滞留水对非饱和裂隙中NAPL迁移的影响

《Journal of Contaminant Hydrology》：Effect of entrapped water on NAPL migration in unsaturated fractures

　　

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  裂隙中滞留的水在整个NAPL侵入过程中保持稳定，作为一种独特的边界来调节迁移行为。
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  滞留水引发流动模式的转变，从指进流转变为膜流。
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  与指进流相比，膜流增强了横向扩展和突破饱和度，但延缓了裂隙渗透。
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  NAPL占据的裂隙宽度的正态分布是一个稳健的特征，不受流动模式、注入速率或裂隙倾角的影响。

引言

非水相液体（NAPL）是最常见的地下水污染源，主要来源于石油产品的意外泄漏以及石油化工企业和炼油厂的废水排放（Essaid et al., 2015; Jia et al., 2018; Sookhak Lari et al., 2019）。非饱和带是地表与地下水之间的关键中间带，该带中的裂隙充当泄漏NAPL快速侵入地下水系统的优先通道（Berkowitz, 2002; Keim et al., 2012; Xue et al., 2023）。因此，NAPL在非饱和裂隙中的迁移行为在环境水文学领域引起了广泛关注（Su et al., 2001; Mashayekhizadeh et al., 2011; Huang et al., 2015; Shen et al., 2023b）。由于NAPL与水不互溶，其侵入非饱和裂隙是一个多相驱替过程，包括干裂隙中的NAPL-气两相流以及含有滞留水的裂隙中的NAPL-水-气三相流。然而，裂隙中的多相流动行为极为复杂。一方面，裂隙介质表现出强各向异性，直接调节侵入液体的流动路径（Yang et al., 2019a; Liu et al., 2024; Xing et al., 2024b）。另一方面，多相界面的接触特征进一步复杂化了调节NAPL迁移的力平衡（Sabti et al., 2019; Alhosani et al., 2021）。因此，深入理解单个非饱和裂隙中的多相流动行为，对于准确评估地下水污染风险和优化场地修复策略至关重要。

为了揭示多相流动的机理，研究者利用天然裂隙样品或人工制备的粗糙壁裂隙模型开展了大量实验研究（Yang et al., 2012; Hu et al., 2019; Chen et al., 2021; Shen et al., 2023a; Zhou et al., 2024; Pang et al., 2026）。这些研究表明，侵入流体的迁移行为受毛细力、重力和黏性力共同作用的控制，与注入流速、裂隙宽度分布、裂隙倾角和裂隙表面润湿性等因素密切相关（Nicholl et al., 1994; Hu et al., 2019; Guiltinan et al., 2021）。这些力的相互作用导致多种流动模式，包括毛细指进、黏性指进、重力指进和致密驱替，它们在很大程度上决定了裂隙介质中侵入流体的流动动力学和相结构（Loggia et al., 2009; Chen et al., 2017; Chen et al., 2018; Yang et al., 2019b）。通过基于毛细数（Ca）、黏度比（M）和邦德数（Bo）等特征参数建立流动模式相图，可以较好地预测流体侵入裂隙的特征。这些研究加深了我们对裂隙中多相流动的理解。然而，以往的大部分研究主要集中在两相流动模式上，而NAPL-水-气系统等三相流动场景在很大程度上被忽视（Geller et al., 2000; Lu et al., 2017）。因此，对于水如何调节裂隙中NAPL迁移行为的理解仍然有限。

