如在多個鉆孔中開展協(xié)同抽注水試驗。這不僅能定位連通裂隙，還能使用解析方法或數(shù)值模型進一步估算鉆孔中的流速分布，分析鉆孔之間的水力聯(lián)系[35-37]。但是，若裂隙中地下水與圍巖的溫度沒有明顯的差異或差異較小，僅采用被動溫度示蹤很難得到連通裂隙的位置分布。此時，也可以考慮再開展主動示蹤試驗，將被動溫度示蹤測得的背景溫度剖面作為對照組進一步識別分析。

2.2 基于DTS的主動溫度示蹤(A-DTS)

若裂隙中地下水與圍巖的溫度差異較小，可考慮向鉆孔中引入人為熱源(或冷源)，對鉆孔中的地下水進行主動加熱(或加冷)，即采取主動模式開展溫度示蹤試驗(即A-DTS)。主動加熱的方式分為點源加熱與線源加熱。點源加熱是指采用注水試驗或電阻加熱器對鉆孔中某一特定深度點的地下水進行加熱(圖1(b))；線源加熱是指在鉆孔中安裝線性的熱源，對某一深度段或整個鉆孔中的地下水柱進行加熱(圖1(c)(d))。

主動熱源的引入方式也可分為流體注入及電力加熱。前者指向鉆孔中注入與背景流體溫差較大的流體引起熱異常；后者主要指使用電阻加熱器或金屬導線等電力加熱元件對鉆孔中地下水進行加熱。以流體注入方式開展A-DTS對設備的安裝要求相對較低，但容易擾動鉆孔中原始的流動狀態(tài)，改變地下水的流速或流向；電力加熱方式雖然安裝和監(jiān)測相對復雜，但比直接注入流體的擾動小，且更容易量化輸入熱量的多少。

2.2.1點源加熱方式

以點熱源形式在鉆孔中引入熱異常，并利用DTS進行溫度剖面監(jiān)測的工作最早于1994年在瑞士試驗場地Grimsel開展。Hurtig等[16]在40 m深的鉆孔中注入了熱水及冷水，基于監(jiān)測溫度剖面上出現(xiàn)的溫度異常驟降，探測出連通裂隙位置，證明了DTS在淺孔中的應用潛力。

隨后，Yamano等[17]在深孔中應用DTS對鉆孔中的滲流通道進行了定位。他們分別于1997年、2000年及2003年對日本Nojima斷層附近一深達1 800 m的鉆孔進行了3次冷水注入試驗(注入持續(xù)時間為2～9 d不等)，利用DTS對鉆孔中熱恢復過程開展了長達6 a的監(jiān)測。試驗獲取的多條溫度-深度曲線顯示，鉆孔中540 m深度以下的地下水未發(fā)生明顯的溫度降低，這表明絕大部分注入冷源流體在540 m深度附近發(fā)生了滲漏；停止注入后的熱恢復過程的溫度-深度剖面也證實了鉆孔中540 m處存在地下水滲流通道。這一研究證實了DTS具有定位鉆孔中地下水滲流通道的能力。

在探測鉆孔中連通裂隙的基礎上，研究人員借助于DTS的高分辨率及高連續(xù)性，進一步以點熱源方式探究識別裂隙巖體鉆孔中地下水的流動狀態(tài)以及流動模式。

Leaf等[18]將在地表加熱后的流體注入到鉆孔中的特定深度，分析溫度剖面隨時間的變化。與Yamono等[17]不同的是，該試驗的流體注入持續(xù)時間較短，在10～160 min之間。短時間的熱流體注入會在鉆孔中形成熱異常?；诟邥r空分辨率DTS獲得的鉆孔溫度-深度-時間連續(xù)分布場中，清晰地顯示出了熱羽(thermal plume)的運移方向、運移速度，據(jù)此可對地下水流向、流速進行計算；此外，熱羽運移過程中溫度的異常陡變表明了流體的流入或流出，據(jù)此推測出的裂隙分布位置也在此前同個鉆孔的地球物理測井結果中得到證實。

Read等[19]在法國Ploemeur的兩個裸孔中開展了跨孔溫度示蹤：結合鉆孔栓塞向其中一個鉆孔注入熱流體，同時以恒定速率在另一個鉆孔中抽水，并利用DTS實時監(jiān)測兩個鉆孔的溫度變化。他們基于獲取的溫度-深度-時間連續(xù)剖面，對兩個鉆孔之間的連通裂隙進行了研究，同時利用解析公式計算了連通裂隙處地下水的流速。

