1、地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論及模型,Outline,Ch 1. 水動(dòng)力彌散的基本概念 2h Ch 2. 水動(dòng)力彌散方程 2h Ch 3. 水動(dòng)力彌散系數(shù) 2h,Recommended text book,中文書(shū)籍（參見(jiàn)課本）。 English books: J. Bear, Dynamics of fluids in porous media. D. K. Todd，Groundwater Hydrology. C. W. Fetter, Applied Hydrogeology. de Marsily, Quantitative Hydrogeology, 1986 R. Bird, W.E. Ste

2、wart & E.N. Lightfoot, Transport Phenomena,Ch1. 水動(dòng)力彌散的基本概念,不混溶流體、可混溶流體 示蹤劑 (Tracer) 水動(dòng)力彌散現(xiàn)象 水動(dòng)力彌散機(jī)理 研究水動(dòng)力彌散的意義,1. 不混溶流體、可混溶流體,不混溶流體、突變界面、毛細(xì)壓力、多相流 可混溶流體（溶液）、無(wú)突變界面 驅(qū)替 （驅(qū)趕并代替，displacement） 水動(dòng)力彌散：可混溶流體的驅(qū)替,本課程與水文水環(huán)境前沿學(xué)科的關(guān)系,多組分、多相流 （兩組分，單相流） 非等溫流，如地?zé)?（等溫流） 指狀分支流 非均值、各向異性多孔介質(zhì) 裂隙流，紊流 （多孔介質(zhì)層流） 包氣帶 （飽和帶） 地球化學(xué)

3、，環(huán)保,2. 示蹤劑（Tracer）,示蹤劑：溶解在地下水中的標(biāo)志性物質(zhì)（顏色、電導(dǎo)率、離子濃度、放射性衰變等） 惰性示蹤劑：理想示蹤劑 天然示蹤劑：環(huán)境同位素，如 D (氘, deuterium)，T (氚, tritium)， 18O，13C，34S，226Ra，污染物等 人工示蹤劑：針對(duì)性強(qiáng)，易檢測(cè)，應(yīng)用廣泛。離子化合物 (氯化物、溴化物)；放射性同位素131I、82Br、60Co；有機(jī)染料（dye）等,Activities of 226Ra (d.p.m. per 100L) measured in surface waters of the South Atlantic Bight

4、from 8 to 11 July 1994. d.p.m.: decays per minute (每分鐘衰變次數(shù)),環(huán)境同位素 應(yīng)用舉例： W. S. Moore, 1996, Nature, 380(18), 212-214.,Sea,Land,3. 水動(dòng)力彌散現(xiàn)象（Hydrodynamic dispersion）,感知彌散和擴(kuò)散現(xiàn)象： 花香，香水味，糖加水，鹽加水，泡茶 水動(dòng)力彌散： 地下水溶質(zhì)成分蔓延到單獨(dú)按照平均流速所預(yù)計(jì)的范圍之外的現(xiàn)象 簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)： 1. 沙柱示蹤劑實(shí)驗(yàn) 2. 一維均勻流中的示蹤劑實(shí)驗(yàn) 3. 滲流槽中連續(xù)投入示蹤劑 4. 雷諾 (Reynolds) 試驗(yàn)（層流和紊

5、流）,水動(dòng)力彌散現(xiàn)象：沙柱示蹤劑實(shí)驗(yàn),圖(c)的觀測(cè)斷面,圖(b)的觀測(cè)斷面,一維均勻流中的示蹤劑實(shí)驗(yàn)：（暈，Plume）,Groundwater contamination,雷諾 (Reynolds) 試驗(yàn)（層流）,雷諾 (Reynolds) 試驗(yàn)（紊流）,不混溶流體、可混溶流體 示蹤劑 (Tracer) 水動(dòng)力彌散現(xiàn)象 指狀分支流宏觀均質(zhì)微觀非均質(zhì),Two-dimensional transparent Hele-Shaw cells: 160 60 0.3 cm 3-layer system: Fine sand on top, Homogeneous coarse sand in th

