污染物进入包气带和含水层中将发生机械过滤、溶解和沉淀、氧化和还原、吸附和解吸、生物降解、对流和弥散等一系列物理、化学和生物过程，这些作用既可以单独存在，也可以多种作用同时发生。正是这些复杂的作用，使得污染物在包气带和地下水系统中进行迁移转化。因此，研究污染物在包气带和地下水系统中的物理和化学作用，对确定地下水污染程度、预测污染物的影响、制订相应的污染防治措施具有重要意义。
1.机械过滤
机械过滤是指污染物经过包气带和含水层介质过程中，一些颗粒较大的物质因不能通过介质孔隙，而被阻挡在介质中的现象。如一些悬浮的污染物经过砂层时，会被砂层过滤。机械过滤作用只能使污染物部分停留在介质中，而不能从根本上消除污染物。
2.对流和弥散
污染物随地下水的运动称为对流运动。
水动力弥散则使污染物在介质中扩散，不断占据着越来越多的空间。产生水动力弥散的原因主要有：首先，浓度场的作用存在着质点的分子扩散；其次，在微观上，孔隙结构的非均质性和孔隙通道的弯曲性导致了污染物的弥散现象；最后，宏观上所有孔隙介质都存在着非均质性。
3.吸附和解吸
吸附和解吸是污染物在地下水中与水相、气相、固相介质之间发生的物理化学过程，吸附为污染物由液相或气相进入固相的过程，解吸则相反。吸附和解吸影响着污染物在地下水、空气之间的迁移或富集，也影响着污染物的化学反应和有机物的微生物降解过程。(www.xing528.com)
物质的吸附有两种机理：分配作用和表面吸附作用。介质对污染物的吸附实际上是其中的矿物组分与土壤中有机质共同作用的结果，且土壤有机质起着重要作用。
在给定的污染物质与固相介质情况下，污染物的吸附和解吸主要与污染物在水中的浓度和污染物被吸附在固体介质上的浓度有关。
4.溶解与沉淀
溶解和沉淀是水—岩相互作用的一种，地下水在渗流过程中会将污染物或由其转化产生的可溶性物质溶解出来，当温度、pH 值、氧化还原电位等发生变化，水中的污染物浓度大于饱和度，一些已经溶解的污染物会沉淀析出。
溶解与沉淀实质上是强极性水分子和固体盐类表面离子产生的较强的相互作用。如果这种作用的强度超过了盐类离子间的内聚力，就会生成水合离子。这种水合离子逐层从盐类表面进入水溶液，扩散到整个溶液中去，并随着水分向下或向上运动而迁移。化合物的溶解和沉淀主要取决于其组成的离子半径、电价、极化性能、化学键的类型及其他物理化学性质；另一方面，它与环境条件，如温度、压力、水中其他离子浓度、水的pH 值和Eh 条件密切相关。例如Cd2+，在碱性条件下容易形成Cd（OH）2沉淀，在CO2参与的开放体系中，容易形成CdCO3。
5.氧化和还原
氧化与还原反应是指地下水中的元素或化合物电子发生转移，导致化合价态改变的过程。氧化与还原作用受pH 值影响，并与地下水所处的氧化还原环境有关。例如，元素Cr 在还原条件下，以Cr6+的化合物形式存在，不易迁移；而在氧化环境下，以Cr6+的化合物形式存在，则很容易迁移。在碱性条件下，Fe2+更容易转化为Fe3+，生成Fe（OH）3沉淀，其半反应式为：
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