如果鉆孔中的垂向流動比較顯著，向鉆孔中注入流體不會明顯干擾鉆孔中地下水的原始流動狀態(tài)，此時以流體注入方式引入點熱源是可接受的。但如果鉆孔的背景流動微弱，流速較低，采用注入流體的方法會對鉆孔中地下水的原始流動模式造成顯著擾動。在這種情況下，以點電源形式開展A-DTS更有利。

Sellwood等[24]采用電阻加熱器，分別在4個鉆孔特定深度的地下水中產生熱擾動，并在無人為水力干擾的情況下利用DTS對熱異常的稀釋過程進行了監(jiān)測。與Leaf等[18]類似，Sellwood等[24]在熱示蹤試驗中的加熱時間很短(1～12 min)，主要目的在于監(jiān)測熱羽的運移方向及速度，從而判別鉆孔中垂向流動的方向(上升流或下降流)、連通裂隙中地下水的流動方向(入流或出流)，以及估算垂向流動的流速。在此基礎上，進一步將上述溫度示蹤方法測得的流速與同一鉆孔中流速儀測得的流速進行對比，兩者顯示出良好的一致性，說明基于DTS測量溫度剖面推算地下水流速是可靠的，用該種方法推算出的地下水流速最低可達0.06 cm/s[25]。

2.2.2線源加熱方式

線源加熱的A-DTS通?；诰€狀加熱元件與測溫光纖組合成的加熱測溫系統(tǒng)開展溫度示蹤試驗。線狀加熱元件與測溫光纖之間有多種組合方式：可以直接將加熱電纜與測溫光纖組合固定，在鉆孔中進行加熱測溫[21,38]；由于測溫光纖中往往使用鋼絲對光導纖維進行加固，鋼絲只要直接接入電流，也可以作為A-DTS中的線熱源對鉆孔地下水進行加熱[20]；此外在光纜中加入多條其他金屬導線(如銅導線)可以組成“復合光纖”進行加熱測溫[22,27](圖1 (d))。

Banks等[21]在試驗過程中將兩條測溫光纖固定在一條加熱電纜上，保持光纖與電纜之間的距離不變形成加熱測溫系統(tǒng)?；诖讼到y(tǒng)對整個鉆孔中地下水進行加熱，同時監(jiān)測鉆孔加熱前后的溫度剖面。在加熱過程中同步開始進行抽水，發(fā)現(xiàn)受抽水試驗的影響，外界較低溫度的地下水會通過連通裂隙向鉆孔中流入，從而導致鉆孔中裂隙處地下水溫度的驟降，據(jù)此對連通裂隙的位置進行了定位。

為了識別鉆孔中的垂向流動，Read等[20]將兩條測溫光纖固定組合，保持光纖之間水平距離不變，將其中一條光纖作為線源進行加熱，并以另一條光纖作為參考進行測溫。在加熱光纖功率恒定不變的情況下，同一深度上加熱光纖與參考光纖之間的溫度差是該點流體平行于鉆孔軸方向流速的函數(shù)?；谠撛?，利用解析公式將DTS測量的溫度-深度剖面轉化為流速-深度剖面，其中流速的陡升往往代表著連通裂隙的出現(xiàn)。

復合光纖同時包含了用于測溫的光導纖維以及用于加熱的金屬導線，目前主要在安裝了鉆孔內襯的封閉孔中使用。使用時應將復合光纖安裝在鉆孔內襯與鉆孔壁之間，盡量使光纖貼住孔壁以保證光纖所測溫度剖面不受鉆孔內部垂向流動的影響。由于忽視了垂向流動，當鉆孔中存在連通裂隙時，裂隙處的地下水流會在溫度剖面中表現(xiàn)出明顯的異常信號；若無連通裂隙，溫度隨深度的分布則主要由鉆孔中圍巖的熱傳導過程控制。

Cloeman等[22]使用復合光纖在加拿大圭爾夫附近的試驗場地開展了溫度示蹤試驗，對整個鉆孔中的地下水進行加熱后，監(jiān)測熱恢復過程。結果表明，當加熱停止后，連通裂隙中的地下水流動會導致所在位置的熱耗散率局部加快，增加的熱耗散率是熱對流過程造成的。因此如果已知圍巖的熱傳導性質，就有可能將對流導致的熱耗散率從總熱耗散率中識別出來，定量計算出該流動的流速。

