CN114858720A - 原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法，该测试系统包括光电传感测试组件、数据解调分析系统和自给式脉冲供电控制系统；光电传感测试组件包括多个串联连接的光电传感测试单元；光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆和多个频域反射探头，频域反射探头与变温超弱光纤光栅传感光缆测点对应。本发明通过超弱光纤光栅温度传感和频域反射技术，基于脉冲变温和多相热耗散原理，通过冻土温度响应值与土体导热系数、含水率、含冰量之间的关系，实现原位冻土中冰水组分识别以及水分场参数的精准测定，实现冻土冰水组分识别和动态示踪，解决了冻土性质不稳定导致参数难测量的难题，具有扰动小、分布性、实时性、自动化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程、地质工程中冻土含水率、含冰量测量装置和方法，尤其涉及一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法。
背景技术
冻土是由土颗粒、冰、未冻水、气体组成的多相复杂体系，其特性与土壤质地、密度、含水率等多种基本物理性质参数有关。其中，土壤温度和以含水率和含冰量为基本参数的土壤水分场参数是冻土区水-热-力耦合理论研究和工程实践所需要的重要信息。然而，由于冻土具有极强的温度敏感性，在环境温度和降雨等天然因素的影响下，原位冻土的温度、含水率和含冰量都处于动态变化，因此这些原位参数的精确测量对于冻土的理论和试验研究具有重要意义。
目前，原位含水率和含冰量的测量方法主要有介电谱法、热脉冲探针法。介电谱法，包括频域反射法(FDR)和时域反射法(TDR),通过测定土壤的介电常数来间接反映参量。TDR具有响应快、测量精准的优势，但是由于电路复杂、设备较为昂贵，限制其现场应用。相对于TDR而言，FDR由于应用简便、宽量程、可定点连续测量，已经广泛应用于常温非饱和土的水分测量。但是其测量结果易受盐度、温度等外界因素影响，在温度波动较大的冻土区的未冻水测量精度降低，适用性有待进一步提高。
热脉冲探针法借助土体对热脉冲的响应特征测定其等效导热系数，从而计算出土体的含水率。近年来，基于分布式温度传感(DTS)的主动加热光纤(AHFO)技术是热脉冲法的一种新形式。该方法以线热源模型为基础，在保护光纤的护套或管体中通直流电加热产生热脉冲，光纤作为分布式温度传感器测量土壤的热响应，通过建立温度变化与热物性参数之间的关系实现相关参数的测量，具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、分布式测量空间分辨率高(cm级)的优势，在地质与岩土工程监测领域有着巨大的应用潜力。然而，该项技术的瓶颈主要在于，光缆主动加热方法存在加热时间过长、对土体水分场干扰大、在负温条件下无法有效实现冰水组分辨识的问题，从而造成测试误差过大，阻碍该项技术的应用。
因此，如何提供一种行之有效的装置和方法，来实现原位冻土含水率、含冰量的精确测量，为冻土区理论和工程实践提供有力支持，成为亟需解决的技术问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法，实现了冻土冰水组分识别和动态示踪，对原位冻土含水率、含冰量进行精确测量，进而实现了对原位冻土水分场关键参数的实时动态监测，解决了冻土性质不稳定带来的参数难以测量的难题，具有扰动小、分布性、实时性、自动化的优势。
技术方案：本发明原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统包括光电传感测试组件、数据解调分析系统和自给式脉冲供电控制系统；光电传感测试组件包括多个串联连接的光电传感测试单元；
光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆和多个频域反射探头，频域反射探头与变温超弱光纤光栅传感光缆的测点位置对应。
光电传感测试单元以水平或垂直方式布设于原位冻土内。
数据解调分析系统包括数据解调传输装置、数据云端和数据存储分析终端，数据解调传输装置包括高精度光纤解调模块、FDR数据解译模块和数据传输模块；数据传输模块将采集的数据通过数据云端传输至数据存储分析终端。
自给式脉冲供电控制系统包括风力发电机组、光伏发电系统和智能开关。
本发明原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法包括以下步骤：
(1)将串联连接的光电传感测试单元竖直或水平布设于原位冻土内；
