第1章 水动力弥散的基本概念
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8 天然示踪剂 （氘、氚、 O、 13C、34SD等 ）
根据地下水中天然化学组分
可将示踪剂划分为
人工示踪剂
（131I、82Br、 62Co、萤光素 ）
1-3 水动力弥散现象
多孔介质水动力弥散现象：
在多孔介质中当存在两种或两种以上可溶混的溶 体时，在溶体运动作用下，其间发生过渡带，并使 浓度趋于平均的现象。
图1-5 （a）示踪剂驱替砂柱中饱和水试验；
（b）砂柱末端所测定的穿透曲线
溶质运移试验二：
在一维均匀流动的砂板上游的一口井中，连续地注入某种示踪剂。 （1）点源投入的示踪剂沿流动方向不断扩散，形成了逐渐增大的 椭圆。（2）示踪剂在投入点周围迅速扩散，不断地占流动区域中 越来越大的部分。（3）自中心向外，示踪剂的浓度由大变小，并 不存在突变的界面。 通过足够点的观察可以绘出椭圆状的等浓度曲线。
流动方向
注入井
a
b
图 1-6（ a）一维均匀留场的砂板上游点源投入示踪剂 （a）一维均匀流场的砂板上游点源投入示踪剂 （ b）一维均匀流场中点源投入示踪剂 (b)一维均匀流场中点源投入示踪剂的扩散
溶质运移试验三：
固定渗流槽两端的水头差，使砂槽中的清水形成稳定的流场。 用一玻璃管插入砂槽中的饱水面以下，在该管上端的容器中连续地 注入带颜色的示踪剂。则可以看到：示踪剂 （1）在注入口周围逐渐扩散开来，不断占越来越大的流动空间。 （2）不仅有沿流动方向的纵向扩散，还有垂直流动方向的横向扩 散。 在流速比较小的情况下，甚至还出现与流动方向相反的方向流动。
水动力弥散可以存在于层流与紊流状态。但在紊流状态下，紊 动还要对地下水质点产生一个附加的运移作用。
复习思考题
1. 请举例说明生活中所见到的弥散现象！ 2. 举例说明可混溶流体与不可混溶流体驱替特 点及其应用 3. 什么是示踪剂？理想示踪剂？天然示踪剂？ 人工示踪剂？分别举例。
4. 举例说明水动力弥散概念？
溶混于流体中的物质在多孔介质中的输运是以 运动的流体为媒介的，而流体的运动又是在几 何结构非常复杂的孔隙空间中进行的。这种特 殊条件造成了流体动力弥散这一特殊现象。
溶质运移试验一：用装满均质砂的圆柱状设备，饱水后来研究其中 的稳定流动。 在初始时（t=0)，用有颜色的示踪剂开始驱替砂柱中的水。 在砂柱末端测出的示踪剂浓度C(t), 画出示踪剂浓度C(t)与时间t 之间 的关系曲线，如果没有水动力弥散作用，浓度曲线应是中间的理论 曲线，而实际上，由于水动力弥散作用，浓度曲线是实测的S形曲 线。
A
B
C
图1-8 雷诺实验观察弥散现象 图 1-8 雷诺实验观察弥散现象
1-4 多孔介质中水动力弥散的机理
水动力弥散是一种宏观现象，但其根源却在于多孔介质的复杂微观结构与流 体的非均一的微观运动。因此，先从微观水平上分析。
由两种输运过程：对流、弥散.
