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多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探

张人权 梁杏 靳孟贵 罗明明

张人权, 梁杏, 靳孟贵, 罗明明. 多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探[J]. 地质科技通报, 2022, 41(1): 11-18. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0002
引用本文: 张人权, 梁杏, 靳孟贵, 罗明明. 多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探[J]. 地质科技通报, 2022, 41(1): 11-18. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0002
Zhang Renquan, Liang Xing, Jin Menggui, Luo Mingming. Preliminary discussion on the principle of minimum energy consumption rate controlling hierarchical groundwater flow systems[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(1): 11-18. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0002
Citation: Zhang Renquan, Liang Xing, Jin Menggui, Luo Mingming. Preliminary discussion on the principle of minimum energy consumption rate controlling hierarchical groundwater flow systems[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2022, 41(1): 11-18. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0002

多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2022.0002
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41772268

国家自然科学基金项目 41807199

国家自然科学基金项目 42172276

详细信息
    作者简介:

    张人权(1932-), 男, 教授, 主要从事水文地质方面的教学与研究工作。E-mail: rqzhang1932@163.com

  • 中图分类号: P641

Preliminary discussion on the principle of minimum energy consumption rate controlling hierarchical groundwater flow systems

  • 摘要: 20世纪60年代初期,Tóth基于定水头上边界条件推导出解析解,得出多级次地下水流系统,是水文地质学里程碑式的突破,成功地解决了一系列理论和实际问题。但Tóth解析解存在的缺陷也长期沿袭:单纯重视数学模拟而忽视物理机制;将地形控制地下水位看成是普适性规律;忽视给定水头上边界数学模拟的失真。这些缺陷,尤其是忽视物理机制探究,不仅妨碍Tóth理论自身发展,而且导致地下水流系统理论尚未被国际水文地质界普遍接受。参照河流动力学中应用的最小能耗率原理,类比提出地下水流最小能耗率的表达式。基于已有的通量上边界地下水流模式数值模拟结果,进一步探究物理机制,归纳得出地下水流系统遵循最小能耗率原理的结论。

     

  • 图 1  模型A1:固定渗透系数K、改变入渗强度ε,不同流场平均水力梯度Ric下的地下水流模式(据文献[5]修改)

    Figure 1.  Groundwater flow patterns for different infiltration intensities and fixed hydraulic conductivity for Model A1

    图 2  模型A2:固定入渗强度ε、改变渗透系数K,不同流场平均水力梯度Ric下的地下水流模式(据文献[5]修改)

    Figure 2.  Groundwater flow patterns for different hydraulic conductivity and fixed infiltration intensity for Model A2

    图 3  模型B:改变盆地深度得出的地下水流系统模式

    a.Rld=20; b.Rld=10; c.Rld=5

    Figure 3.  Groundwater flow patterns under different basin depths for Model B

    表  1  模型A(Rld=10)参数系列与模拟结果(据文献[5]修改)

    Table  1.   Parameters and simulated results of Model A(Rld=10)

    A1(K不变,K=0.1 m/d) A2(ε不变,ε=0.49 m/d) 模拟得出的地下水流模式
    亚型 ε/(mm·d-1) Ric 亚型 K/(m·d-1) Ric
    A1-a 1.97 0.0197 A2-a 0.025 0.0197 单一局部系统(L)
    A1-b 0.98 0.0098 A2-b 0.050 0.0098 局部-中间嵌套系统(LI)
    A1-c 0.49 0.0049 A2-c 0.100 0.0049 局部-中间-区域嵌套系统(LIR)
    A1-d 0.25 0.0025 A2-d 0.200 0.0025 局部-区域嵌套系统(LR)
    A1-e 0.08 0.0008 A2-e 0.600 0.0008 单一区域系统(R)
      注:R1d.盆地长深比;ε.入渗强度;Ric.水力梯度;K.渗透系数
    下载: 导出CSV

    表  2  模型B设定与模拟结果(改变Rld)

    Table  2.   Setup and simulated results of Model B(variable Rld)