(2)将光电传感测试组件连接至数据解调分析系统和自给式脉冲供电控制系统，通过多个频域反射探头连续采集变温超弱光纤光栅传感光缆的测点处的原位冻土中的波长数据并转换为温度数据，得到原位冻土的初始温度沿深度或距离的空间分布和随时间的变化；
(3)根据原位冻土的初始温度的空间分布和时间的变化确定冻融锋面，并对冻融锋面的位置变化进行定位和追踪，同时界定冻土与未冻土区域；
(4)打开自给式脉冲供电控制系统，以恒定功率P和时间t2对变温超弱光纤光栅传感光缆加热，为原位温度场提供脉冲热源，数据解调分析系统同时记录变温UFBG传感光缆的波长数据和FDR探头的含水率初始数据θw′，其中，波长数据采集间隔为t3；
(5)根据原位冻土的初始温度、FDR探头的误差分析结果对FDR探头所采集的含水率初始数据进行误差修正，得到修正后的原位冻土的含水率θw；
(6)将变温超弱光纤光栅传感光缆的波长转换为温度信息，得到土体热响应特征参数，从而得到土体等效导热系数λ；具体过程为：
该变温UFBG传感光缆为稳态线性热源，该变温UFBG传感光缆加热后所测温度的变化ΔTt为：
其中，t为加热时间，q为加热功率，λ为待测土体的导热系数，c为土壤热扩散率相关的常数；
t1、t2时刻的温度差值为：
由式(2)推导出土体等效导热系数λ：
(7)结合原位土体的含水率数据θw、等效导热系数λ和土体导热系数理论模型λ＝f(θi，θw)，得到原位冻土的含冰量θi和原位冻土的总含水率θt，其中，土体总含水率θt＝θw+θi；进行原位冻土冰水组分辨识，并通过持续、分布式监测得到原位冻土冰水组分含量的时空分布。在冻结期，水分冻结成冰，原位冻土中含冰量增加，含水率减少，未冻区水分向冻结区迁移，解冻期冰晶融化后含冰量减少含水率增加。
步骤(1)中，采用钻孔回填的埋设方式将光电联合传感单元竖直布设于原位冻土中，采用开挖槽沟的布设方式将光电联合传感单元水平布设于原位冻土不同深度处。
步骤(3)中，冻融锋面位置为0℃土体温度位置，土体温度高于0℃的区域为未冻土区域，土体温度低于0℃的区域为冻土区域。
步骤(5)中，该FDR探头的误差分析结果由室内试验确定，具体步骤如下：
(5.1)从监测现场取样并制备成若干组已知温度、含水率的土壤样品；
(5.2)在土壤样品中置入FDR探头，通过FDR探头采集土壤样品的含水率测量结果；
(5.3)确认不同温度下FDR探头的含水率测量结果与已知含水率之间的误差；
(5.4)建立误差与温度的关系。
步骤(7)中，将步骤(6)中的土体等效导热系数λ和步骤(5)中的修正后的原位冻土的含水率θw代入公式(4)得到土体含冰量θi；该公式(4)如下：
其中，Sr为土壤饱和系数，
θw为原位冻土的土体含水率，θi为土体含冰量；对于常温非饱和土，θi＝0；λw为水的导热系数、λi为冰的导热系数，λs为土颗粒的导热系数；n是土体孔隙比，k2、χ、η为与土体粒径分布、颗粒形状相关的系数。
步骤(7)中，原位土体含冰量的计算以土体导热系数理论模型λ＝f(θi，θw)、原位冻土的土体含水率θw反演得到，该土体总含水率θt＝θw+θi。
工作原理：本发明结合超弱光纤光栅(UFBG)温度传感和频域反射(FDR)技术，基于脉冲变温和多相热耗散原理，通过冻土温度响应值与土体导热系数、含水率、含冰量之间的理论关系，实现原位冻土中冰水组分识别以及水分场参数的精准测定。本发明的光电传感组件由可变温超弱光纤光栅传感光缆和FDR探头集成而成，对不同位置的土壤温度、含水率、含冰量进行动态观测，结合原位土体的含水率数据θw、等效导热系数λ和土体导热系数理论模型λ＝f(θi，θw)，得到原位冻土的含冰量θi和原位冻土的总含水率θt，其中，土体总含水率θt＝θw+θi；进行原位冻土冰水组分辨识，并通过持续、分布式监测得到原位冻土冰水组分含量的时空分布。该时空分布体现在，在冻结期，水分冻结成冰，原位冻土中含冰量增加含水率减少，未冻区水分向冻结区迁移，解冻期冰晶融化后含冰量减少含水率增加。本发明基于光电联合示踪方法实现冻土冰水组分识别和动态示踪，解决了冻土性质不稳定带来的参数难以测量的难题。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用光纤温度传感对FDR含水率测量结果进行修正，提高了FDR的含水率测量精度，实现了全温度下冻土未冻水含水率的精确测量。
(2)本发明通过变温超弱光纤光栅传感光缆和频域反射FDR技术，以及光电传感测试组件实现了原位冻土的冰水组分辨识，解决了无法获取冻土原位参数的难题，具有扰动小、分布性、实时性、自动化的优势。
(3)本发明通过水平或垂直布设光电传感组件，实现了原位冻土水分场参数的高分辨率、密集分布式测量。
(4)本发明通过冻土水分场参数的连续测量，实现冻土水分动态监测和水分迁移示踪。
(5)本发明通过变温传感光缆提供短时强脉冲，对土壤扰动小，解决了由于土壤性质不稳定导致的参数难以测量的难题。