基于Cloeman等[22]的研究認識，Maldaner 等[27]在確定了圍巖熱傳導性質的前提下，采用數(shù)值模擬方法獲取了增加的熱耗散率與裂隙中地下水流動速率之間的經驗關系，并將該經驗關系應用實際場地數(shù)據(jù)，對A-DTS獲取的鉆孔溫度剖面進行了解譯，推算出的鉆孔流速與前人在同一鉆孔中利用栓塞示蹤試驗測得的流速結果顯示出良好的一致性，說明鉆孔內襯與復合光纖結合的A-DTS不僅能定位連通裂隙位置，也可以定量識別連通裂隙中的地下水流動。

人為熱源的引入雖然有助于示蹤鉆孔中的地下水流動，但也可能會造成流體溫度和密度的改變，從而引起鉆孔地下水內部的自由對流。Read 等[23]通過瑞利數(shù)(Rayleigh number)來判別流動系統(tǒng)中的自由對流是否發(fā)生，分析對流強度，從而決定在后續(xù)溫度數(shù)據(jù)的解譯過程中是否考慮自由對流的影響。

3 討論與展望

3.1 鉆孔垂向流動對基于DTS的溫度示蹤的影響

基于DTS的溫度示蹤在裂隙地下水流動特征識別研究領域的應用越來越廣泛，試驗手段也越來越豐富多樣。想要基于DTS的溫度示蹤試驗獲取可靠可用的監(jiān)測數(shù)據(jù)，關鍵在于依據(jù)研究目的、場地及鉆孔的實際情況設置合理的試驗方案，決定是否封閉鉆孔、是否引入人為熱源、以線源還是點源加熱、DTS的監(jiān)測時空分辨率設置等。在此過程中，鉆孔的垂向流動是研究人員最需要重點關注的因素之一。

圖2 不同情況下鉆孔中的垂向流動示意圖[36]

垂向流動指的是鉆孔內部地下水的上下流動，常出現(xiàn)在以裂隙為主滲流通道的基巖裸孔[40]。對于無其他水力干擾的鉆孔，是否存在垂向流動主要取決于3個因素：地層的滲透性質、是否裸孔、孔內連通裂隙的水頭。在一般的基巖裸孔中，連通到同一鉆孔的不同裂隙之間的水頭差異是導致孔內出現(xiàn)垂向流動的主要原因(圖2(a))。此外，人為改變鉆孔中水力條件(如抽注水試驗)必然會導致鉆孔內的垂向流動(圖2(b)(c))。垂向流動對于基于溫度的地下水流動識別研究有多方面的、不可忽視的影響[41]。

基于DTS開展溫度示蹤試驗的主要目的之一，是對鉆孔中地下水的滲流通道，也就是連通裂隙的分布，進行定位識別，實質上是識別鉆孔深度剖面上，不同深度位置的水平流動差異。而垂向流動的存在，可能會導致鉆孔中部分水平流動的溫度信號被掩蓋。

當垂向流動強烈時，溫度剖面是鉆孔中垂向流動及水平流動的綜合反映，較小裂隙的水平流動信號可能會被強烈的垂向流動掩蓋，無法在溫度剖面中得到體現(xiàn)；當垂向流動微弱時，溫度剖面中能更多地反映水平流動的差異。大裂隙(或斷裂)中地下水的水平流動比小裂隙中更強，因此可能會在溫度剖面中表現(xiàn)出更顯著的溫度異常。

此外，由于垂向流動會對鉆孔周邊一定范圍內的天然水力梯度造成影響，裸孔中的地下水流動狀態(tài)并不能完全代表該場地的天然地下水流動。為了減弱鉆孔中的垂向流動，可以采用PVC管或柔性內襯對鉆孔壁進行封閉，有效地隔絕孔中連通裂隙之間的水力聯(lián)系[38,42]。相較于裸孔，封閉孔中的地下水流動狀態(tài)更接近于場地天然地下水的流動，在之中開展的溫度示蹤試驗也能識別出更多的連通裂隙[41]。但是，由于地下水的流動受到了鉆孔內襯的阻礙，如何從封閉孔溫度剖面中提取出流速及流向信息開展進一步的定量研究是一大難題[22]。

垂向流動可能會不利于溫度示蹤研究，但與此同時，它的存在也能反映其他信息。例如單孔內部的垂向流動可用于估算孔內各段的水力性質；跨孔水力試驗引起的垂向流動可用于識別鉆孔間的水力聯(lián)系及水力性質。通過改變鉆孔中的水力條件，引起垂向流動，獲取溫度-深度剖面的變化，可以定位連通裂隙的位置，并辨別出哪些裂隙是流入裂隙，哪些裂隙是流出裂隙，進一步推斷出裂隙處的流速甚至流量。在垂向流動中被掩蓋的裂隙，雖然與鉆孔是連通的，但可能并不是鉆孔或周邊巖體中的主要滲流通道；而主導了垂向流動的裂隙，很有可能是主導鉆孔及其周圍地下水流動的優(yōu)勢滲流通道[35-37]。

