水动力弥散系数

2）分子扩散
分子扩散是由于液体中所含溶质的浓度不均一而引起
的一种物质运移现象。浓度梯度使得物质从浓度高的地方 向浓度低的地方运移，以求浓度趋向均一。 分子扩散服从Fick定律。即：
式中： 为该溶质在溶液中的浓度c沿方向s变化的浓度 梯度; 比例系数Dd称为扩散系数，量纲为[L2T-1]。在浓度低 的情况下，可以认为它是一个与浓度无关的常数。
肖长来 吉林大学环境与资源学院
2009-12
主要内容 1. 非饱和带中的地下水运动 2. 地下水中的溶质运移（水动力弥散理论）
§6.2 水动力弥散理论
1 水动力弥散现象及其机理 先考察一个实例。大致了解一下水动力弥散现象是怎么回事。
例：若在一口井中瞬时注入某种浓度的一种示踪剂，则在附 近观测孔中可以观察到示踪剂不仅随地下水流一起位移，而且逐 渐扩散开来，超出了仅按平均实际流速所预期到达的范围，并有 垂直于水流方向的横向扩散，不存在突变的界面。 上述事实说明，存在一种特殊的现象。因为如果不存在这种 现象，示踪剂应按水wk.baidu.com的平均流速移动；含示踪剂和不含示踪刑 的水的接触界面应该是突变的；示踪剂也不应公横向扩展开来， 即有一个以实际平均流速移动的直立锋面。以上事实说明，在两 种成分不同的可以混溶的液体之间存在着一个不断加宽的过渡带。 这种现象称为水动力弥散。 所谓水动力弥散就是多孔介质中所观察到的两种成分不同的可 混溶液体之间过渡带的形成和演化过程。
2 水动力弥散系数 从宏观上来描述弥散现象，亦即将其定义在典型单元体(REV)上 的平均值。机械弥散也能用Fick定律来描述。 多孔介质中的分子扩散描述： I″＝—D″·gradc （6-40） 机械弥散描述： I′＝一D’·gradc （6-41） 水动力弥散系数D：D= D’+D” （6-40） 式中： D”——多孔介质中的分子扩散系数，量纲为[L2T-1] ，是 二秩张量；c——该溶质在溶液中的浓度； I″——由于分于扩散在单位时间内通过单位面积的溶质质量。 D′——机械弥散系数，量纲为[L2T-1]，也是二秩张量； I′——由于机械弥散造成的个单位时间内通过单位面积的溶质质量。 D也是二秩张量。由于水动力弥散在单位时间内通过单位面 积的溶质的质量则为 I＝I′ 十I″＝-D· gradc。
水动力弥散是由溶质在多孔介质中的机械弥散和分子扩散所引 起的。这是一个不稳定的不可逆转的过程。兹分述如下。 1）机械弥散
由于速度不均一所造成的物质运移现象称为机械弥散。 由于液体有粘滞性以及结合水对重力水的摩擦阻力，使得最 靠近隙壁部分的(重力)水流速度趋近于零，向轴部流速逐渐增 大，至轴部最大，孔隙的大小不一，造成不同孔隙间轴部最 大流速有差异，孔隙本身弯弯曲曲，水流方向也随之不断改 变，因此对水流平均方向而言，具体流线的位置在空间是摆 动的。 这几种现象是同时发生的，由此造成开始时彼此靠近的示 踪剂质点群在流动过程中不是一律按平均流速运动，而是不 断向周围扩展，超出按平均流速所预期的扩展范围。沿平均 速度方向和垂直它的方向上，都可以看到这种扩展现象。
液体在多孔介质中流动时，机械弥散和分子扩散是同时出现的， 事实上也不可分。 事实上，“纯”机械弥散不可能存在，但分子 扩散，即使在没有水流运动的情况下也能单独存在。 当流速较大时，机械弥散是主要的；当流速甚小时，分子扩散 的作用就变得很明显。显然，机械弥散和分子扩散都会使溶质既 沿平均流动方向扩展又沿垂直于它的方向扩展。前者称为纵向弥 散，后者称为横向弥散。 除了机械弥散和分子扩散外，某些其它现象也会影响多孔介质 中溶质的浓度分布，如多孔介质中固体颗粒表面对溶质的吸附、 沉淀，水对固体骨架的溶解及离子交换等。此外，液体内部的化 学反应也可导致溶质浓度的变化。 一般来说，溶质浓度的变化会导致液体密度和粘度的变化。这 些变化反过来会影响水流状态，即流速的变化。但在通常情况下， 这类影响不大，可以忽略。
第六章 地下水运动中的专门问题
Source: Adapted from Environmental Protection Agency, Office of Water Supply and Solid Waste Management Programs, Waste Disposal Practices and Their Effects on Groundwater (Washington, D.C.: U.S. Government Printing Office, 1977).
如果我们选择x轴与该点处的平均流速方向一致，y轴和z 轴则与平均流速方向垂直，则上式也可以写成下列更容易 被我们理解的形式： （6-43） 或 （6-44）
此时水动力弥散系数张量： （6-45）
坐标轴方向称为弥散主轴。Dxx称为纵向弥散系数，Dyy， Dzz称为横向弥散系数。由于弥散主铀的方向依赖于流速 方向，即使在均质各向同性介质中，各点弥散主轴的方向 也会随着水流方向的改变而各不相同。 水动力弥散系数在研究地下水物质运移问题中的意义可 以和渗透系数在研究地下水运动问题中的意义相比拟，是 一个很重要的参数。通过大量在末固结的多孔介质中的实 验，得到了如图6-10所示的曲线。图中，纵坐标是从实验 室得到的纵向弥散系数DL与溶质在所研究的液相中的分子 扩散系数Dd的比值，横坐标是一个无量纲的量： （6-46） 称为Peclet数。
其中，u为实际平均流速，d为多孔介质的某种特征长度，该 无量纲数表示实际流速和分子扩散系数相比的相对大小， Pe数愈大，表示流速相对愈大。 根据这条曲线的变化情况，大致上可以分五个区。 第I区：实际流速很小，以分子扩散为主，相当于曲线上 寻接近于常数的一段。 第II区：对应的Peclet数Pe约在0.4到5之间，曲线开始向上 弯曲，机械弥散已达到和分子扩散相同的数量级。因此， 应当研究两者的和，而不应忽略其中的任何一个。 第III区：物质运移主要由机械弥散和横向分子扩散相结合 而产生。横向分子扩散往往会削弱纵向的物质运移，实验 结果得出DL/Dd＝a(Pe)m，a=0.5，1＜M＜1.2。