(6)本发明经济安全，操作便捷，自动化程度高，抗干扰能力强，精度可靠。
附图说明
图1是本发明原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统结构示意图；
图2是本发明实施例中原位冻土未冻水含水率、含冰量和总含水率沿深度的分布曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本发明原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统包括光电传感测试组件、高精度数据解调分析系统5和自给式脉冲供电控制系统9。该光电传感测试组件包括多个串联连接的光电传感测试单元，该光电传感测试单元以水平或垂直方式布设于原位冻土内。
该光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅UFBG传感光缆3和多个频域反射FDR探头4，其中，频域反射探头4与变温超弱光纤光栅传感光缆3的测点位置对应，进而对不同深度的土壤温度、含水率、含冰量进行动态连续观测。
本实施例中，该光电传感测试组件包括第一光电传感单元1和第二光电传感单元2，其中，第一光电传感单元1垂直布设于原位冻土内，第二光电传感单元2水平布设于原位冻土内。第一光电传感单元1和第二光电传感单元2之间通过引线11串联。
高精度数据解调分析系统5包括数据解调传输装置8、数据云端6和数据存储分析终端7。数据解调传输装置8包括高精度光纤解调模块、FDR数据解译模块和数据传输模块。数据传输模块采用GPRS或4G模式将采集的数据上传至并数据云端6最终传输至数据存储分析终端7。自给式脉冲供电控制系统9包括风力发电机组、光伏发电系统和智能开关，为系统提供电力支持和无人值守式脉冲加热控制。数据解调传输装置8与自给式脉冲供电控制系统9之间通过导线10连接。
本实施例的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统布设于中国西北部黄土高原某黄土台塬区。该地冬季温度较低，最低气温达-26℃，季节性冻土发育。本实施例的原位监测时间为2022年1月8日-2月15日。
本发明原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法包括以下步骤：
(1)将光电传感测试组件竖直或水平布设于待测原位冻土12内；，具体过程为：采用钻孔回填的埋设方式将第一光电传感测试单元1竖直安装于待测冻土中，采用开挖槽沟的布设方式将第二光电传感测试单元2水平铺设于待测冻土不同深度处；回填材料采用原位土体，并保证原位土体与传感组件的耦合性。
(2)将第一光电传感测试单元1和第二光电传感测试单元2连接至高精度数据解调分析系统5和自给式脉冲供电控制系统9，连续采集变温超弱光纤光栅UFBG传感光缆3在原位冻土中的波长数据并转换为温度信息，得到原位冻土的初始温度沿深度或距离的空间分布和随时间的变化，其中，波长数据的采集时间间隔为t1。该时间根据具体监测情况确定，本实施例中，最短间隔时间设置为10s。
(3)根据原位冻土的初始温度的空间分布和时间的变化确定冻融锋面，并对冻融锋面的位置变化进行定位和追踪，同时界定冻土与未冻土区域；其中，冻融锋面位置为0℃土体温度所在位置，土体温度高于0℃的区域为未冻土区域，土体温度低于0℃的区域为冻土区域。
(4)打开自给式脉冲供电控制系统9，以恒定功率P和时间t2对变温超弱光纤光栅传感光缆UFBG 3进行加热，为原位温度场提供脉冲热源，高精度数据解调分析系统同时记录变温超弱光纤光栅传感光缆UFBG 3的波长数据和FDR探头4的含水率初始数据θw′，其中，波长数据采集间隔为t3。该时间间隔根据具体监测情况确定，最短时间间隔设置为10秒。
其中的脉冲热源通过控制强恒定功率P和短时间t2提供短时强脉冲，以减小对原位土壤的扰动，提高测量精度，本实施例中P＝13W/m，时间t2＝100s。
(5)根据原位冻土12的初始温度、FDR探头4的误差分析结果对FDR探头4所采集的含水率初始数据进行误差修正，得到修正后的原位冻土12的含水率θw。
其中，FDR探头的误差与工作时的土壤温度相关，具体通过室内标定试验确定。原位监测根据温度以及室内标定得到的误差-温度之间的相关关系，进一步确定现场测量误差并将误差修正。
其中，FDR探头4的误差分析结果由室内试验确定，具体步骤如下：
(1)从监测现场相应位置取样并制备成十组已知温度、含水率的土壤样品；
(2)在土壤样品中置入FDR探头，采集FDR探头的含水率测量结果；
(3)确认不同温度下FDR探头的含水率测量结果和已知含水率之间的误差；
(4)建立误差与温度的关系。