垂向流動反映了鉆孔中不同的裂隙水力性質及地下水流動模式。研究人員在設計試驗方案時，應該依據(jù)研究目的，采取不同的試驗手段減弱或增強鉆孔垂向流動，以達到理想的識別效果。若研究著重于鉆孔的垂向流動識別，應該在裸孔中開展溫度示蹤試驗；若研究目的在于盡可能多地識別連通裂隙，研究人員則應根據(jù)垂向流動的強弱以及需要識別裂隙的尺寸，考慮對鉆孔進行封閉，并結合抽注水試驗開展溫度示蹤。

溫度-深度曲線的變化既有可能是鉆孔中地下水的上下流動導致的，也有可能是連通裂隙中地下水的水平流入流出造成的，還有可能是兩者的共同作用。因此探明鉆孔中的垂向流動，對于判別溫度-深度剖面中異常信號的主導因素，及后續(xù)的地下水流速流向識別至關重要?？偠灾?，明確鉆孔中的垂向流動的影響，既是設計溫度示蹤試驗的重要依據(jù)，也是后續(xù)解譯溫度-深度剖面的重要前提。對于研究人員來說，如何依據(jù)研究目標采取不同的試驗手段相互配合，削弱或增強垂向流動帶來的信息，是未來基于DTS溫度示蹤的應用中需要重點關注解決的問題之一。

3.2 基于DTS的溫度示蹤與溶質示蹤的對比與聯(lián)合

溶質示蹤是識別裂隙介質中地下水流動路徑的一種常用方法。該方法大多基于質量平衡理論，通過將人工或天然示蹤劑注入鉆孔，在其他鉆孔中取樣并對示蹤劑穿透曲線進行監(jiān)測，從而分析地下水在巖體中的滲流路徑，甚至進一步研究溶質在裂隙中的遷移和滯留規(guī)律。相比而言，溶質示蹤方法的監(jiān)測及后續(xù)試驗分析對設備的要求較高，常需要結合鉆孔栓塞進行分層取樣，成本較高，操作復雜，不利于長時間的連續(xù)性觀測。此外，溶質示蹤中的部分示蹤劑還可能對環(huán)境造成二次污染。

總體而言，基于DTS的溫度示蹤作為一種新型高效的監(jiān)測方法，監(jiān)測連續(xù)性高，分辨率高，經濟簡便，有助于在更長的時間尺度，更高的分辨率上實現(xiàn)對地下水在裂隙中流動過程的識別研究，為探究地下水在裂隙中的滲流路徑及時空動態(tài)特征提供了一種新的思路。

然而，由于裂隙本身發(fā)育情況和空間分布的非均質性，裂隙介質中的地下水滲流過程及溶質運移規(guī)律也具有強烈的非均質性，甚至具有多維多尺度性。這使得單一的研究方法不足以完全清楚地識別裂隙中地下水的動態(tài)過程。通過運用不同的方法進行相互印證和比較，有助于進一步定性甚至定量分析裂隙介質的水文地質特征以及地下水在其中的流動特征。如，由于熱運移與溶質運移機理的不同，溫度示蹤與溶質示蹤所能提供的流動信息有所區(qū)別，從而有助于提高對裂隙巖體中地下水滲流機制和傳熱機制的理解。

Read等[19]基于A-DTS的跨孔溫度示蹤試驗獲取了鉆孔中裂隙處的熱穿透曲線，發(fā)現(xiàn)這條熱穿透曲線與同等條件下溶質示蹤試驗中同一裂隙處的溶質穿透曲線具有顯著的差異，并推測這可能是裂隙與基質之間的熱交換影響的結果。Klepikova 等[39]基于數(shù)值模擬結果與場地試驗數(shù)據(jù)結果分析，認為裂隙與基質之間的熱交換會受裂隙開度、幾何形態(tài)等參數(shù)的影響。結合場地數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬結果表明，將裂隙形態(tài)刻畫為平行平板時(parallel plate model)的熱穿透曲線峰值大小、峰值出現(xiàn)時間以及熱恢復的延遲時間與將裂隙形態(tài)刻畫為渠道時(channel model)具有顯著的差異(圖3)。因此溫度示蹤試驗中的熱穿透曲線可能提供裂隙開度、幾何形狀的相關信息。在前人認識的基礎上，Bernardie 等[26]以流體注入方式開展A-DTS溫度示蹤試驗，并結合測溫結果及溶質示蹤結果提出了熱運移過程中熱衰減系數(shù)(熱穿透曲線的峰值溫度相較于注入流體溫度的下降幅度)及熱延遲時間(熱穿透曲線的峰值時間與溶質濃度穿透曲線的峰值時間之間的差值)的解析解，對單孔中連通裂隙的開度、幾何形態(tài)進行了定量化的研究。以上研究證明，基于DTS的溫度示蹤試驗與溶質示蹤試驗的聯(lián)合應用，在裂隙地下水流動特征識別的進一步研究中具有極大的潛力。

