基岩裂隙水是我国分布最为普遍的地下水类型之一。随着石化产业的发展，非水相液体（NAPL）的泄露和污染事件频发。由于NAPL低水溶性、难降解性和高毒性，土壤-地下水系统中残留中的NAPL会成为持久而不易去除的污染源，缓慢而持久地向地下水中溶出并形成溶解相的污染羽，对地下水环境及居民健康造成极大的危害。深入理解裂隙含水层中残留态NAPL的源区结构，对于准确预测其溶解与衰减过程，并制定有效的污染防控与修复策略至关重要。

裂隙介质相比孔隙介质，其非均质性更强，这使得裂隙介质中NAPL残留过程更复杂，相应的源区结构更难以准确描述。已有许多研究聚焦于孔隙介质中NAPL源区结构的形成机制，明确了残留态NAPL主要以两种形式存在，包括（I）被毛细管力捕集在微孔中的“神经节（Ganglia）”结构，以及（II）积聚在不透水层上的“池状”（Pools）结构。然而，对于裂隙介质中NAPL残留过程研究仍相对较少，即使少量研究关注了毛细管力主导下的NAPL残留行为，但对于毛管力、粘性力与开度异质性的耦合作用下对NAPL残留过程的影响仍缺乏系统认识。

针对上述问题，必赢242net官网施小清教授团队自主研发了裂隙介质可视化微流控试验系统开展水- NAPL驱替-残留-溶解全过程研究（图1），揭示粘性力和裂隙开度场异质性的耦合影响下残留态NAPL源区的形成机制。研究发现，微观尺度上不同驱替条件会导致裂隙中残留态NAPL源区结构表现出三种模式：池模式Pools Pattern (PP)、混合模式Mixed Pattern (MP)和神经节模式Ganglia Pattern (GP)（图2）。PP是在毛管力主导条件下水-NAPL驱替后形成的残留态NAPL结构，毛管力的主导下，具有较小粘性压力的水流会绕过某些毛管力阈值较大或较小开度区域，导致该区域中NAPL无法被驱替从而残留下来形成NAPL pools。GP出现在粘性力主导条件下，具有足够粘性压力的水流会以多个入侵指驱替NAPL，只有NAPL以ganglia的形式被少部分具有极高毛管力的开度场区域捕集并残留下来。MP是由毛管力和粘性力共同诱导的捕获机制引起的，在裂隙上游粘性力在与毛管力的竞争中占优，会导致NAPL以ganglia的形式残留，随着粘性力的消耗裂隙下游的毛管力占优，导致NAPL以pools的形式残留，因此MP同时包含NAPL ganglia和pools（图3）。该研究进一步揭示了裂隙开度异质性（包括各向异性与粗糙度）和水流速度这两个关键因素共同决定了上述三种模式的竞争关系及演化机制。研究成果为精准刻画裂隙介质中的残留态NAPL源区结构提供了实验基础，也为下一步裂隙含水层中NAPL溶解建模与长期污染评估提供了理论支撑。

图1. 裂隙介质可视化微流控实验系统

图2. 粗糙单裂隙中的残余NAPL源区结构。（a） 第一组裂隙（具有不同开度场各向异性（A_f）、相同平均开度（e_a = 0.79 mm）和粗糙度（λ_b = 0.278）的裂隙）在不同流速（Ca）下的实验结果，以及（b）第二组裂隙（裂隙粗糙度不同（λ_b）、相同开度场各向同性（A_f  = 1.0））在不同流速下的实验结果

图3 裂隙开度场异质性和流速耦合影响下的残留态NAPL源区结构形成机制。（a） NAPL在log₁₀Ca = -7.62下的残留过程。背景配色表示开度场场；线条轮廓代表驱替过程中的水指；黑色轮廓表示图（a）和（b）中的时间t_A，蓝色轮廓表示时间t_B，紫色轮廓表示时间t_C；局部孔隙填充事件[1]和[2]分别表示从t_A到t_B和从t_B到t_C水指驱替NAPL的行为。（b） NAPL在log₁₀Ca = -4.02下的残留过程。（c） 数值模拟中等水流流速下的粘性压力场（log₁₀Ca = -4.92）。（d） 在低流速（log₁₀Ca = -7.62）、（e）高流速（log₁₀Ca = -4.02）和（f）中间流速（log₁₀Ca = -4.92）条件下，水驱替NAPL过程中局部粘性压降（δP_{vis, l}）的变化。

上述研究成果近期以“Residual NAPL architectures in fractures: insights from microfluidic experiments”为题，发表于自然指数（Nature Index）期刊Geophysical Research Letters（10.1029/2025GL114826）。博士研究生邢坤为论文第一作者，施小清教授为通讯作者，南京大学为第一署名单位。合作者包括武汉大学杨志兵教授,瑞典皇家理工学院Liangchao Zou教授,美国旧金山大学Amalia Kokkinaki教授和南京大学吴吉春教授。该研究得到国家重点研发计划（2022YFC3703101）和国家自然科学基金（42472318, 42272276）的联合资助。

论文信息：Xing, K., Shi, X., Kokkinaki, A., Yang, Z., Zou, L., Wu, J. (2025). Residual NAPL architectures in fractures: insights from microfluidic experiments. Geophysical Research Letters. https://doi.org/10.1029/2025GL114826

图文：邢坤、施小清

审核：唐朝生