跨孔全衰减时域激发极化成像技术追踪DNAPL运移的高分辨率表征研究

本文创新性地采用跨孔全衰减时域激发极化（TDIP）技术，结合孔隙介质多相流模型与岩石物理关系，实现了对重质非水相液体（DNAPL）污染运移的高精度三维成像。研究通过数值模拟验证了Cole-Cole参数反演与DNAPL饱和度（SN）的定量关联，结构相似性指数（SSIM）达0.9以上，为复杂地质条件下污染物修复提供了分米级分辨率的监测新范式。

　　

Highlight

本研究通过跨孔全衰减时域激发极化（TDIP）技术，结合多相流动力学与岩石物理模型，建立了DNAPL污染运移的高分辨率监测方法。数值实验表明，该方法能精准捕捉饱和孔隙介质中DNAPL的时空分布特征。

Multiphase flow and capillary pressure equation

多相流体系中，达西定律（Darcy's law）与质量守恒方程控制着DNAPL（d相）与水（w相）的运移行为。关键参数包括固有渗透率κ_ij（m²）、相对渗透率κ_r（无量纲）及动态粘度μ（Pa·s），毛细压力（P_c）通过Brooks-Corey模型与饱和度关联，为电性参数反演提供物理基础。

Experimental scenario set-up

模拟场尺度实验中，设计含低渗透黏土透镜体的砂质含水层，模拟DNAPL在分层介质中的渗透过程。通过设置不同脉冲持续时间（1-4s）的TDIP观测系统，获取包含完整衰减谱的跨孔数据。

Comparison of estimated IP parameters

反演结果显示，Cole-Cole参数（电荷率m、弛豫时间τ、频率相关系数c）能独立重构DNAPL空间分布。其中弛豫时间τ对低饱和度区域（S_N<0.3）敏感度达47%，而电荷率m与饱和度呈显著线性相关（R²>0.85）。

Low permeability lens in porous media

含低渗透透镜体模型的反演挑战在于：①层状结构边界模糊化（过渡带宽度>1.5m）②垂向分辨率受孔距-深度比制约。优化方案显示，当钻孔深度/间距比>1.2时，DNAPL饱和度的反演偏差可降低至±8%。

Conclusions

跨孔全衰减TDIP技术通过整合完整衰减曲线信息，显著提升了DNAPL污染表征的分辨率（SSIM>0.9）。未来研究需重点优化层状界面的反演算法，并开发适用于野外复杂条件的实时监测系统。