Quantitative evaluation of pore-scale heterogeneity based on statistical analysis of a pore network model of unconsolidated porous media

Abstract

Heterogeneity is a common feature of aquifers and plays an important role in the efficiency of remediation of groundwater contamination. Pore-scale heterogeneity is an important control on governing mass transport and chemical/biological reactions in reactive transport processes, but quantitative characterization and systematic assessment of this property has been limited. In this study, a pore-scale-heterogeneity-synthetic index was developed to quantitatively characterize pore-scale heterogeneity of unconsolidated porous media. It was an attempt to systematically assess pore-scale heterogeneity based on statistical analysis of pore-structure characterization parameters. Pore network extraction was conducted to assist in quantifying the pore structure based on X-ray μ-CT imaging data. The quantitative characterization of pore structure provided input data for a comprehensive evaluation model. Two alternative weighting approaches—principle component analysis and the entropy method—were utilized to calculate the weight of each evaluation indicator. Based on the comprehensive evaluation results, a guideline for classification of pore-scale heterogeneity was proposed by cluster analysis. Further analysis indicated that particle size, shape, and distribution had a potential influence on pore-scale heterogeneity. The bigger, more irregular particles, as well as a wider particle-size distribution, were conducive to forming high heterogeneity at pore scale. The obtained results will provide useful information and theoretical support for pore-scale heterogeneity characterization and understanding of the pore-scale mechanisms of reactive transport processes.

Résumé

L’hétérogénéité est une caractéristique commune des aquifères et joue un rôle important dans l’efficacité de la remédiation de la contamination des eaux souterraines. L’hétérogénéité à l’échelle des pores est un contrôle important de la régulation du transport de masse et des réactions chimiques/biologiques dans les processus de transport réactif, mais la caractérisation quantitative et l’évaluation systématique de cette propriété ont été limitées. Dans cette étude, un indice synthétique d’hétérogénéité à l’échelle des pores a été développé pour caractériser quantitativement l’hétérogénéité à l’échelle des pores des milieux poreux non consolidés. Il s’agissait d’une tentative d’évaluation systématique de l’hétérogénéité à l’échelle des pores basée sur l’analyse statistique des paramètres de caractérisation de la structure des pores. L’extraction du réseau de pores a été réalisée pour aider à quantifier la structure des pores sur la base des données d’imagerie rayons X et μ-CT. La caractérisation quantitative de la structure des pores a fourni des données d’entrée pour un modèle d’évaluation complet. Deux approches alternatives de pondération—l’analyse des composants principaux et la méthode de l’entropie—ont été utilisées pour calculer le poids de chaque indicateur d’évaluation. Sur la base des résultats de l’évaluation complète, une ligne directrice pour la classification de l’hétérogénéité de l’échelle des pores a été proposée par l’analyse des groupes. Une analyse plus poussée a indiqué que la taille, la forme et la distribution des particules avaient une influence potentielle sur l’hétérogénéité à l’échelle des pores. Les particules plus grandes et plus irrégulières, ainsi qu’une distribution plus large de la taille des particules, étaient propices à la formation d’une grande hétérogénéité à l’échelle des pores. Les résultats obtenus fourniront des informations utiles et un soutien théorique pour la caractérisation de l’hétérogénéité à l’échelle des pores et la compréhension des mécanismes des processus de transport réactif à l’échelle des pores.