(6)将变温超弱光纤光栅传感光缆3的波长数据转换为温度信息，得到土体热响应特征参数，从而得到土体等效导热系数λ。其中，土体热响应特征参数指的是脉冲加热后的对应时间内的温度变化值。本步骤(6)的具体过程为：
所述变温UFBG传感光缆为稳态线性热源，所述变温UFBG传感光缆加热后所测温度的变化ΔTt为：
其中，t为加热时间，q为加热功率，λ为待测土体的导热系数，c为土壤热扩散率相关的常数；
t1、t2时刻的温度差值为：
由式(2)推导出土体等效导热系数λ：
(7)结合原位土体的含水率θw、等效导热系数λ和土体导热系数理论模型λ＝f(θi，θw)，将λ和θw代入公式(4)，通过解方程，得到原位土体的含冰量θi、总含水率θt，实现原位冻土冰水组分辨识，并通过持续、分布式监测得到原位冻土冰水组分含量的时空分布。该时空分布为，在冻结期，水分冻结成冰，原位冻土中含冰量增加含水率减少，未冻区水分向冻结区迁移，解冻期冰晶融化后含冰量减少含水率增加。
其中，土体导热系数理论模型λ＝f(θi，θw)因土壤类型、组成确定，根据不同的土壤性质选取。所述土体导热系数理论模型λ＝f(θi，θw)中含水率θw、含冰量θi是其未知量，其他参数均通过现场试验、室内土工基础试验获取。本实施例的原位冻土的导热系数λ适用于
和Konrad模型：
其中，Sr为土壤饱和系数，
θw为原位冻土土体含水率，θi为土体含冰量；对于常温非饱和土，θi＝0；λw为水的导热系数，λi为冰的导热系数，λs为土颗粒的导热系数；n是土体孔隙比，k2、χ、η为与土体粒径分布、颗粒形状相关的经验系数。
其中，原位土体的含冰量θi的计算由
和Konrad模型、含水率θw反演得到该原位土体总含水率θt＝θw+θi。
步骤(7)的具体过程为，将步骤(6)中的土体等效导热系数λ和步骤(5)中的修正后的原位冻土12的含水率θw代入公式(4)得到土体含冰量θi。
图2中，通过冰水组分含量反映出原位冻土冻结融化全过程以及土体内部水分迁移规律。从图2中看出，在冬季冻结期间(2022年1月8日-1月22日)，原位土体中水分冻结成冰，含水率降低，含冰量增加，且60cm深度处总含水率增加，这是由于冻结过程中的水分迁移，迁移水分聚集在至冻结锋面(60cm深度附近)；在融化期间(2022年2月10日-2月15日)，冰晶融化，由图中数据反映出原位土体含冰量减少，含水率增加的现象，且由于冻结后含水率增加，水分向深部运移，因此总含水率表现出下降的趋势。
Claims (10)
1.一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：包括光电传感测试组件、数据解调分析系统(5)和自给式脉冲供电控制系统(9)；所述光电传感测试组件包括多个串联连接的光电传感测试单元；
所述光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆(3)和多个频域反射探头(4)，所述频域反射探头(4)与变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的测点位置对应。
2.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：所述光电传感测试单元以水平或垂直方式布设于原位冻土内。
3.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：所述数据解调分析系统(5)包括数据解调传输装置(8)、数据云端(6)和数据存储分析终端(7)，所述数据解调传输装置(8)包括高精度光纤解调模块、FDR数据解译模块和数据传输模块；所述数据传输模块将采集的数据通过数据云端(6)传输至数据存储分析终端(7)。
4.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：所述自给式脉冲供电控制系统(9)包括风力发电机组、光伏发电系统和智能开关。
5.一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，所述测试方法包括以下步骤：
(1)将串联连接的光电传感测试单元竖直或水平布设于原位冻土(12)内；
(2)将光电传感测试组件连接至数据解调分析系统(5)和自给式脉冲供电控制系统(9)，通过多个频域反射探头(4)连续采集变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的测点处的原位冻土中的波长数据并转换为温度数据，得到原位冻土的初始温度沿深度或距离的空间分布和随时间的变化；
(3)根据原位冻土的初始温度的空间分布和时间的变化确定冻融锋面，并对冻融锋面的位置变化进行定位和追踪，同时界定冻土与未冻土区域；
