[科普中國(guó)]-隨流輸移

隨流輸移（advection），也稱隨流擴(kuò)散，是指流體中的含有的物質(zhì)也隨流體質(zhì)點(diǎn)的時(shí)均運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)移。水體處于靜止?fàn)顟B(tài)沒(méi)有隨流輸移。在剪切流動(dòng)中由于時(shí)均流速分布不均勻而致含有物質(zhì)散開(kāi)的現(xiàn)象稱為離散。在流體中輸移變化的而含有物質(zhì)也可稱為擴(kuò)散質(zhì)。

簡(jiǎn)介隨流輸移是一種溶質(zhì)遷移方式，是指由于時(shí)均流速的存在使污染物質(zhì)發(fā)生的輸移1。流體中含有物質(zhì)及流體本身流動(dòng)屬性的轉(zhuǎn)移和變化對(duì)工程實(shí)際具有重要意義，特別在環(huán)境工程和化學(xué)工程中。常常需要知道在一定邊界條件與初始條件下某種流場(chǎng)中含有物質(zhì)的數(shù)量隨時(shí)間和空間變化的規(guī)律和促進(jìn)或延緩減少這種變化的措施。

溶質(zhì)遷移溶質(zhì)遷移指的是溶解于土壤水中的物質(zhì)在土壤孔隙中運(yùn)移的過(guò)程。土壤中的溶質(zhì)遷移主要由三部分組成：對(duì)流、機(jī)械彌散、分子擴(kuò)散，除此之外還有溶質(zhì)遷移過(guò)程中的物理、化學(xué)反應(yīng)。機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散又稱水動(dòng)力彌散。溶質(zhì)遷移常常伴隨著土壤中水分運(yùn)動(dòng)而發(fā)生。因此研究溶質(zhì)遷移的同時(shí)有必要研究土壤中水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律。自20世紀(jì)50年代起，大量研究學(xué)者們就開(kāi)始進(jìn)行系列的一維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)來(lái)研究彌散系數(shù)與其它因素之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)水鹽機(jī)理的進(jìn)一步研究，通過(guò)使用數(shù)學(xué)模型對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移、轉(zhuǎn)化過(guò)程展開(kāi)研究逐步趨于可能，并在精度上有著明顯突破。水體中的溶質(zhì)主要通過(guò)以下幾種方式發(fā)生位置的遷移：

分子擴(kuò)散是指由于物質(zhì)分子的Brown運(yùn)動(dòng)而引發(fā)的物質(zhì)遷移，當(dāng)水體內(nèi)含有的物質(zhì)存在濃度梯度時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)從濃度高的地方向濃度低的地方遷移。分子擴(kuò)散是不可逆的，而且分子在擴(kuò)散過(guò)程中同時(shí)會(huì)受到阻力(來(lái)自分子之間、分子與固壁之間的碰撞)。除了分子擴(kuò)散之外，還有熱擴(kuò)散、壓力擴(kuò)散等，都具有相同或者相似的擴(kuò)散過(guò)程。對(duì)研究大水體的水環(huán)境問(wèn)題分子擴(kuò)散可以不考慮，因?yàn)槠淞考?jí)遠(yuǎn)小于其他因素引起的物質(zhì)遷移的量級(jí)。由紊流脈動(dòng)流速的作用使污染物質(zhì)發(fā)生輸移的現(xiàn)象稱為紊動(dòng)擴(kuò)散。紊動(dòng)擴(kuò)散作用的強(qiáng)弱與水流漩渦運(yùn)動(dòng)有關(guān)。時(shí)均流速在過(guò)水?dāng)嗝嫔戏植疾痪鶆?，從而存在流速梯度和剪切力的流?dòng)，稱為剪切流動(dòng)。由于剪切流動(dòng)時(shí)流速分布不均勻而引起的隨流擴(kuò)散稱為分散，也稱為離散或彌散。這里的離散是處理方法帶來(lái)的，即離散的產(chǎn)生是由于將流場(chǎng)作空間平面處理而引起的，若不采用空問(wèn)平均的簡(jiǎn)化過(guò)程，則就不需要計(jì)入離散作用。對(duì)流擴(kuò)散是指由于溫度差或密度分層不穩(wěn)定而引起的，鉛垂方向?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)伴隨著物質(zhì)的遷移。

影響因素地下水系統(tǒng)中，膠體的存在較為廣泛，可分為天然無(wú)機(jī)膠體和天然有機(jī)膠體兩大類型。針對(duì)膠體對(duì)地下水溶質(zhì)遷移的影響研究，有關(guān)研究學(xué)者修正了傳統(tǒng)的兩相系統(tǒng)模型，將膠體相這一新的相態(tài)引入到了系統(tǒng)中。使常規(guī)的固—液兩相的地下水系統(tǒng)變?yōu)榱艘环N包括液-固-膠體相的三相系統(tǒng)。膠體的形成，對(duì)地下水中的污染物、特別是低溶解度污染物遷移的促進(jìn)作用在很多研究方面得到了證實(shí)。周皓等 在研究膠體對(duì)放射性核素的遷移影響中指出：若地下水系統(tǒng)中存在有利于膠體形成的物理、化學(xué)條件，則形成的膠體會(huì)對(duì)污染物的遷移產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響，使地下水中污染物的遷移速度受到顯著影響。相反，若地下水系統(tǒng)中的物理、化學(xué)條件不允許，則地下水中將很難形成膠體，這時(shí)地下水中污染物的遷移與膠體無(wú)關(guān)。

吸附作用是地下水溶質(zhì)遷移過(guò)程中自然衰減的主要作用之一，吸附作用影響著污染物在地下水中的流動(dòng)性和滯留性。生物降解作用也是特征污染物在地下水遷移過(guò)程中主要的自然衰減作用之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)吸附和微生物降解作用的研究越來(lái)越多。

利用微生物從水溶劑中富集、分離特殊離子的方法稱為生物吸附法，最早是由Ruchhoft提出，Ruchhoft利用活性污泥為吸附劑成功去除了239廢水中的Pu。在此之后，國(guó)內(nèi)外諸多研究學(xué)者圍繞生物吸附劑進(jìn)行了廣泛而深入的研究。最初的吸附劑以微生物為主，主要是原核微生物中的細(xì)菌、放線菌，真核微生物中的酵母菌、霉菌等。生物吸附劑已不僅限于微生物的范圍，吸附劑可以是無(wú)生命特性的動(dòng)植物碎片，也可以是有生命特性植物系統(tǒng)。例如有機(jī)物類吸附劑有纖維素、淀粉、殼聚糖等；細(xì)菌類吸附劑有枯草桿菌、地衣型芽孢桿菌、氰基菌等；動(dòng)植物碎片類吸附劑有螃蟹殼、金鐘柏、稻殼、花生殼粉、紅樹(shù)葉碎屑等；植物系統(tǒng)類吸附劑有大麥、香蒲、鳳眼蓮、紅樹(shù)、加拿大楊等?？傊絼┑姆N類繁多，吸附功能和效果也各有不同，在進(jìn)行吸附劑的選用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)吸附目的的不同按照相應(yīng)要求適當(dāng)選取。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)