機械彌散（mechanical dispersion）又稱水力彌散。恆溫條件下多孔介質中流體所產生的溶質擴散效應。在總體上，水流應按某一平均流速運動。但由於孔隙、裂隙分布的不均勻，幾何形狀和大小的不同，實際上溶質示蹤物是沿著曲折的滲透途徑運動的，水流的局部速度在大小和方向上發生著變化，引起溶質在介質中擴散的範圍愈來愈大。
基本介紹
- 中文名：機械彌散
- 外文名：Mechanical dispersion
- 別稱：水力彌散
- 套用學科：環境工程
- 適用領域範圍：環境生態
- 表達：機械彌散係數
水力彌散介紹,發展歷程,產生原因,分類,機械彌散係數,聯繫,
水力彌散介紹
含有某種溶質的地下水以相同的速度運動，會取代那些不含有這種溶質的水，並在兩種水體之間產生一個突變界面，由於侵入的含有溶質的水不是以同樣的速度運動的，所以這兩種水體會沿著流動路徑發生混合，這種混合就成為機械彌散。
恆溫條件下多孔介質中流體所產生的溶質擴散效應。在總體上，水流應按某一平均流速運動。但由於孔隙、裂隙分布的不均勻，幾何形狀和大小的不同，實際上溶質示蹤物是沿著曲折的滲透途徑運動的，水流的局部速度在大小和方向上發生著變化，引起溶質在介質中擴散的範圍愈來愈大。機械彌散係數可以表征多孔介質中溶質示蹤物隨滲透水流運移的特性。機械彌散係數（Dh）與水流滲透速度（V）成正比，且與多孔介質顆粒的大小和分布有關，即Dh=λ^2V，式中λ^2為表征多孔介質平均粒徑及其不均勻特徵的參數。Dh的量綱為[L2/T]。機械彌散係數有兩個分量：縱向彌散和橫向彌散，前者是水流方向上的彌散作用；後者是垂直於水流方向上的彌散作用。在多孔介質中進行的實驗表明，縱向彌散比橫向彌散大5至20倍。
發展歷程
土壤中存在著大小不一、形狀各異而又互相連通的孔隙通道系統，若將土壤孔隙假想為均勻的圓形毛管，可推導出毛管中任一點的實際流速和毛管平均流速的Poiseuille方程，方程表明管內流速分布也是不均勻的，管中心處的流速最大，管壁處流速為零。毛管平均流速和毛管半徑的平方成正比，若孔隙半徑相差10倍，其平均流速則相差100倍。另外，由於土壤顆粒和孔隙在微觀尺度上的不均勻性，溶液在流動過程中，溶質不斷被分細後進入更為纖細的通道，每個細孔中流速的方向大小都不一樣，正是這種原因使溶質在隨水流動過程中逐漸分散並占有越來越大的滲流區域範圍。溶質的這種運移現象稱為機械彌散。巨觀上土壤水分流動區域的導水性不均一，也可促成或加劇機械彌散的作用。
由於機械彌散的複雜性，用具有明確物理意義的數字表達式較困難。Taylor首先定量地研究了毛管中沿水流方向的縱向彌散作用。Aris將Taylor的方法套用於不規則形狀的毛管，認為局部的速度分布不是拋物線的，他們兩人的工作著重於彌散作用的機制，但模型不能套用於多孔體，因其幾何形狀極其複雜。另一些學者如de Josselin和de Jong，將多孔體視為毛管的隨機網路，但套用這種幾何模型來描述彌散時仍有其局限性。隨後，Scheidegger套用統計方法，將多孔體作為一個黑箱，溶質運移的途徑是未知的、現象是隨機的，發現溶質的機率函式成Gaussian常態分配。
產生原因
地下水以大於和小於平均線速度的速率運動著。巨觀上——單個孔隙的效應被平均化到有足夠空間的區域上——產生這種現象的三個基本原因是：
①當流體流過孔隙時，孔隙中心處的流速比孔壁處的大。
②在直線距離相同時，多孔介質中有的流體質點會比其他質點沿著更長的路徑運動。
③孔隙的大小不一，大孔隙中的流速更快。
分類
如果所有含有某種溶質的地下水一律以相同的速度運動，那么它們就會取代那些不含這種溶質的水，並在兩種水體間產生一個突變界面。然而，由於侵入的含有溶質的水不是以同樣的速度運動的，所以這兩種水體會沿著流動路徑發生混合，這種混合就稱為機械彌散，它導致溶質在水流的推進邊緣被稀釋。沿著流動路徑方向發畢的混合稱為縱向彌散。
由於在孔隙尺度上，流動路徑會發散，推進溶質鋒面也趨於沿著垂直於流動方向的方向擴展，發生垂直於流動路徑方向的混合，稱為橫向彌散。
機械彌散係數
機械彌散係數可以表征多孔介質中溶質示蹤物隨滲透水流運移的特性。機械彌散係數(Dh)與水流滲透速度(V)成正比，且與多孔介質顆粒的大小和分布有關，即Dh=
2V，式中
2為表征多孔介質平均粒徑及其不均勻特徵的參數。機械彌散係數有兩個分量：縱向彌散和橫向彌散，前者是水流方向上的彌散作用；後者是垂直於水流方向上的彌散作用。在多孔介質中進行的實驗表明，縱向彌散比橫向彌散大5至20倍。
聯繫
彌散又稱水力彌散或水動力彌散，為溶質示蹤物稀釋時的擴散現象。當一定數量溶質示蹤物在地下水流中運移而逐漸傳播時，可以占據超出地下水平均流速所影響的範圍，愈擴愈大。彌散是由質點的熱動能和流體的對流而引起的，是分子擴散和機械混合兩種作用的結果。所以彌散具有分子擴散和機械彌散兩種作用。
在滲透性能較好的含水層中，地下水流速較大時，機械彌散作用比分子擴散作用大，有時可忽略後者；而在較細顆粒的多孔介質中，地下水流速通常很慢，分子擴散作用比較明顯。