弥散:溶质在多孔介质中的机械弥散与分子扩散。 由浓度高向浓度低的方向运动，逐 分子扩散 渐趋于均一 由于微观多孔介质中水流速分布 的不均一而引起的示踪剂（水质 点）浓度在地下水中不均匀分布 的现象。
纵向弥散：平行于平均流速方向上的弥散；
横向弥散：垂直于平均流速方向上的弥散。
3. 非均质多孔介质
上述的分析都是基于均质的多孔介质而言的。实际含水介质大 多是各向异性的，是十分复杂的，包括局部微观的非均质和宏 观非均质。如下图； 例如在石油流动所形成的“指进”，系微观非均质中孔隙差异 所引起的流速不均一
5. 阐述引起机械弥散、横向弥散、纵向弥散的 原因？
惰性示踪剂 根据示踪剂与地下水之间的 化学反应强弱分为 惰性理想示踪剂 非惰性示踪剂
当示踪剂的浓度较低时，将其加入地下水中后，对地下水的性质影响较小， 这对大部分试验目的而言，可以近似地认为是一种理想示踪剂。
天然示踪剂与人工示踪剂
天然示踪剂指包括天然水中的环境同位素，如氘、氚、18O、13C、及34S 等，以及进入地下水中的污染物指标，如海水中的C1-，污染源中的有害成 分等。
第1章 1-1 1-2
水动力弥散的基本概念 介质中两种流体的类型 示弥散的机理
1. 水动力弥散的基本概念 1-1 介质中两种流体的类型
1.自然界流体的运动
图1是不同性质溶体之间无明显的突变界——混溶流体的 驱替(如：海水入侵、地下水（地表水）污染定量评价等 等。) 图2是不同性质溶体之间有明显的突变界——不混溶流体 的驱替(如石油污染物在水体或含水层中的运移问题。)
1.水动力弥散
机械弥散 机械弥散原因：
⑴ 同一空隙中不同部位的流速分布不均匀；
⑵ 不同空隙的流速大小不同；
⑶ 固体骨架导致流速分布的不均匀。
⑴ 同一空隙中不同部位的 流速分布不均匀（图1-9）
⑵
不同空隙的流速大小 不同（图1-10）
⑶ 固体骨架导致 流速分布的不均匀 （图1-11）
2. 纵向弥散与横向弥散
图1-7 渗流槽中连续投入示踪剂
溶质运移试验四： 在雷诺实验装置观察弥散现象。
在水箱壁A上开一孔口B，用一水平玻璃管BC与孔口相连接。玻璃管 末端有一截门C。D为一盛颜色示踪剂的小容器，有一直径非常小的 管连接插入孔口中央。水箱水位保持恒定。
当实验开始时，轻轻打开C，可以观察到示踪剂形成一条清晰的平 滑的直线，而不与周围的水相混溶，逐渐将C开大，可以观察到示 踪剂出现波状摆动，进而呈现紊乱状态，直到整个玻璃管中的颜色 与清水完全混溶，但这种弥散与前述的3个实验中的弥散机理完全 不同。
不同性质溶体之间无 明显的突变界——混 溶流体的驱替
降水 固体
不同性质溶体之间有明显 的突变界——不混溶流体 的驱替
油井
地下水 流向
地 下 水 水 位
油 水
1-2 示踪剂
能够溶解在地下水中的标志性物质，通过研究该物质的分布规 律来研究地下水的弥散过程. 称这种标志性物质为示踪剂
如果示踪剂既不与地下水发生化学反应，也不与多孔介质发生化学作用， 则叫做惰性示踪剂。 若示踪剂是惰性的，且其加入而不改变地下水的物理性质，则叫做理想 示踪剂。否则是非理想示踪剂。
