Grundvatten energibalans
Grundvattenenergibalansen är energibalansen för en grundvattenförekomst i termer av inkommande hydraulisk energi associerad med grundvatteninflöde till kroppen, energi associerad med utflödet, energiomvandling till värme på grund av friktion av flöde, och den resulterande förändringen av energistatus och grundvattennivån.
Teori
När man multiplicerar grundvattnets horisontella hastighet (dimension, till exempel, per tvärsnittsarea ) med grundvattenpotentialen (dimension energi per volym vatten, eller ) får man ett energiflöde (flöde) i för det givna flödet och tvärsnittsarean.
Summering eller integration av energiflödet i ett vertikalt tvärsnitt av enhetsbredden (säg 1m) från den nedre flödesgränsen (det ogenomträngliga skiktet eller basen) upp till grundvattenytan i en oavgränsad akvifer ger energiflödet f E genom tvärsnittet i per m bredd av akvifären.
Under flödet förlorar grundvattnet energi på grund av friktion i flödet, dvs hydraulisk energi omvandlas till värme. Samtidigt kan energi tillföras med påfyllning av vatten som kommer in i akvifären genom grundvattenytan. Således kan man göra en hydraulisk energibalans av ett jordblock mellan två närliggande tvärsnitt. I stationärt tillstånd, dvs utan förändring av energistatus och utan ackumulering eller utarmning av vatten som lagras i markkroppen, måste energiflödet i den första sektionen plus den energi som tillförs av grundvattenuppladdningen mellan sektionerna minus energiflödet i den andra sektionen vara lika med energiförlusten på grund av friktion av flöde.
I matematiska termer kan denna balans erhållas genom att differentiera tvärsnittsintegralen av Fe i flödesriktningen med hjälp av Leibniz-regeln, med hänsyn till att nivån på grundvattenytan kan ändras i flödesriktningen. Matematiken förenklas med Dupuit-Forchheimer-antagandet .
De hydrauliska friktionsförlusterna kan beskrivas i analogi med Joules lag i elektricitet (se Joules lag#Hydraulisk ekvivalent ), där friktionsförlusterna är proportionella mot kvadratvärdet av strömmen (flödet) och det elektriska motståndet hos materialet genom vilket strömmen inträffar. Inom grundvattenhydraulik ( fluid dynamics , hydrodynamics ) arbetar man ofta med hydraulisk konduktivitet (dvs. markens permeabilitet för vatten), som är omvänt proportionell mot det hydrauliska motståndet.
Den resulterande ekvationen för energibalansen för grundvattenflödet kan till exempel användas för att beräkna formen på grundvattenytan mellan avloppen under specifika akviferförhållanden . För detta kan en numerisk lösning användas, med små steg längs den ogenomträngliga basen. Dräneringsekvationen ska lösas genom försök och misstag ( iterationer ), eftersom den hydrauliska potentialen tas med avseende på en referensnivå som tas som nivån på grundvattenytan vid vattendelningen mitt emellan avloppen . Vid beräkning av formen på grundvattenytan är dess nivå vid vattenklyftan initialt inte känd. Därför ska denna nivå antas innan beräkningarna av grundvattenytans form kan påbörjas. Enligt resultaten av beräkningsförfarandet ska det initiala antagandet justeras och beräkningarna återupptas tills nivån på grundvattenytan vid klyftan inte avviker väsentligt från den antagna nivån.
Förfarandet med försök och fel är besvärligt och därför kan datorprogram utvecklas för att underlätta beräkningarna.
Ansökan
Energibalansen för grundvattenflöde kan tillämpas på flöde av grundvatten till underjordiska avlopp. Datorprogrammet EnDrain jämför utfallet av den traditionella dräneringsavståndsekvationen , baserad på Darcys lag tillsammans med kontinuitetsekvationen (dvs. bevarande av massa ) , med lösningen som erhålls av energibalansen och det kan ses att dräneringsavstånden är bredare i senare fallet. Detta beror på införandet av energin som tillförs av den inkommande laddningen.
Se även
- ^ RJOosterbaan, J. Boonstra och KVGKRao, 1996, Grundvattenflödets energibalans . I: VPSingh och B.Kumar (red.), 1996, Subsurface-Water Hydrology, sid. 153-160, Vol.2 av Proceedings of the International Conference on Hydrology and Water Resources, New Delhi, Indien, 1993. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Nederländerna. ISBN 978-0-7923-3651-8 . På nätet: [1]
- ^ Energibalansen för grundvattenflödet tillämpas på underjordisk dränering i anisotropa jordar genom rör eller diken med ingångsmotstånd . På nätet: [2] Arkiverad 2009-02-19 på Wayback Machine
- ^ EnDrain, datorprogram för dräneringsdesign med hjälp av energibalansen för grundvattenflöde, gratis nedladdning från: [ 3] eller från: [4]
externa länkar
- Artiklar om energibalansen för grundvattenflödet kan laddas ner från: [5] under nr. 3 och 4.