溶质运移

地下水和土壤水中的溶质在对流和扩散等的共同作用下形成的物质运动现象

地下水和土壤水中的溶质在对流和扩散等的共同作用下形成的物质运动现象。溶解在地下水和土壤水中的溶质主要是水体所处地带的各种可溶性物质，有时还有由人类活动形成的各种环境物质。

简介

地下水和土壤水中的溶质运移现象与孔隙介质的特性和发生在孔隙介质中的一系列复杂过程有关。如水在孔隙中的流动状况(层流或紊流、饱和或非饱和、稳定或非稳定等)；浓度差异引起的分子扩散现象；液相与固相间的相互作用(吸附、沉淀、溶解、离子交换等)；液体中各种复杂的化学和物理过程引起的流体物质(如密度、黏滞性等)和浓度的变化等。其中对流和分子扩散是促使溶质运移的2种最主要的机制。造成溶质对流的2个基本要素，是水体的运动和孔隙系统的性质。分子扩散是溶质的浓度差引起的。由于溶质浓度空间分布的差异是溶质在复杂的孔隙系统中流动时形成的，因而分子的扩散过程又受到孔隙系统结构和对流过程的制约。实际上，对流和分子扩散这2种溶质运移过程是不可分开的和同时存在的。在溶质运移理论中，常将水体在土壤孔隙中流动时形成和产生的对流扩散和分子扩散合起来统称为水动力弥散。因分子扩散在静止水体情况下也会发生，所以在地下水流动缓慢时，分子扩散过程在水动力弥散中显得比较重要。

机理

影响多孔介质中污染物运移的机理是：对流、弥散和扩散，固体—溶质相互作用以及作为源—汇项处理的各种化学反应及衰变现象。

对流

这是一种溶质随水流—起运移的运动。需要注意的是，一部分被分子引力束缚在固体上的结合水以及死端孔隙中的水是不参与这种流动的，只有在水力坡度作用下参与循环的水才参与这种流动。因此，多孔介质中只有相当于有效孔隙度的这部分孔隙是有效的。

水动力弥散

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。这是一个不稳定的不可逆转的过程。

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，现分述如下：

机械弥散。在多孔介质中，无论液体运动速度的大小还是方向，都是很不均一的。这主要和下列情况有关：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(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，而是不断向周围扩散，超出按平均流速所预期的扩散范围。沿平均速度方向和垂直它的方向上，都可以看到这种扩散现象。液体通过多孔介质流动时，由于速度不均一所造成的这种物质运移现象称为机械弥散。

虽然上面提到的扩散在纵向，即平均水流方向和垂直平均水流方向都有(最初在前者方向)。但仅靠这种速度变化只能导致垂直平均水流方向上很少量的扩散，无法解释垂直水流方向上示踪剂质点占据宽度的不断扩大。为了解释这种现象，必须归因于分子扩散。

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。因此，即使在静止液体中也会发生分子扩散，使示踪剂扩散到越来越大的范围。分子扩散使同一流束内物质的浓度趋于均一，而且相邻流束间在浓度梯度作用下也有物质交换，导致横向浓度差减小。

溶质迁移方式

土壤中的溶质运动是非常复杂的，溶质随着土壤水分的运动而迁移，在运移过程中，溶质在土壤中还会发生化合分解、离子交换等化学反应。所以，土壤中的溶质处于一个物理、化学与生物相互联系和连续变化的系统中，水体中的溶质主要通过以下5种方式发生位置的迁移：

分子扩散

分子扩散是指由于物质分子的Brown运动而引发的物质迁移，当水体内含有的物质存在浓度梯度时，这些物质会从浓度高的地方向浓度低的地方迁移。分子扩散是不可逆的，而且分子在扩散过程中同时会受到阻力(来自分子之间、分子与固壁之间的碰撞)。除了分子扩散之外，还有热扩散、压力扩散等，都具有相同或者相似的扩散过程。对研究大水体的水环境问题分子扩散可以不考虑，因为其量级远小于其他因素引起的物质迁移的量级。

随流输移(advection)

由于时均流速的存在使污染物质发生的输移，称为随流输移。水体处于静止状态没有随流输移。

紊动扩散

由紊流脉动流速的作用使污染物质发生输移的现象称为紊动扩散。紊动扩散作用的强弱与水流漩涡运动有关。

剪切流离散

时均流速在过水断面上分布不均匀，从而存在流速梯度和剪切力的流动，称为剪切流动。由于剪切流动时流速分布不均匀而引起的随流扩散称为分散，也称为离散或弥散。这里的离散是处理方法带来的，即离散的产生是由于将流场作空间平面处理而引起的，若不采用空问平均的简化过程，则就不需要计人离散作用。

对流扩散(convection)

对流扩散是指由于温度差或密度分层不稳定而引起的，铅垂方向对流运动伴随着物质的迁移。

溶质运移模型

土壤溶质运移模型是随着土壤溶质运移理论的研究而发展起来的。对土壤溶质运移的研究始于20世纪初，但在20世纪中叶才出现较大的研究进展。1952年Lapidus和Amudson首次将一个类似于对流—扩散方程的模拟模型应用于溶质运移问题的研究。随后，Tayor，Bear，Bigga和Bresler等人从试验和理论上说明了土壤溶质运移过程中对流、扩散和化学反应的耦合关系，并形成了应用数学模型说明与解释溶质运移的研究。

近年来，根据不同环境条件和研究目的的需要，建立了许多描述土壤溶质运移的模拟模型。所建立的模型可分为两大类：一是确定性模型，它假设一个系统或过程的运行中．存在着明显的因果关系，一系列事件的发生将导致唯一的输出。二是随机性模型，假设真实系统受到某种不确定因素的影响时，系统输出是不确定的，研究系统输出概率。此外，在研究中还常用到简化模型。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省

云南省