(4)打开自给式脉冲供电控制系统(9)，以恒定功率P和时间t2对变温超弱光纤光栅传感光缆(3)加热，为原位温度场提供脉冲热源，数据解调分析系统(5)同时记录变温UFBG传感光缆(3)的波长数据和FDR探头(4)的含水率初始数据θw′；
(5)根据原位冻土(12)的初始温度、FDR探头(4)的误差分析结果对FDR探头(4)所采集的含水率初始数据进行误差修正，得到修正后的原位冻土(12)的含水率θw；
(6)将变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的波长转换为温度信息，得到土体热响应特征参数，从而得到土体等效导热系数λ；具体过程为：
所述变温UFBG传感光缆为稳态线性热源，所述变温UFBG传感光缆加热后所测温度的变化ΔTt为：
其中，t为加热时间，q为加热功率，λ为待测土体的导热系数，c为土壤热扩散率相关的常数；
t1、t2时刻的温度差值为：
由式(2)推导出土体等效导热系数λ：
(7)结合原位土体的含水率数据θw、等效导热系数λ和土体导热系数理论模型λ＝f(θi,θw)，得到原位冻土的含冰量θi和原位冻土的总含水率θt，其中，所述土体总含水率θt＝θw+θi，实现原位冻土冰水组分辨识，并得到原位冻土冰水组分含量的时空分布。
6.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法，其特征在于：步骤(1)中，采用钻孔回填的埋设方式将光电联合传感单元竖直布设于原位冻土中，采用开挖槽沟的布设方式将光电联合传感单元水平布设于原位冻土不同深度处。
7.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法，其特征在于：步骤(3)中，冻融锋面位置为0℃土体温度位置，土体温度高于0℃的区域为未冻土区域，土体温度低于0℃的区域为冻土区域。
8.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法，其特征在于：步骤(5)中，所述FDR探头(4)的误差分析结果由室内试验确定，具体步骤如下：
(5.1)从监测现场取样并制备成若干组已知温度、含水率的土壤样品；
(5.2)在土壤样品中置入FDR探头(4)，通过FDR探头(4)采集所述土壤样品的含水率测量结果；
(5.3)确认不同温度下FDR探头的含水率测量结果与已知含水率之间的误差；
(5.4)建立所述误差与温度的关系。
9.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法，其特征在于：步骤(7)中，将步骤(6)中的土体等效导热系数λ和步骤(5)中的修正后的原位冻土(12)的含水率θw代入公式(4)得到土体含冰量θi；所述公式(4)如下：
其中，Sr为土壤饱和系数，
θw为原位冻土的土体含水率，θi为土体含冰量；对于常温非饱和土，θi＝0；λw为水的导热系数、λi为冰的导热系数，λs为土颗粒的导热系数；n是土体孔隙比，k2、χ、η为与土体粒径分布、颗粒形状相关的经验系数。
10.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法，其特征在于：步骤(7)中，所述原位土体含冰量的计算以土体导热系数理论模型λ＝f(θi,θw)、原位冻土的土体含水率θw反演得到，所述土体总含水率θt＝θw+θi。
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| CN117907371A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-19 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统及方法 |
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2022
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| CN117907371A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-19 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统及方法 |
| CN117907371B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-06-11 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统及方法 |
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