溶質運移

地下水和土壤水中的溶質運移現象與孔隙介質的特性和發生在孔隙介質中的一系列複雜過程有關。如水在孔隙中的流動狀況(層流或紊流、飽和或非飽和、穩定或非穩定等)；濃度差異引起的分子擴散現象；液相與固相間的相互作用(吸附、沉澱、溶解、離子交換等)；液體中各種複雜的化學和物理過程引起的流體物質(如密度、黏滯性等)和濃度的變化等。其中對流和分子擴散是促使溶質運移的2種最主要的機制。造成溶質對流的2個基本要素，是水體的運動和孔隙系統的性質。分子擴散是溶質的濃度差引起的。由於溶質濃度空間分佈的差異是溶質在複雜的孔隙系統中流動時形成的，因而分子的擴散過程又受到孔隙系統結構和對流過程的制約。實際上，對流和分子擴散這2種溶質運移過程是不可分開的和同時存在的。在溶質運移理論中，常將水體在土壤孔隙中流動時形成和產生的對流擴散和分子擴散合起來統稱為水動力彌散。因分子擴散在靜止水體情況下也會發生，所以在地下水流動緩慢時，分子擴散過程在水動力彌散中顯得比較重要。

影響多孔介質中污染物運移的機理是：對流、彌散和擴散，固體—溶質相互作用以及作為源—匯項處理的各種化學反應及衰變現象。 ^[2] 

這是一種溶質隨水流—起運移的運動。需要注意的是，一部分被分子引力束縛在固體上的結合水以及死端孔隙中的水是不參與這種流動的，只有在水力坡度作用下參與循環的水才參與這種流動。因此，多孔介質中只有相當於有效孔隙度的這部分孔隙是有效的。

水動力彌散就是多孔介質中所觀察到的兩種成分不同的可混溶液體之間過渡帶的形成和演化過程。這是一個不穩定的不可逆轉的過程。

水動力彌散是由溶質在多孔介質中的機械彌散和分子擴散所引起的，現分述如下：

機械彌散。在多孔介質中，無論液體運動速度的大小還是方向，都是很不均一的。這主要和下列情況有關：由於液體有黏滯性以及結合水對重力水的摩擦阻力，使得最靠近隙壁部分的(重力)水流速度趨近於零，向軸部流速逐漸增大，至軸部最大；孔隙的大小不一，造成不同孔隙間軸部最大流速有差異；孔隙本身彎彎曲曲，水流方向也隨之不斷改變，因此對水流平均方向而言，具體流線的位置在空間是擺動的。這幾種現象是同時發生的，由此造成開始時彼此靠近的示蹤劑質點羣在流動過程中不是一律按平均流速運動，而是不斷向周圍擴散，超出按平均流速所預期的擴散範圍。沿平均速度方向和垂直它的方向上，都可以看到這種擴散現象。液體通過多孔介質流動時，由於速度不均一所造成的這種物質運移現象稱為機械彌散。

雖然上面提到的擴散在縱向，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)。但僅靠這種速度變化只能導致垂直平均水流方向上很少量的擴散，無法解釋垂直水流方向上示蹤劑質點佔據寬度的不斷擴大。為了解釋這種現象，必須歸因於分子擴散。

分子擴散是由於液體中所含溶質的濃度不均一而引起的一種物質運移現象。濃度梯度使得物質從濃度高的地方向濃度低的地方運移，以求濃度趨向均一。因此，即使在靜止液體中也會發生分子擴散，使示蹤劑擴散到越來越大的範圍。分子擴散使同一流束內物質的濃度趨於均一，而且相鄰流束間在濃度梯度作用下也有物質交換，導致橫向濃度差減小。

土壤中的溶質運動是非常複雜的，溶質隨着土壤水分的運動而遷移，在運移過程中，溶質在土壤中還會發生化合分解、離子交換等化學反應。所以，土壤中的溶質處於一個物理、化學與生物相互聯繫和連續變化的系統中，水體中的溶質主要通過以下5種方式發生位置的遷移： ^[3] 

分子擴散是指由於物質分子的Brown運動而引發的物質遷移，當水體內含有的物質存在濃度梯度時，這些物質會從濃度高的地方向濃度低的地方遷移。分子擴散是不可逆的，而且分子在擴散過程中同時會受到阻力(來自分子之間、分子與固壁之間的碰撞)。除了分子擴散之外，還有熱擴散、壓力擴散等，都具有相同或者相似的擴散過程。對研究大水體的水環境問題分子擴散可以不考慮，因為其量級遠小於其他因素引起的物質遷移的量級。

由於時均流速的存在使污染物質發生的輸移，稱為隨流輸移。水體處於靜止狀態沒有隨流輸移。

由紊流脈動流速的作用使污染物質發生輸移的現象稱為紊動擴散。紊動擴散作用的強弱與水流漩渦運動有關。

時均流速在過水斷面上分佈不均勻，從而存在流速梯度和剪切力的流動，稱為剪切流動。由於剪切流動時流速分佈不均勻而引起的隨流擴散稱為分散，也稱為離散或彌散。這裏的離散是處理方法帶來的，即離散的產生是由於將流場作空間平面處理而引起的，若不採用空問平均的簡化過程，則就不需要計人離散作用。

對流擴散是指由於温度差或密度分層不穩定而引起的，鉛垂方向對流運動伴隨着物質的遷移。

土壤溶質運移模型是隨着土壤溶質運移理論的研究而發展起來的。 ^[4]  對土壤溶質運移的研究始於20世紀初，但在20世紀中葉才出現較大的研究進展。1952年Lapidus和Amudson首次將一個類似於對流—擴散方程的模擬模型應用於溶質運移問題的研究。隨後，Tayor，Bear，Bigga和Bresler等人從試驗和理論上説明了土壤溶質運移過程中對流、擴散和化學反應的耦合關係，並形成了應用數學模型説明與解釋溶質運移的研究。

近年來，根據不同環境條件和研究目的的需要，建立了許多描述土壤溶質運移的模擬模型。所建立的模型可分為兩大類：一是確定性模型，它假設一個系統或過程的運行中．存在着明顯的因果關係，一系列事件的發生將導致唯一的輸出。二是隨機性模型，假設真實系統受到某種不確定因素的影響時，系統輸出是不確定的，研究系統輸出概率。此外，在研究中還常用到簡化模型。