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水文混和

各不相干的交错运动状态;这种混和现象叫紊动混和。紊动混和理论,可以解释众多的水文要素的成因,如湖泊和海洋中漂流流速在垂线上的分布规律取决于水体的动量交换作用;在有风的情况下,水面蒸发、水体内部的热量交换,与紊动热量作用有关;河流中泥沙的悬移,湖海中盐分的稳定垂直混和,沿水流方向的稳定混和等,也都是紊动质量交换的结果。

水体的分子混和、紊动混和和对流混和的总称。在混和过程中,大小不等的水团,将其性能如动量、热量或所携带的溶质、胶质、有机质和无机质等进行混和,形成动量转移、热量转移和质量转移等现象。

分子混和 亦称分子扩散,由物质运动的本性所引起。组成物质的分子不论是气体、液体甚至固体中的分子是不断运动的,从而引起动量、热量和质量的转移。在层流状态下,表面流速向下传递,水内温度、冰雪内温度和土壤中温度的上下传导,水体的水底与土壤间热量交换属于动量和热量转移的范畴。无风情况下,在水面与地面蒸发过程中水汽向空气中扩散,土壤孔隙中水汽从浓度大处向浓度小处移动,海水中盐分从盐度大处向小处移动,都属于质量扩散的性质。分子混和通量定义为每秒通过每平方厘米的动量(热量、质量),与其梯度成正比。就动量转移而言,比例系数为绝对粘滞系数,亦称内摩擦系数,单位为克·厘米-1·秒-1。当流体表面发生运动时,由于粘滞性的作用,流速向下传递;同时因粘滞性的作用而产生摩擦,使速度自表面逐渐减少,以至于零。气体的粘滞系数随温度的升高而加大,而液体的粘滞系数,则随温度的升高而减小。就热量转移而言,比例系数为导热系数。由于热量的传导与物质的比热有关,导热系数含有比热的因素,因此与绝对粘滞系数不同,单位为卡·厘米-1·度-1·秒-1。就质量转移而言,比例系数为分子交换系数,因此为克·厘米-1·秒-1。由于动量转移,速度随时间的变化是速度梯度的二阶导数与运动粘滞系数的乘积;运动粘滞系数是绝对粘滞系数除以物体的密度,即按物体的体积计。由于热量转移,温度随时间的变化为温度梯度的二阶导温系数的乘积,导温系数是导热系数除以密度和比热。由于质量转移,相对浓度随时间的变化等于相对浓度梯度的二阶导数与分子扩散系数的乘积,分子扩散系数为分子交换系数除以密度。

紊动混和 亦称紊动扩散。由于外力作用,在流体运动的过程中,质点原有运动规律遭到破坏而呈现各不相干的交错运动状态;这种混和现象叫紊动混和。紊动混和理论,可以解释众多的水文要素的成因,如湖泊和海洋中漂流流速在垂线上的分布规律取决于水体的动量交换作用;在有风的情况下,水面蒸发、水体内部的热量交换,与紊动热量作用有关;河流中泥沙的悬移,湖海中盐分的稳定垂直混和,沿水流方向的稳定混和等,也都是紊动质量交换的结果。如同分子混和一样,紊动混和也具有动量转移、热量转移和质量转移的现象,但是紊动混和系数大于分子混和系数几千万倍,因此紊动混和作用远较分子混和作用为强。

对流混和 亦称对流扩散,是由静力或动力等原因引起的流体中的对流运动,使动量、热量和质量也随之混和。对流混和分垂直对流混和与水平对流混和两种方式,前者主要是由于温度变化而引起密度变化,当流体上层密度大于下层时,即发生垂直对流混和;后者则为由于风力、梯度力等引起的对流混和。在水文学中对流混和的现象有大气的对流引起热量和水汽的扩散,海水、湖水的对流引起的水体内部热量的交换等。此外,泥沙运动、盐分扩散、河中环流引起的混和,也可归属于对流混和的范畴。