地下水运动是地质环境的重要组成，也是驱动地下温度场、应力场和化学场演化的基本要素之一。准确掌握地下水渗流过程，能够为环境工程地质、水文与水循环、地热资源开发利用、环境与生态保护等领域的研究和应用提供重要支撑。
针对当前地下水渗流的精细、高效测试仍面临的诸多挑战，太阳官网施斌教授和顾凯副教授课题组以钻孔全断面光纤监测为基础，提出了基于主动加热光纤热响应测试（ATRT）的地下水渗流精细观测新方法（图1）。该方法以温度示踪为基本原理，具有如下特点：
（1）消除了钻孔内非地层介质（如光缆护套、钻孔回填料等）对热传递的影响，可实现1×10−5~5×10−7 m/s范围内地下水渗流的测试；
（2）得益于分布式温度光纤感测技术的高空间分辨率测试优势，能够揭示亚米级别空间分辨率的地下水渗流分布；
（3）避免了跨孔测试，仅通过单个钻孔即可掌握渗流分布，显著提高了测试效率并降低了测试成本。
图1 基于ATRT的地下水流速估算.（a）地层的温度响应；（b）&（c）单点温度测试值与理论值对比；（d）&（e）渗流影响下单点温度响应过程分析
新方法的提出为地下渗流场及其时空演化的精细刻画提供了有力手段。利用该方法，研究团队揭示了镇江指南村“长江第一崩岸”场地80m深度范围内不同地层中地下水流速差异（图2），这为阐明堤防渗流场演化过程并进一步认清该大型崩岸的灾变机制提供了重要支撑。
图2 （a）镇江指南村“长江第一崩岸”渗流场监测；（b）测试示意图及系统；（c）钻孔深度范围内地层分布及渗流分布
上述研究成果近期以“Estimation of Groundwater Flow Rate by an Actively Heated Fiber Optics Based Thermal Response Test in a Grouted Borehole”为题，发表在水科学领域权威期刊《Water Resources Research》。审稿人对论文给予了高度评价：“I think this study opens interesting perspective for performing TRT, but also for larger applications requiring estimating groundwater fluxes.”太阳官网博士研究生张博为论文的第一作者，顾凯副教授为通讯作者，合作者包括德国马丁路德·哈勒维腾贝格大学Peter Bayer 教授、硕士研究生戚海博、施斌教授、王宝军教授、中国地质调查局南京地质调查中心姜月华教授级高工和周权平高工。
这项研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、关键地球物质循环前沿科学中心青年教师独立团队项目、中央高校基本科研业务费国际合作项目、陕西省重点研发计划子课题、深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放课题和德国研究基金的资助。
【文章链接】https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022WR032672
【延伸】
ATRT相关介绍：Zhang Bo, Gu Kai, Shi Bin, Liu Chun, Bayer Peter, Wei Guangqing, Gong Xvlong, Yang Lei. Actively heated fiber optics based thermal response test: A field demonstration. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2020; 134:110336. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110336.
基于被动温度信息的入渗速度估算：Zhang Bo, Gu Kai, Bayer Peter, Xiang Fulin., Wei Zhuang, Wang Baojun, Shi Bin. Estimation of vertical water flow in slopes from high-resolution temperature profiles. Bulletin of Engineering Geology and the Environment 2023; 82(1), 20. https://doi.org/10.1007/s10064-022-03045-8.