圖3 熱突破曲線與溶質濃度突破曲線對比(改自Klepikova 等[39])

3.3 基于數(shù)值模擬的定量分析與解釋

目前DTS在裂隙地下水流動特征識別研究領域的應用目的，多是定性地對孔中連通裂隙進行定位、分析鉆孔間水力聯(lián)系。然而隨著研究的逐漸深入，如何從DTS試驗中獲取更多對鉆孔或對場地的定量認識將是未來主要研究方向之一。作為獲取場地水文地質特征的有力工具，數(shù)值模擬應在基于DTS溫度示蹤的定量研究中發(fā)揮出重要的作用。數(shù)值模型能通過對地下水的流動過程及熱運移過程的耦合模擬，重現(xiàn)鉆孔中復雜的試驗情景，并獲取不同情景下鉆孔中地下水對試驗條件的水文響應或熱響應[44-45]。基于這樣的數(shù)值模型，研究人員就有可能將DTS監(jiān)測數(shù)據(jù)解譯為相關的水文地質參數(shù)(如地下水的流速、裂隙的導水系數(shù)等)，實現(xiàn)對溫度信號的定量解譯。

此外，由于DTS溫度示蹤的試驗方式多種多樣，試驗方式的選擇、試驗條件的設置對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性及有效性至關重要。因此在DTS溫度實驗的前期設計階段，數(shù)值模擬也應占有一席之地：基于數(shù)值模型，研究人員可在試驗前期或試驗過程中不斷測試優(yōu)化試驗參數(shù)，如測溫光纖的監(jiān)測參數(shù)，A-DTS試驗中的熱輸入功率等，以達到預期的試驗目標，獲取合理且有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。綜上，數(shù)值模擬作為一種重要的技術手段，將在定性識別走向定量認識的研究過程中發(fā)揮出不可忽視的作用。

4 結 論

由于具有時空連續(xù)性強、分辨率高、監(jiān)測簡便、成本低廉等優(yōu)點，基于DTS的溫度示蹤正逐漸成為裂隙地下水流動特征識別研究中的可靠手段，已在識別地下水流動狀態(tài)、鉆孔中連通裂隙分布甚至裂隙水力性質等方面取得了許多新的認識。

a. 基于DTS的溫度示蹤試驗方法可簡單分為被動溫度示蹤及主動溫度示蹤。在被動溫度示蹤中，利用DTS可以同時在多個鉆孔進行近乎實時的高分辨率溫度監(jiān)測，可滿足長期監(jiān)測的需求；主動溫度示蹤的主要目的在于識別鉆孔中連通裂隙分布及地下水流動狀態(tài)，試驗方式多樣，且各方式之間也具有一定的相似之處。但各試驗方式的內在物理機制及側重點各有不同，需要根據(jù)實際情況進行選擇或組合。

b. 鉆孔中的垂向流動也可能是導致溫度-深度曲線出現(xiàn)異常變化的主導因素。在基于DTS的溫度示蹤中，如何依據(jù)鉆孔中的垂向流動選擇搭配不同的試驗手段，開展有針對性的研究，是需要重點關注和解決的問題，也是后續(xù)解譯溫度-深度剖面的重要前提。

c. 由于熱運移與溶質運移機理的不同，溫度示蹤與溶質示蹤所能提供的流動信息也有所不同，二者的協(xié)同運用，不僅可以互相驗證，還可以相互補充，對裂隙開度、幾何形態(tài)甚至裂隙網絡連通性開展進一步識別研究。

d. 如何從DTS試驗中獲取對鉆孔或對場地的定量認識也是未來的主要研究方向之一，數(shù)值模擬作為水文地質學中的有力工具，將在DTS監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量解譯過程中發(fā)揮重要的作用。

基于DTS的溫度示蹤為場地尺度裂隙地下水流動特征識別提供了新的方法，有助于加深對裂隙介質地下水滲流及熱運移規(guī)律的理解，在涉及裂隙地下水的深部地質工程如高放核廢物地質處置選址、地熱資源開發(fā)等實際問題中具有廣闊的應用前景。