环境同位素作为天然示踪剂，“标记”着天然水参与地下水的形成过程，因此 研究它的分布规律及分馏机理，有可能直接提供有关地下水形成和运动的信息。 通过对参与地下水污染过程的污染物指标的系列测定，可以了解地下水的运动 速度及弥散机理等。 人工示踪剂由于针对性和易于被检测等优点，长时间来一直被广泛使用于野外示 踪剂试验，测定弥散系数，示踪地下水的流速流向等。 目前人工示踪剂主要有：离子化合物，如氯化物、溴化物等；放射性同位素，如 131I、82Br、60Co等；有机染料，如萤红素、甲基盐、伊红、苯胺盐等；碳氟化合 物，如CC12F2、CC12F等。
根据地下水中天然化学组分
可将示踪剂划分为
人工示踪剂
（131I、82Br、 62Co、萤光素 ）
1-3 水动力弥散现象
多孔介质水动力弥散现象：
在多孔介质中当存在两种或两种以上可溶混的溶 体时，在溶体运动作用下，其间发生过渡带，并使 浓度趋于平均的现象。
图1-5 （a）示踪剂驱替砂柱中饱和水试验；
（b）砂柱末端所测定的穿透曲线
溶质运移试验二：
在一维均匀流动的砂板上游的一口井中，连续地注入某种示踪剂。 （1）点源投入的示踪剂沿流动方向不断扩散，形成了逐渐增大的 椭圆。（2）示踪剂在投入点周围迅速扩散，不断地占流动区域中 越来越大的部分。（3）自中心向外，示踪剂的浓度由大变小，并 不存在突变的界面。 通过足够点的观察可以绘出椭圆状的等浓度曲线。
流动方向
注入井
a
b
图 1-6（ a）一维均匀留场的砂板上游点源投入示踪剂 （a）一维均匀流场的砂板上游点源投入示踪剂 （ b）一维均匀流场中点源投入示踪剂 (b)一维均匀流场中点源投入示踪剂的扩散
溶质运移试验三：
固定渗流槽两端的水头差，使砂槽中的清水形成稳定的流场。 用一玻璃管插入砂槽中的饱水面以下，在该管上端的容器中连续地 注入带颜色的示踪剂。则可以看到：示踪剂 （1）在注入口周围逐渐扩散开来，不断占越来越大的流动空间。 （2）不仅有沿流动方向的纵向扩散，还有垂直流动方向的横向扩 散。 在流速比较小的情况下，甚至还出现与流动方向相反的方向流动。
水动力弥散可以存在于层流与紊流状态。但在紊流状态下，紊 动还要对地下水质点产生一个附加的运移作用。
复习思考题
1. 请举例说明生活中所见到的弥散现象！ 2. 举例说明可混溶流体与不可混溶流体驱替特 点及其应用 3. 什么是示踪剂？理想示踪剂？天然示踪剂？ 人工示踪剂？分别举例。
4. 举例说明水动力弥散概念？
溶混于流体中的物质在多孔介质中的输运是以 运动的流体为媒介的，而流体的运动又是在几 何结构非常复杂的孔隙空间中进行的。这种特 殊条件造成了流体动力弥散这一特殊现象。
溶质运移试验一：用装满均质砂的圆柱状设备，饱水后来研究其中 的稳定流动。 在初始时（t=0)，用有颜色的示踪剂开始驱替砂柱中的水。 在砂柱末端测出的示踪剂浓度C(t), 画出示踪剂浓度C(t)与时间t 之间 的关系曲线，如果没有水动力弥散作用，浓度曲线应是中间的理论 曲线，而实际上，由于水动力弥散作用，浓度曲线是实测的S形曲 线。
A
B
C
图1-8 雷诺实验观察弥散现象 图 1-8 雷诺实验观察弥散现象
1-4 多孔介质中水动力弥散的机理
水动力弥散是一种宏观现象，但其根源却在于多孔介质的复杂微观结构与流 体的非均一的微观运动。因此，先从微观水平上分析。
由两种输运过程：对流、弥散.
