[科普中国]-水动力弥散系数

简介

水动力弥散系数包括机械弥散系数与分子扩散系数。当地下水流速较大时，分子扩散系数可以忽略。假设弥散系数与孔隙平均流速呈线性关系，这样可先求出弥散系数再除以孔隙平均流速便可获取弥散度。

水动力弥散机理水动力弥散是大量个别的溶质质点，通过孔隙的实际运移，与发生在孔隙中的各种物理和化学现象的宏观反映．造成水动力弥散的原因是非常复杂的，它包括流体的流动，多孔介质复杂的微观结构、分子扩散和流体性质（如密度、粘度等）的变化对流速的影响等，但其中主要是由溶质在多孔介质中的分子扩散和机械弥散所引起。

分子扩散是由于流体中所含溶质浓度不均匀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，结果是浓度趋于均匀化，分子扩散服从Fick定律。

机械弥散则主要是纯力学作用的结果。当流体在多孔介质中流动时，固相与液相之间的相互作用非常复杂，包括示踪剂颗粒在固体表面上的吸附、沉淀、溶解、离子交换、化学反应及生物过程等。但对示踪剂的运移来说，最主要的是机械作用。所谓机械作用，就是由于孔隙系统的存在，使得流速在孔隙横截面上的分布无论其大小和方向都不均一，一般分为以下三种情况：

（1） 在同一孔隙中，由于液体有黏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水流速度趋近于零，向轴部流速逐渐增大，至轴部最大，类似于笔直的毛细管中的流体速度的抛物线状分布；

（2） 在不同的孔隙中，由于孔隙大小不一，造成孔隙各自的轴间最大流速存在差异；

（3） 受相互连通的孔隙空间的形状影响，即固体骨架的阻挡，水流方向也随之不断改变，因此对于水流平均方向而言，具体流线的位置在空间是摆动的。这几种现象同时发生，由此造成开始时彼此靠近的示踪剂质点群在地下水流动过程中不是一律按平均流速流动，而是不断地被分细，进入更为纤细的通道分支，从而使得地下水质点逐渐扩展开，超出仅按平均流动所预期的扩展范围。我们把流体通过多孔介质流动时，由于微观尺度上流速的不均一所造成的这种地下水质点散布的现象称为机械弥散1。

水动力弥散系数的确定方法影响水动力弥散系数的因素有许多，包括水动力条件、水温和溶质浓度等。弥散系数的测定大都采用示踪剂在含水层中的弥散曲线来求解，也可通过室内弥散试验确定，但大量资料表明，实验室模拟与野外测量得到的弥散度有数量级上的差异（一般是室内测定值偏小），现在已开始研究利用尺度效应分维来描述纵向弥散度随尺度增加而增大的规律。

水动力弥散系数的特点（1）是二秩张量，通常认为是对称的；

（2）它有主方向：一个与水流速度矢量的方向（即与流体有关，和介质无关）一致，另外两个方向一般是任意的，但要与第一个方向垂直。

（3）该系数大小取决于水流速度的模量。

所以水动力弥散系数具有各向异性的特点，即使介质的渗透性各向同性，弥散系数仍然可能具有各向异性的特点，因弥散张量的各向异性源于浓度的传播在速度方向要快于其横向传播。2