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水 利 学 报

２０２３年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０９ － １０８０ － ０７

常密度与变密度流体双组分溶质运移实验研究

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１
叶 逾 １，２ ，刘 森 ，蔡芳敏 ，鲁春辉 ２，４ ，谢一凡 １，２ ，徐 腾 １，２
（１．河海大学 水利水电学院，江苏 南京 ２１００９８；２．河海大学 水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 ２１００９８；
３．福建省水利水电勘测设计研究院有限公司，福建 福州 ３５００００；４．河海大学 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 ２１００９８）

摘要：为准确预测地下水系统中污染物的运移路径及浓度分布，需深入理解不同密度条件下多组分溶质的稀释及
运移机理。本文通过室内实验，分别在常密度流体与变密度流体中，系统观测了荧光素钠与氯化钠两种化合物在
不同混合比时的运移现象，量化了出口处的浓度分布、稀释指数及两种溶质的浓度标准差。研究发现：在常密度
流体中，两种化合物的运移相互独立，其浓度分布取决于化合物各自的水动力扩散与弥散；而在变密度流体中，
两种溶质的运移相互影响，其运移轨迹与浓度分布均相同，取决于占比较大化合物的运移结果；变密度对流导致
溶质羽和周围流体的接触面积增大，相较于常密度条件，溶质的稀释程度得到大幅提升。
组分；溶质运移；室内实验
关键词：变密度流体；常密度流体；双
中图分类号：ＴＶ１３８ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０１７６

１ 研究背景

地下水因人类活动受到严重污染，污染物中通常包含多种组分的化合物，在不同浓度条件下形成
常密度或变密度对流及溶质运移过程 ［１ － ３］ 。例如，农田中所使用的化肥与农药，通过降雨入渗进入含
水层，导致氮、磷等多种化合物在地下水中运移，形成多组分污染羽 ［４ － ５］ ；滨海含水层因海水入侵产
生流体密度差，海水中的盐分与地下水中的其它溶质在运移过程中相互影响 ［６ － ７］ 。因此，正确认识常
密度与变密度流体中的多组分溶质运移过程，是预测含水层中污染物运移及修复地下水的理论基础，
具有重要研究意义。
常密度流体中，不同组分化合物的运移依赖于其自身的横向弥散系数 ［８ － １０］ 。传统的横向弥散系数
－ １
２
２
［１１］
－ １
参数化方程为 Ｄ ＝ Ｄ ε ＋ α ｖ ，式中：Ｄ为横向弥散系数，ｍ·ｓ ；Ｄ 为水动力扩散系数，ｍ·ｓ ；ε
ａｑ
ｔ
ａｑ
ｔ
－ １
为有效孔隙度；α为弥散度，ｍ；ｖ为渗流速度，ｍ·ｓ 。近年来，通过实验研究提出的新型横向弥散
２
２
参数化方程为 Ｄ ＝ Ｄ ε ＋ Ｄ ［Ｐｅ?（Ｐｅ ＋ ２ ＋ ４ δ）］ β ［１２ － １３］ ，式中：Ｐｅ为 Ｐéｃｌｅｔ数；δ 为孔隙通道长度和水力
ｔ ａｑ ａｑ
半径的比值；β 为量化溶质不完全混合的经验参数。传统参数化方程表明，在地下水流速较小，弥散
主导溶质运移的情况下，横向弥散取决于化合物各自的水动力扩散系数；而新型参数化方程则进一步
证明了，在任何地下水流速条件下，横向弥散与化合物的水动力扩散系数息息相关。变密度流体中，
溶质因重力作用变得不稳定，在密度梯度的驱动下向下入渗 ［１４ － １６］ 。有关变密度对流与溶质运移的研
究，国内外学者通常聚焦于流体密度差、多孔介质非均质性、含水率、地下水流速、指流形成过程等
因子的影响 ［１７ － １９］ ，对于扩散与弥散因子的研究尚处于起步阶段 ［２０ － ２１］ 。
本文考虑化合物横向弥散效应，采用室内实验观测手段，研究变密度流体中不同化合物的运移过
收稿日期：２０２３ － ０３ － ３０；网络首发日期：２０２３ － ０９ － ２６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０９２５．１０１４．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０２１ＹＦＣ３２００５００）；中央高校基本科研业务费项目（Ｂ２２０２０２０６０）
作者简介：叶逾（ １９８７ － ），副教授，主要从事地下水溶质运移及地下水修复研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｅｙｕ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：鲁春辉（１９８１ － ），教授，主要从事地下水动力及溶质运移研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｌｕ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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