Энергетический баланс подземных вод

Энергетический баланс подземных вод – это энергетический баланс подземного водного объекта с точки зрения поступающей гидравлической энергии, связанной с притоком подземных вод в тело, энергии, связанной с оттоком, преобразования энергии в тепло за счет трения потока и результирующего изменения энергетического состояния и уровень грунтовых вод.

Теория

При умножении горизонтальной скорости грунтовых вод (размерность, например, $m^{3}/{\text{day}}$ за $m^{2}$ площадь поперечного сечения) с потенциалом подземных вод (размерная энергия на объем воды, или $E/m^{3}$) получается поток энергии (поток) в $E/{\text{day}}$ для данного расхода и площади поперечного сечения.

Суммирование или интегрирование потока энергии в вертикальном сечении единичной ширины (скажем, 1 м) от нижней границы потока (непроницаемого слоя или основания) до уровня грунтовых вод в неограниченном водоносном горизонте дает поток энергии. $f_{E}$ через поперечное сечение в $E/{\text{day}}$ на метр ширины водоносного горизонта.

При движении грунтовые воды теряют энергию из-за трения потока, т.е. гидравлическая энергия преобразуется в тепло. В то же время, энергия может быть добавлена ​​за счет пополнения воды, поступающей в водоносный горизонт через уровень грунтовых вод. Таким образом можно составить гидравлический энергетический баланс глыбы грунта между двумя соседними сечениями. В установившемся состоянии, т. е. без изменения энергетического статуса и без накопления или истощения запасов воды в почвенном теле, поток энергии в первом участке плюс энергия, добавляемая за счет пополнения подземных вод между секциями, минус поток энергии во втором участке должен быть равен потери энергии из-за трения потока.

Математически этот баланс можно получить, дифференцируя поперечный интеграл Fe в направлении потока с помощью правила Лейбница, принимая во внимание, что уровень грунтовых вод может меняться в направлении потока.Математика упрощается с использованием предположения Дюпюи-Форххаймера .

Гидравлические потери на трение можно описать по аналогии с законом Джоуля в электричестве (см. закон Джоуля#Гидравлический эквивалент ), где потери на трение пропорциональны квадрату величины тока (расхода) и электрическому сопротивлению материала, через который проходит ток. происходит. В гидравлике подземных вод ( гидродинамике , гидродинамике ) часто работают с гидравлической проводимостью (т.е. проницаемостью грунта для воды), которая обратно пропорциональна гидравлическому сопротивлению.

Полученное уравнение энергетического баланса потока подземных вод можно использовать, например, для расчета формы зеркала грунтовых вод между дренами при конкретных водоносного горизонта условиях . Для этого можно использовать численное решение , делая небольшие шаги вдоль непроницаемого основания. Уравнение дренажа должно решаться методом проб и ошибок ( итераций ), поскольку гидравлический потенциал принимается относительно контрольного уровня, принимаемого как уровень грунтовых вод на водоразделе посередине между дренами. При расчете формы зеркала грунтовых вод изначально не известен его уровень на водоразделе. Следовательно, этот уровень следует принять до того, как можно будет приступить к расчетам формы зеркала грунтовых вод. По результатам процедуры расчета первоначальное предположение подлежит корректировке и возобновлению расчетов до тех пор, пока уровень грунтовых вод на водоразделе не будет существенно отличаться от предполагаемого уровня.

Форма уровня грунтовых вод между водостоками

Процедура проб и ошибок сложна, поэтому компьютерные программы для облегчения расчетов можно разработать .

Приложение

Энергетический баланс потока подземных вод можно применить к поступлению подземных вод в подземные дрены. Компьютерная программа EnDrain сравнивает результат традиционного уравнения расстояния между стоками , основанного на законе Дарси вместе с уравнением непрерывности (т.е. сохранения массы ), с решением, полученным с помощью энергетического баланса, и можно видеть, что в последнем случае расстояния между стоками шире. Это происходит за счет введения энергии, поставляемой приходящей подзарядкой.

См. также

• ДПХМ-РС
• Уравнение дренажа
• Сброс подземных вод
• Уравнение потока подземных вод
• Гидрогеология

Внешние ссылки

• Статьи по энергетическому балансу потока подземных вод можно скачать по адресу: [5] под номером. 3 и 4.