Page 72 - 2023年第54卷第9期

１∶４和 ０∶１进行混合，配置成 ５种混合溶液。５种混合溶液的密度保持一致。在常密度条件下，５种混
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合溶液密度均设定为 ９９７．７ｇ·Ｌ ，与室温下纯水的密度（９９７．２ｇ·Ｌ ）相似，其具体配置步骤为：①分
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别配置浓度为 １ｇ·Ｌ 的荧光素钠溶液和氯化钠溶液，并根据浓度 － 密度线性关系计算两种溶液的密
＋ Ｖ
Ｓ
Ｆ
度；②利用移液器，按照上述体积比将两种溶液进行混合；③根据密度计算公式 ρ ｍｉｘ ＝ （Ｖρ Ｆ ＋ Ｖρ Ｓ ｗ
－ １ － １
ｗ
Ｆ
ρ ｗ ）?（Ｖ＋ Ｖ＋ Ｖ）（式中：ρ ｍｉｘ 为混合液密度，ｇ·Ｌ ；Ｖ为水的体积，Ｌ；ρ ｗ 为水的密度，ｇ·Ｌ ），计
Ｓ
ｗ
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算混合液中需要加入的水量。在变密度条件下，将混合溶液的密度设置为 １００４．０２ｇ·Ｌ ，高于室温下
纯水的密度，由此引发变密度流，实现与常密度实验的差异。同时，该密度条件避免了溶质羽的过快
下沉，有利于变密度实验现象的观测。变密度混合溶液的配置步骤不变，仅改变步骤①中原始荧光素
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钠溶液和氯化钠溶液的浓度，由 １ｇ·Ｌ 变为 １０ｇ·Ｌ 。
２．２．２ 运移实验 准二维砂槽内部均匀填充粒径为 ０．４～０．６ｍｍ的玻璃珠，填充高度为 ８ｃｍ，其中，
饱和区域高度为 ７ｃｍ，非饱和区域高度为 １ｃｍ。表层非饱和区的作用为，防止溶液在表层自由界面形
成优先通道，影响实验结果。实验采用湿填法，即在 ７ｃｍ饱和区的填充过程中，保持水位自由面在
玻璃珠填充面以上，由此防止饱和区中气泡的产生。

图 ３ 荧光素钠的浓度－ 荧光强度关系

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通过高精度蠕动泵控制实验渗流速度为 ３ｍ·ｄ 。当流动达到稳态后，将配制好的混合溶液从装置左
侧的中心孔中注入，并持续观测 ７．２ｈ，间隔 ２４ｍｉｎ测量出口处抽取液体的浓度。抽取样品中，氯化钠
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浓度的测量采用盐度计（ＡｔａｇｏＰＡＬ － ＳＡＬＴ），其精度为０．１ｇ·Ｌ ；荧光素钠浓度的测定采用荧光分光
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光度计（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒＦＬ － ６５００），其荧光强度的精度为０．０１ｍｇ·Ｌ 。每个样品浓度取三次测量值的平
均值。荧光素钠浓度可通过浓度－ 荧光强度标准曲线计算得到。标准曲线与测量值之间的拟合见图 ３。
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图中，不同浓度的荧光素钠溶液由 １５ｍｇ·Ｌ 的原始溶液稀释得到，其与荧光强度的线性关系为 Ｉ ＝
３８９４４７．９１ Ｃ － ６８９．８２，相关系数为 ０．９９９４。
Ｆ

３ 实验结果与讨论

３．１ 溶质羽运移 图 ４所示为稳态荧光素钠分布情况。在常密度流体中，不同体积比混合溶液的荧光
素钠分布相同，均为水平对流与横向弥散的结合，两种溶质互不影响，横向弥散程度取决于各溶质的
水动力扩散系数。因此，图中仅展示了体积比为 １∶１混合溶液的运移情况，如图 ４（ａ）所示。
相反，叠加密度效应后，不同体积比的混合液运移情况不尽相同。图 ４（ｂ）—（ｆ）展示了荧光素钠
与氯化钠溶液在体积比分别为 ０∶１、１∶４、１∶１、４∶１和 １∶０时荧光素钠的分布情况。当 Ｒ为 ０∶１时，
ｖ
混合溶液为纯氯化钠溶液，因此通过肉眼无法观察运移现象。其余混合溶液的密度效应使得荧光素钠
向下对流，形成不同形态的指流。尽管 ５种混合溶液的密度相同，然而混合溶液中荧光素钠的占比影
响变密度溶质运移情况。随着 Ｒ值的增加，荧光素钠下渗现象发生得越早，即下渗位置越靠近入口，
ｖ
由此可以确定，混合溶液在变密度效应下的运移受溶质间相互作用的影响。对比图 ４（ｅ）和图 ４（ｆ）可

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