6、e middle, Inhomogeneous sand at the bottom. Infiltration flow rate on top: Close to the saturated hydraulic conductivity of the top sand,After http:/www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/,4. 水動(dòng)力彌散現(xiàn)象的機(jī)理（Mechanism）,分子擴(kuò)散 Molecular diffusion 機(jī)械彌散 Mechanic dispersion,水動(dòng)力彌散現(xiàn)象,（布朗運(yùn)動(dòng)， 分子碰撞）

7、,空隙壁摩擦力 空隙直徑 流動(dòng)路徑,Causes of mechanic dispersion,D *: molecular diffusion coefficient t : tortuosity of porous media a : dynamic dispersivity V : mean flow velocity,典型單元體,與多孔介質(zhì)空隙有關(guān)的物理量如 空隙度、滲透系數(shù)、滲流速度、滲流的密度等 都是在合適的典型單元體上的平均值。以速度為例：,典型單元體：以 (x,y,z) 為中心的，具有合適的宏觀尺寸的球或立方體。,橫向彌散 和 縱向彌散,橫向彌散： 垂直于流體的平均運(yùn)動(dòng)方向的彌

8、散 縱向彌散： 平行于流體的平均運(yùn)動(dòng)方向的彌散 動(dòng)態(tài)示例,介質(zhì)非均質(zhì)性、各向異性對(duì)彌散的影響,非均質(zhì) 宏觀均質(zhì)微觀非均質(zhì)： 指狀分支流（Fingered flow, fingers, fingering flow, preferential flow） 各向異性： 地下水在各個(gè)方向上的流動(dòng)阻力不一樣 （如 垂向阻力水平方向阻力）,不混溶流體、可混溶流體 示蹤劑 (Tracer) 水動(dòng)力彌散現(xiàn)象 指狀分支流宏觀均質(zhì)微觀非均質(zhì),Two-dimensional transparent Hele-Shaw cells: 160 60 0.3 cm 3-layer system: Fine sand o

9、n top, Homogeneous coarse sand in the middle, Inhomogeneous sand at the bottom. Infiltration flow rate on top: Close to the saturated hydraulic conductivity of the top sand,After http:/www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/,5.研究水動(dòng)力彌散的意義,地下水污染模擬和預(yù)測(cè) 地下水污染治理方案設(shè)計(jì) 海水入侵，海底地下水排泄估計(jì) 地下鹵水對(duì)淡水的

10、影響 地球化學(xué)找礦 石油的二次開(kāi)采 核廢料處置 ,Groundwater contamination (1),Some important processes affecting the fate of LNAPL: advection, dispersion, dissolution, biodegradation,LNAPL: light nonaqueous phase liquid,Groundwater contamination (2),DNAPL: dense nonaqueous phase liquid,思考題： Reynolds 實(shí)驗(yàn)中，在層流條件下，若水平管道足夠長(zhǎng)，綠色

11、細(xì)線是否會(huì)一直保持其直而細(xì)的形狀？ 為什么？,THE END THANK YOU!,Recommended text book,沈照理主編，水文地球化學(xué)基礎(chǔ)。 孫納正，地下水污染-數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法 薛禹群、謝春紅、吳吉春等，海水入侵、咸淡水界面運(yùn)移規(guī)律研究。 朱學(xué)愚、謝春紅，地下水運(yùn)移模型。 J. Bear, Dynamics of fluids in porous media D. K. Todd Groundwater Hydrology. C. W. Fetter, Applied Hydrogeology. Quantitative Hydrogeology by de Marsily, 1986 Transport Phenomena, by R. Bird, W.E. Stewart 7 E.N. Lightfoot,對(duì)書(shū)中“單純的機(jī)械彌散不可能形成橫向彌散”的討論,學(xué)術(shù)可以爭(zhēng)論，百家爭(zhēng)鳴，科學(xué)才能發(fā)展 分子擴(kuò)散是在任何條件下都存在的（除非在絕對(duì)零度），因此這種討論意義不大。,Soil moisture/saturation and capillary pressure (2),Capillary tube,In the soil,A measure of soils tendency to su