水動(dòng)力彌散系數(shù)

水動(dòng)力彌散是大量個(gè)別的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)孔隙的實(shí)際運(yùn)移，與發(fā)生在孔隙中的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象的宏觀反映．造成水動(dòng)力彌散的原因是非常復(fù)雜的，它包括流體的流動(dòng)，多孔介質(zhì)復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)、分子擴(kuò)散和流體性質(zhì)（如密度、粘度等）的變化對(duì)流速的影響等，但其中主要是由溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散所引起。

分子擴(kuò)散是由于流體中所含溶質(zhì)濃度不均勻而引起的一種物質(zhì)運(yùn)移現(xiàn)象。濃度梯度使得物質(zhì)從濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)移，結(jié)果是濃度趨于均勻化，分子擴(kuò)散服從Fick定律。

機(jī)械彌散則主要是純力學(xué)作用的結(jié)果。當(dāng)流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，固相與液相之間的相互作用非常復(fù)雜，包括示蹤劑顆粒在固體表面上的吸附、沉淀、溶解、離子交換、化學(xué)反應(yīng)及生物過(guò)程等。但對(duì)示蹤劑的運(yùn)移來(lái)說(shuō)，最主要的是機(jī)械作用。所謂機(jī)械作用，就是由于孔隙系統(tǒng)的存在，使得流速在孔隙橫截面上的分布無(wú)論其大小和方向都不均一，一般分為以下三種情況：

（1） 在同一孔隙中，由于液體有黏滯性以及結(jié)合水對(duì)重力水的摩擦阻力，使得最靠近隙壁部分的水流速度趨近于零，向軸部流速逐漸增大，至軸部最大，類似于筆直的毛細(xì)管中的流體速度的拋物線狀分布；

（2） 在不同的孔隙中，由于孔隙大小不一，造成孔隙各自的軸間最大流速存在差異；

（3） 受相互連通的孔隙空間的形狀影響，即固體骨架的阻擋，水流方向也隨之不斷改變，因此對(duì)于水流平均方向而言，具體流線的位置在空間是擺動(dòng)的。這幾種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生，由此造成開(kāi)始時(shí)彼此靠近的示蹤劑質(zhì)點(diǎn)群在地下水流動(dòng)過(guò)程中不是一律按平均流速流動(dòng)，而是不斷地被分細(xì)，進(jìn)入更為纖細(xì)的通道分支，從而使得地下水質(zhì)點(diǎn)逐漸擴(kuò)展開(kāi)，超出僅按平均流動(dòng)所預(yù)期的擴(kuò)展范圍。我們把流體通過(guò)多孔介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，由于微觀尺度上流速的不均一所造成的這種地下水質(zhì)點(diǎn)散布的現(xiàn)象稱為機(jī)械彌散 。

（1）是二秩張量，通常認(rèn)為是對(duì)稱的；

（2）它有主方向：一個(gè)與水流速度矢量的方向（即與流體有關(guān)，和介質(zhì)無(wú)關(guān)）一致，另外兩個(gè)方向一般是任意的，但要與第一個(gè)方向垂直。

（3）該系數(shù)大小取決于水流速度的模量。

所以水動(dòng)力彌散系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn)，即使介質(zhì)的滲透性各向同性，彌散系數(shù)仍然可能具有各向異性的特點(diǎn)，因彌散張量的各向異性源于濃度的傳播在速度方向要快于其橫向傳播。 2100433B

水動(dòng)力彌散系數(shù)包括機(jī)械彌散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)?shù)叵滤魉佥^大時(shí)，分子擴(kuò)散系數(shù)可以忽略。假設(shè)彌散系數(shù)與孔隙平均流速呈線性關(guān)系，這樣可先求出彌散系數(shù)再除以孔隙平均流速便可獲取彌散度。

影響水動(dòng)力彌散系數(shù)的因素有許多，包括水動(dòng)力條件、水溫和溶質(zhì)濃度等。彌散系數(shù)的測(cè)定大都采用示蹤劑在含水層中的彌散曲線來(lái)求解，也可通過(guò)室內(nèi)彌散試驗(yàn)確定，但大量資料表明，實(shí)驗(yàn)室模擬與野外測(cè)量得到的彌散度有數(shù)量級(jí)上的差異（一般是室內(nèi)測(cè)定值偏小），現(xiàn)在已開(kāi)始研究利用尺度效應(yīng)分維來(lái)描述縱向彌散度隨尺度增加而增大的規(guī)律。

是土壤水鹽運(yùn)移的一個(gè)重要參數(shù)，多見(jiàn)于土壤模型之中。表征一定流速下，多孔介質(zhì)對(duì)某種污染物質(zhì)彌散能力的參數(shù)。它在宏觀上反映了多孔介質(zhì)中地下水流動(dòng)過(guò)程和空隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程的影響。包括機(jī)械彌散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)。

指恒溫條件下多孔介質(zhì)中流體所產(chǎn)生的溶質(zhì)擴(kuò)散效應(yīng)。在總體上，水流應(yīng)按某一平均流速運(yùn)動(dòng)。但由于孔隙、裂隙分布的不均勻，幾何形狀和大小的不同，實(shí)際上溶質(zhì)示蹤物是沿著曲折的滲透途徑運(yùn)動(dòng)的，水流的局部速度在大小和方向上發(fā)生著變化，引起溶質(zhì)在介質(zhì)中擴(kuò)散的范圍愈來(lái)愈大。機(jī)械彌散系數(shù)可以表征多孔介質(zhì)中溶質(zhì)示蹤物隨滲透水流運(yùn)移的特性。機(jī)械彌散系數(shù)（Dh）與水流滲透速度（V）成正比，且與多孔介質(zhì)顆粒的大小和分布有關(guān)，即Dh=λ2V，式中λ2為表征多孔介質(zhì)平均粒徑及其不均勻特征的參數(shù)。Dh的量綱為[L2/T]。機(jī)械彌散系數(shù)有兩個(gè)分量：縱向彌散和橫向彌散，前者是水流方向上的彌散作用；后者是垂直于水流方向上的彌散作用。在多孔介質(zhì)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，縱向彌散比橫向彌散大5至20倍。

表征物質(zhì)分子擴(kuò)散能力的物理量，受系統(tǒng)的溫度、壓力和混合物中組分濃度的影響。根據(jù)斐克定律，組分A在組分B中的分子擴(kuò)散系數(shù)，其值等于該物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)、單位濃度梯度作用下、經(jīng)單位面積沿?cái)U(kuò)散方向傳遞的物質(zhì)量。

組分在氣體中分子擴(kuò)散系數(shù)約10-5～10-4平方米/s，在液體中約為10-9～10-10平方米/s。在固體中約為10-9～10-14平方米/s。分子擴(kuò)散系數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。氣體和液體中的分子擴(kuò)散系數(shù)，也用一些半經(jīng)驗(yàn)公式估算。