利用钻孔核磁共振技术表征复杂地下水流动系统中水力传导性的空间异质性

《Water Resources Research》：Characterizing Spatial Heterogeneity of Hydraulic Conductivity Using Borehole NMR in a Complex Groundwater Flow System

本研究利用 borehole NMR 数据构建高分辨率三维渗透率（K）分布模型，对比普通克里金、指示克里金和地质分区法，提出多尺度异质性嵌套模型，通过数值模拟验证其有效性和稳定性，为复杂层状地质介质中的水文建模提供新方法。

　　本研究聚焦于利用钻孔核磁共振（NMR）测井数据，构建高分辨率的地下水流场中水力传导性（K）的空间分布模型。传统的水力测试方法通常只能提供局部的K值估算，而NMR测井则能够提供更为精确的垂直剖面数据，进而通过空间建模技术，揭示地下结构的异质性特征。在地下水流动与溶质运移模拟中，准确的K空间分布模型是提高预测精度的关键。本研究通过引入多种空间建模方法，包括普通克里金插值法、指示克里金插值法、基于聚类的空间分区模型，以及结合分区与克里金插值的多级异质性模型，对不同钻孔数据进行分析，以评估其在预测地下水位变化中的有效性。研究对象是位于加拿大滑铁卢大学校园内的北校区研究站点（NCRS），该区域的浅层地层主要由冰川冲积沉积物构成，具有高度的异质性和层状结构。

研究首先使用NMR测井数据构建了K的垂直剖面，通过与同时采集的渗透仪测量数据进行对比，验证了NMR方法在K估算上的可靠性。接着，利用这些数据构建了多个空间K模型，并对这些模型的代表性进行了评估。研究团队通过数值模拟抽水试验中观测到的地下水位变化，与模型预测结果进行比较，从而验证模型的准确性。研究发现，空间关联的分区模型在模拟地下水位响应时表现最为优异，而引入层内异质性的多级模型则进一步提高了对地下结构异质性的刻画能力。值得注意的是，即使在数据量有限的情况下，这些模型仍然能够保持较高的预测精度，这表明NMR测井数据具备构建高精度K空间分布模型的潜力。

研究团队通过多种方法对K的空间分布进行了分析。首先，普通克里金插值法是一种常用的插值方法，适用于连续分布的K值。然而，对于非高斯分布的K值，普通克里金法可能无法准确反映实际的地下结构特征。因此，研究还引入了指示克里金法，该方法通过布尔化处理K值数据，捕捉非连续性结构的变化。同时，基于聚类的空间分区模型则能够更有效地反映实际地质层的几何分布，避免了传统目视分区方法可能带来的偏差。此外，研究还提出了一种多级异质性模型，将空间关联的分区方法与层内克里金插值相结合，从而在刻画层间和层内异质性方面取得了更好的效果。

在NCRS区域，研究团队收集了8个NMR测井数据，并通过与渗透仪数据的对比，校准了SDR模型的参数。SDR模型通过将K与T2分布中的平均对数T2值进行关联，以估算K值。研究发现，当忽略模型中的指数参数m时，K的估算精度并未受到影响，因此选择m=0作为模型参数，使得K与T2ML呈线性关系。通过对不同模型的比较，研究团队发现，基于NMR数据的多级异质性模型在抽水测试中的模拟精度显著优于普通克里金模型和指示克里金模型。特别是当使用较少的NMR数据时，多级模型仍然能够保持较高的预测能力，这表明其在数据不足的情况下具备较强的鲁棒性。

在抽水测试模拟结果中，研究团队发现，普通克里金模型在预测地下水位变化时存在较大的偏差，尤其是在远离测井点的区域，其估算结果倾向于采用整个数据集的几何平均值，忽略了局部异质性特征。相比之下，基于空间关联的分区模型和多级异质性模型能够更准确地捕捉到层间和层内的K值变化，特别是在模拟抽水测试中，这两种模型的预测结果与实际观测数据更加吻合。此外，研究还发现，当使用渗透仪数据构建K空间分布模型时，其预测精度略逊于NMR数据模型，这可能是由于渗透仪测量过程中可能存在的土壤损失和压缩现象，导致K值估算出现偏差。

通过本研究，研究团队验证了NMR测井在刻画地下水系统异质性方面的有效性，并提出了一个适用于高度异质、层状地质沉积物的K空间分布建模框架。这一框架不仅可以提高地下水流动与溶质运移模拟的精度，还能够为地下水资源管理提供更为精确的参数基础。此外，研究还指出，NMR测井不仅能够提供K值的估算，还可以用于获取孔隙度等其他水文地质参数，这为更全面的地下水系统研究提供了可能。

总体而言，NMR测井在地下水研究中展现出巨大的潜力。一方面，其能够提供高分辨率的K剖面，覆盖从砾石/砂到粉砂和黏土等不同土壤类型的K值估算，有助于揭示地下结构的异质性特征；另一方面，其高空间分辨率使得不同钻孔之间的K值关联性得以更准确地捕捉，从而为模拟地下水位变化提供可靠的参数支持。然而，为了进一步提高模型的适用性，还需要在更多水文地质环境中进行验证，以评估其在不同地质条件下的表现。