Resumen

La heterogeneidad es una característica común de los acuíferos y desempeña un papel importante en la eficiencia de la remediación de la contaminación de las aguas subterráneas. La heterogeneidad a escala de los poros es un control importante para regular el transporte en masa y las reacciones químicas/biológicas en los procesos de transporte reactivo, pero la caracterización cuantitativa y la evaluación sistemática de esta propiedad han sido limitadas. En el presente estudio se elaboró un índice sintético de heterogeneidad a escala de poro para caracterizar cuantitativamente la heterogeneidad a escala de poro de los medios porosos no consolidados. Fue un intento de evaluar sistemáticamente la heterogeneidad a escala de poro sobre la base de un análisis estadístico de los parámetros de caracterización de la estructura de los poros. La extracción de la red de poros se realizó para ayudar a cuantificar la estructura de los poros sobre la base de datos de imágenes de rayos X μ-CT. La caracterización cuantitativa de la estructura de los poros proporcionó datos de entrada para un modelo de evaluación exhaustiva. Para estimar el peso de cada indicador en la evaluación se utilizaron dos métodos alternativos de ponderación, a saber, el análisis de los componentes principales y el método de la entropía. Sobre la base de los resultados de una evaluación exhaustiva, se propuso una directriz para la clasificación de la heterogeneidad a escala de poros mediante el análisis de clusters. Otros análisis indicaron que el tamaño, la forma y la distribución de las partículas podían influir en la heterogeneidad a escala de los poros. Las partículas más grandes e irregulares, así como una distribución del tamaño de las partículas más amplia, propiciaban la formación de una gran heterogeneidad a escala de poro. Los resultados obtenidos proporcionarán información útil y apoyo teórico para la caracterización de la heterogeneidad a escala de poro y la comprensión de los mecanismos en los procesos de transporte reactivo.

摘要

非均质性是含水层的一个共同特性,极大地影响着地下水污染的修复效率。在反应运移过程中,孔隙尺度的非均质性是控制物质传输和化学/生物反应的重要因素,但对这种非均质性的定量表征和系统评价却受到一定的限制。为了定量表征松散孔隙介质的非均质性,本文提出了一种孔隙尺度非均质性综合指数。本项指标是基于对孔隙结构表征参数的统计分析,试图系统地评估孔隙尺度的异质性。利用X射线μ-CT成像数据进行孔隙网络提取,对孔隙结构进行定量化处理。孔隙结构的定量表征为综合评价模型提供了输入数据。各评价指标采用主成分分析法和熵权法两种不同的赋权方法来计算权重。在综合评价结果的基础上,通过聚类分析,提出孔隙尺度非均质性的分类准则。进一步分析表明,颗粒的大小、形状和分布对孔隙尺度的非均质性有潜在影响。颗粒越大、越不规则、粒径分布越广泛,孔隙尺度的非均质性越高。本文所得结果将为孔隙尺度非均质性的表征和反应运移过程中的孔隙尺度机理研究提供有用的信息和理论的支撑。

Resumo

A heterogeneidade é uma característica comum dos aquíferos e desempenha um papel importante na eficiência da remediação da contaminação das águas subterrâneas. A heterogeneidade em escala de poros é um importante controle sobre o transporte de massa e reações químicas/biológicas nos processos de transporte reativo, mas a caracterização quantitativa e a avaliação sistemática dessa propriedade tem sido limitadas. Neste estudo, um índice sintético de heterogeneidade na escala de poros foi desenvolvido para caracterizar quantitativamente a heterogeneidade na escala de poros de meios porosos não consolidados. Foi uma tentativa de avaliar sistematicamente a heterogeneidade da escala de poros com base na análise estatística dos parâmetros de caracterização da estrutura de poros. A extração da rede de poros foi realizada para auxiliar na quantificação da estrutura dos poros com base nos dados de imagem de raios-x μ-CT. A caracterização quantitativa da estrutura de poros forneceu dados de entrada para um modelo de avaliação abrangente. Duas abordagens alternativas de ponderação—análise de componentes principais e método de entropia—foram utilizadas para calcular o peso de cada indicador de avaliação. Com base nos resultados abrangentes da avaliação, uma diretriz para classificação da heterogeneidade na escala de poros foi proposta por análise de agrupamentos. Análises posteriores indicaram que o tamanho, a forma e a distribuição das partículas tiveram uma influência potencial na heterogeneidade da escala de poros. As partículas maiores e mais irregulares, bem como uma distribuição de tamanho de partícula mais ampla, foram propícias à formação de alta heterogeneidade na escala de poros. Os resultados obtidos fornecerão informações úteis e suporte teórico para a caracterização da heterogeneidade da escala de poros e o entendimento dos mecanismos da escala de poros dos processos de transporte reativo.