高级水文地质学Ch1

1、地下水溶质运移理论及模型,Outline,Ch 1. 水动力弥散的基本概念 2h Ch 2. 水动力弥散方程 2h Ch 3. 水动力弥散系数 2h,Recommended text book,中文书籍（参见课本）。 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. 水动力弥散的基本概念,不混溶流体、可混溶流体 示踪剂 (Tracer) 水动力弥散现象 水动力弥散机理 研究水动力弥散的意义,1. 不混溶流体、可混溶流体,不混溶流体、突变界面、毛细压力、多相流 可混溶流体（溶液）、无突变界面 驱替 （驱赶并代替，displacement） 水动力弥散：可混溶流体的驱替,本课程与水文水环境前沿学科的关系,多组分、多相流 （两组分，单相流） 非等温流，如地热 （等温流） 指状分支流 非均值、各向异性多孔介质 裂隙流，紊流 （多孔介质层流） 包气带 （饱和带） 地球化学

3、，环保,2. 示踪剂（Tracer）,示踪剂：溶解在地下水中的标志性物质（颜色、电导率、离子浓度、放射性衰变等） 惰性示踪剂：理想示踪剂 天然示踪剂：环境同位素，如 D (氘, deuterium)，T (氚, tritium)， 18O，13C，34S，226Ra，污染物等 人工示踪剂：针对性强，易检测，应用广泛。离子化合物 (氯化物、溴化物)；放射性同位素131I、82Br、60Co；有机染料（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 (每分钟衰变次数),环境同位素 应用举例： W. S. Moore, 1996, Nature, 380(18), 212-214.,Sea,Land,3. 水动力弥散现象（Hydrodynamic dispersion）,感知弥散和扩散现象： 花香，香水味，糖加水，盐加水，泡茶 水动力弥散： 地下水溶质成分蔓延到单独按照平均流速所预计的范围之外的现象 简单实验： 1. 沙柱示踪剂实验 2. 一维均匀流中的示踪剂实验 3. 渗流槽中连续投入示踪剂 4. 雷诺 (Reynolds) 试验（层流和紊

5、流）,水动力弥散现象：沙柱示踪剂实验,图(c)的观测断面,图(b)的观测断面,一维均匀流中的示踪剂实验：（晕，Plume）,Groundwater contamination,雷诺 (Reynolds) 试验（层流）,雷诺 (Reynolds) 试验（紊流）,不混溶流体、可混溶流体 示踪剂 (Tracer) 水动力弥散现象 指状分支流宏观均质微观非均质,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. 水动力弥散现象的机理（Mechanism）,分子扩散 Molecular diffusion 机械弥散 Mechanic dispersion,水动力弥散现象,（布朗运动， 分子碰撞）

7、,空隙壁摩擦力 空隙直径 流动路径,Causes of mechanic dispersion,D *: molecular diffusion coefficient t : tortuosity of porous media a : dynamic dispersivity V : mean flow velocity,典型单元体,与多孔介质空隙有关的物理量如 空隙度、渗透系数、渗流速度、渗流的密度等 都是在合适的典型单元体上的平均值。以速度为例：,典型单元体：以 (x,y,z) 为中心的，具有合适的宏观尺寸的球或立方体。,横向弥散 和 纵向弥散,横向弥散： 垂直于流体的平均运动方向的弥

8、散 纵向弥散： 平行于流体的平均运动方向的弥散 动态示例,介质非均质性、各向异性对弥散的影响,非均质 宏观均质微观非均质： 指状分支流（Fingered flow, fingers, fingering flow, preferential flow） 各向异性： 地下水在各个方向上的流动阻力不一样 （如 垂向阻力水平方向阻力）,不混溶流体、可混溶流体 示踪剂 (Tracer) 水动力弥散现象 指状分支流宏观均质微观非均质,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.研究水动力弥散的意义,地下水污染模拟和预测 地下水污染治理方案设计 海水入侵，海底地下水排泄估计 地下卤水对淡水的

10、影响 地球化学找矿 石油的二次开采 核废料处置 ,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,思考题： Reynolds 实验中，在层流条件下，若水平管道足够长，绿色

11、细线是否会一直保持其直而细的形状？ 为什么？,THE END THANK YOU!,Recommended text book,沈照理主编，水文地球化学基础。 孙纳正，地下水污染-数学模型和数值方法 薛禹群、谢春红、吴吉春等，海水入侵、咸淡水界面运移规律研究。 朱学愚、谢春红，地下水运移模型。 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,对书中“单纯的机械弥散不可能形成横向弥散”的讨论,学术可以争论，百家争鸣，科学才能发展 分子扩散是在任何条件下都存在的（除非在绝对零度），因此这种讨论意义不大。,Soil moisture/saturation and capillary pressure (2),Capillary tube,In the soil,A measure of soils tendency to su