弥散:溶质在多孔介质中的机械弥散与分子扩散。 由浓度高向浓度低的方向运动，逐 分子扩散 渐趋于均一 由于微观多孔介质中水流速分布 的不均一而引起的示踪剂（水质 点）浓度在地下水中不均匀分布 的现象。
纵向弥散：平行于平均流速方向上的弥散；
横向弥散：垂直于平均流速方向上的弥散。
3. 非均质多孔介质
上述的分析都是基于均质的多孔介质而言的。实际含水介质大 多是各向异性的，是十分复杂的，包括局部微观的非均质和宏 观非均质。如下图； 例如在石油流动所形成的“指进”，系微观非均质中孔隙差异 所引起的流速不均一
5. 阐述引起机械弥散、横向弥散、纵向弥散的 原因？
惰性示踪剂 根据示踪剂与地下水之间的 化学反应强弱分为 惰性理想示踪剂 非惰性示踪剂
当示踪剂的浓度较低时，将其加入地下水中后，对地下水的性质影响较小， 这对大部分试验目的而言，可以近似地认为是一种理想示踪剂。
天然示踪剂与人工示踪剂
天然示踪剂指包括天然水中的环境同位素，如氘、氚、18O、13C、及34S 等，以及进入地下水中的污染物指标，如海水中的C1-，污染源中的有害成 分等。
第1章 1-1 1-2
水动力弥散的基本概念 介质中两种流体的类型 示弥散的机理
1. 水动力弥散的基本概念 1-1 介质中两种流体的类型
1.自然界流体的运动
图1是不同性质溶体之间无明显的突变界——混溶流体的 驱替(如：海水入侵、地下水（地表水）污染定量评价等 等。) 图2是不同性质溶体之间有明显的突变界——不混溶流体 的驱替(如石油污染物在水体或含水层中的运移问题。)
1.水动力弥散
机械弥散 机械弥散原因：
⑴ 同一空隙中不同部位的流速分布不均匀；
⑵ 不同空隙的流速大小不同；
⑶ 固体骨架导致流速分布的不均匀。
⑴ 同一空隙中不同部位的 流速分布不均匀（图1-9）
⑵
不同空隙的流速大小 不同（图1-10）
⑶ 固体骨架导致 流速分布的不均匀 （图1-11）
2. 纵向弥散与横向弥散
图1-7 渗流槽中连续投入示踪剂
溶质运移试验四： 在雷诺实验装置观察弥散现象。
在水箱壁A上开一孔口B，用一水平玻璃管BC与孔口相连接。玻璃管 末端有一截门C。D为一盛颜色示踪剂的小容器，有一直径非常小的 管连接插入孔口中央。水箱水位保持恒定。
当实验开始时，轻轻打开C，可以观察到示踪剂形成一条清晰的平 滑的直线，而不与周围的水相混溶，逐渐将C开大，可以观察到示 踪剂出现波状摆动，进而呈现紊乱状态，直到整个玻璃管中的颜色 与清水完全混溶，但这种弥散与前述的3个实验中的弥散机理完全 不同。
不同性质溶体之间无 明显的突变界——混 溶流体的驱替
降水 固体
不同性质溶体之间有明显 的突变界——不混溶流体 的驱替
油井
地下水 流向
地 下 水 水 位
油 水
1-2 示踪剂
能够溶解在地下水中的标志性物质，通过研究该物质的分布规 律来研究地下水的弥散过程. 称这种标志性物质为示踪剂
如果示踪剂既不与地下水发生化学反应，也不与多孔介质发生化学作用， 则叫做惰性示踪剂。 若示踪剂是惰性的，且其加入而不改变地下水的物理性质，则叫做理想 示踪剂。否则是非理想示踪剂。
环境同位素作为天然示踪剂，“标记”着天然水参与地下水的形成过程，因此 研究它的分布规律及分馏机理，有可能直接提供有关地下水形成和运动的信息。 通过对参与地下水污染过程的污染物指标的系列测定，可以了解地下水的运动 速度及弥散机理等。 人工示踪剂由于针对性和易于被检测等优点，长时间来一直被广泛使用于野外示 踪剂试验，测定弥散系数，示踪地下水的流速流向等。 目前人工示踪剂主要有：离子化合物，如氯化物、溴化物等；放射性同位素，如 131I、82Br、60Co等；有机染料，如萤红素、甲基盐、伊红、苯胺盐等；碳氟化合 物，如CC12F2、CC12F等。