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地球科學 · 海洋 · 氣候 · 水循環

地下水流動與汙染物遷移

地下水由水頭高處流向低處。通過地層整個截面的流量,與水在孔隙中的移動速率是不同的量。

相關實驗:地下水與汙染物遷移 →
地下水與汙染物遷移
地下水與汙染物遷移實驗場景 →

意義與機制

水頭是以長度表示位置與壓力綜合效應的量。決定地下水流動的是空間中的水頭差,不能只看地表坡度。

更大的滲透電導率,使得在相同的壓力頭梯度下,更多的水可以流動。 抽水井改變了周圍的壓力頭和流線,從而影響汙染物傳輸路徑。

關係與條件

達爾西流速為 q = -K∇h,而在一個簡單的模型中,平均孔水速度為 v = q/n。由於後一項除以孔隙率 n,這兩個速度通常不同。

真實汙染物遷移也依賴於吸附、反應、異質層以及擴散。該模擬的到達時間,適用於其指定的濃度臨界和假設的地下水條件。

觀察實驗中需要注意的事物

地下水向水頭較低的一側流動,並在井附近匯聚。汙染物到達時間隨流速、位置、擴散及抽水條件而變化。

該模型使用一個 40×20 柵格,間隔為 5 米,厚度為 1 米,採用均勻的 K 值,滲透率 n=0.25,以及擴散係數 0.2 m²/天。水頭保持在左/右側 11.95/10 米;頂部和底部邊界是不可滲透的。採用最多 12 次迭代/更新,總迭代次數達到 1800 次,或變化小於 1e-8 米時停止。採用穩定時間步長,使用迎風擴散和保守擴散。 0.01 kg 臨界在井的單元中,計算出到達時間,這並非觀測預測。 反應、吸附和異質層已被忽略。

關鍵關係與符號

q=−K∇h · v=q/n · n=0.25

符號及公式中使用的單位
符號含義單位
K水力傳導係數m/day
h水頭m
n孔隙率0~1

透過範例確認

當 K=10 m/day、水力梯度大小為 0.01、n=0.25 時,結果是多少?

達西流速的大小為 K×水力梯度=0.1 m/day,孔隙實際流速為 q/n=0.4 m/day。均勻直線流動的時間等於距離除以速率。

常見誤解

  • 地下水並非總是像河流一樣,沿地下的大型空洞通道流動。

透過實驗探索這個概念

參考文獻

BCcampus · 物理地質 (英文)