目前关于非饱和带中NAPL-水-气三相流动的研究主要集中于多孔介质（Khishvand et al., 2016; Alhosani et al., 2021; Zhang et al., 2021; Dou et al., 2023; Cui et al., 2026）。这些研究表明，滞留水对NAPL迁移的调节影响通过两种主要机制实现。首先，滞留水占据孔隙空间直接降低了介质渗透率，从而阻碍NAPL的向下迁移（Han et al., 2025; Zuo et al., 2025）。这种阻滞效应受孔隙非均质性和含水饱和度的控制。在均质多孔介质中，阻滞效应随含水量增加而增强；而在非均质多孔介质中，由于细孔隙中更强的水滞留作用，更细的孔隙导致更强的阻滞。其次，NAPL、水和气三相之间发生复杂的界面动态相互作用。NAPL迁移过程中的驱替效率，涉及滞留孔隙水的移除，取决于滞留水量和NAPL流入速率等变量（Dou et al., 2023）。然而，由于多孔介质和裂隙介质在孔隙结构上的差异，两类介质中的流体分布和NAPL迁移行为存在显著不同。多孔介质中的多相流动强烈受孔喉尺寸和连通性的控制，而裂隙中的流动则受宽度场分布的控制（Nicholl and Glass, 2005; Chen et al., 2018）。此外，孔隙与裂隙之间的特征尺度差异调节了重力和毛细力的相对重要性，产生了不同的流体滞留和驱替模式（Geller et al., 2000; Li et al., 2021）。因此，多孔介质中观察到的NAPL-水-气三相流动模式是否适用于裂隙介质仍不清楚。

本研究聚焦于NAPL在非饱和裂隙中的侵入行为。主要目标是揭示滞留水对裂隙中NAPL迁移的调节机理，并定量分析滞留水对NAPL侵入特征的影响。利用可视化流动实验系统，我们通过改变裂隙倾角和NAPL注入速率开展了一系列实验，系统研究了NAPL渗滤的特征行为，旨在阐明NAPL的特征迁移模式和模式转变机理。

章节摘要

实验装置与裂隙池

利用可视化流动装置（图1a）在不同倾角和注入流速条件下，在单个裂隙中进行了两相流（NAPL-气）和三相流（NAPL-水-气）实验。该装置由透明裂隙池、图像采集系统和泵送系统组成。

透明裂隙池由两块粗糙玻璃板（20 cm × 10 cm）组装而成。裂隙池被夹在有机玻璃板之间并用螺栓固定，其长边进行了密封

NAPL的侵入模式

为了阐明裂隙中滞留水对NAPL迁移特征行为的影响，选取了一个代表性实验（α = 10°，Q = 0.2 mL/min）。NAPL在初始干燥和含滞留水裂隙中的侵入过程分别见图2和补充信息中的视频S1。当侵入初始干燥的裂隙时，NAPL以受重力和毛细力共同控制的指进流模式迁移（图2a）。在宏观尺度上，前沿的NAPL

膜流的形成机理

在NAPL-水-气三相流动系统中，膜流始终沿滞留水滴的边缘传播。在宏观尺度上，裂隙宽度场预计控制着滞留水的分布，从而调节NAPL的侵入特征。然而，在局部尺度上，膜流的推进始终沿着滞留水滴的边缘发生，对沿水滴边缘的局部宽度变化不敏感。

结论

本研究通过可视化实验，研究了初始干燥和含水滞留裂隙中NAPL的侵入行为，重点关注NAPL-气两相流和NAPL-水-气三相流系统下NAPL迁移过程的差异。在不同裂隙倾角和注入流速条件下考察了滞留水对NAPL侵入的影响。主要发现总结如下：

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  滞留水引发NAPL侵入的

CRediT作者贡献声明

Song Xue（薛松）： 撰写 – 原稿、方法、调查、资金获取、概念构思。Qingteng Fan（范清腾）： 调查、形式化分析、数据整理。Zexiong Zhou（周泽雄）： 撰写 – 审阅与编辑、资金获取、概念构思。Zhibing Yang（杨志冰）： 软件、方法、概念构思。Gang Liu（刘刚）： 可视化、资源。Biao Li（李彪）： 可视化、软件、形式化分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（资助号52209135和42507096）以及湖北省教育厅科学技术研究项目（Q20241210）提供的资助。

Song Xue（薛松）|Qingteng Fan（范清腾）|Zexiong Zhou（周泽雄）|Zhibing Yang（杨志冰）|Gang Liu（刘刚）|Biao Li（李彪）