    亚型 Rld 潜在势汇位置(x, z) 模拟得出的地下水流模式
    S1, S2, S3
    B-a 20 (0, 10);(200, 13);(400, 17) 单一局部系统(L)
    B-b 10 (0, 35);(200, 38);(400, 42) 局部-中间-区域嵌套系统(LIR)
    B-c 5 (0, 85);(200, 88);(400, 92) 局部-区域嵌套系统(LR)
    下载: 导出CSV
  • [1] Tóth J. Theoretical analysis of groundwater flow in small drainage basin[J]. Journal of Geophysical Research, 1963, 67(11): 4375-4387.
    [2] Tóth J. Groundwater flow systems and modern hydrogeology: The story of a half century[C]//Anon. Proceedings of the International Symposium on Regional Groundwater Flow: Theory, Applications and Future Development, Xi'an, China. [S. l. ]: [s. n. ], 2013.
    [3] Zhang R Q, Liang X, Jin M G. Tóthian theory is the paradigm of modern hydrogeology[C]//Anon. International Symposium on Hierarchical Flow Systems in Karst Regions. Budapest, Hungary. [S. l. ]: [s. n. ], 2013: 147.
    [4] Haitjema H M, Mitchell-Bruker S. Are water tables a subdued replica of the topography?[J]. Groundwater, 2005, 43(6): 781-786.
    [5] Liang X, Quan D, Jin M G, et al. Numerical simulation of groundwater flow patterns using flux as upper boundary[J]. Hydrological Process, 2013, 27(24): 3475-3483. doi: 10.1002/hyp.9477
    [6] 徐国宾, 练继建. 流体最小熵产生原理与最小能耗率原理[J]. 水利学报, 2003(5): 35-40. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB200305006.htm

    Xu G B, Lian J J. Theories of the minimum rate of energy dissipation and the minimum entropy production of flow[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003(5): 35-40(in Chinese with English abstract). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB200305006.htm
    [7] Yang C T, Song C C S. The theory of energy dissipation[J]. Journal of the Hydraulics Division, 1979, 1105(7): 769-784.
    [8] 黄文典, 王兆印. 长江中下游的河床纵剖面演变分析及预测[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2007, 47(12): 2131-2134. doi: 10.3321/j.issn:1000-0054.2007.12.011

    Huang W D, Wang Z Y. Fluvial process forecasting for the middle and lower reaches of the Yangtze River[J]. Tsinghua Science and Technology: Natural Science Edition, 2007, 47(12): 2131-2134(in Chinese with English abstract). doi: 10.3321/j.issn:1000-0054.2007.12.011
    [9] 熊治平. 河流最小能耗原理及其应用译文集[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 1988.

    Xiong Z P. Principles and applications of minimum energy consumption in rivers[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 1988(in Chinese).
    [10] 周冉. 最小能耗率原理及在河流动力学中的运用[J]. 科技与创新, 2014, 14: 119-120. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJYX201414091.htm

    Zhou R. The Minimumrate of energy dissipation and the use of river dynamics[J]. Journal of Technology and Innovation, 2014, 14: 119-120(in Chinese with English abstract). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJYX201414091.htm
    [11] 吴介之. 在热力学的后方: 介绍美国数学家瑟林对热力学基础的改造[J]. 自然杂志, 1983, 6(12): 898-904, 953. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZZ198312007.htm

    Wu J Z. In the rear of thermodynamics: Introduces the American mathematician Serling's transformation of the basis of thermodynamics[J]. Journal Nature, 1983, 6(12): 898-904, 953(in Chinese with English abstract). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZRZZ198312007.htm
    [12] 徐国宾. 河流动力学中的最小能耗率原理[C]//第六届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集. 郑州: 黄河水利出版社, 2005: 476-484.

    Xu G B. Principle of minimum energy consumption rate in river dynamics[C]//Proceedings of the 6th National Symposium on Sediment Theory. Zhengzhou: Yellow River Conservancy Press, 2005: 476-484(in Chinese).
    [13] Engelen G B, Jones G P. Developments in the analysis of groundwater flow systems[M]. Wallingford: IAHS Publication, 1986.
    [14] 张人权, 梁杏, 靳孟贵, 等. 水文地质学基础[M]. 第7版. 北京: 地质出版社, 2018.

    Zhang R Q, Liang X, Jin M G, et al. Fundamentals of hydrogeology[M]. 7th Ed. Beijing: Geological Publishing House, 2018(in Chinese).
    [15] 广西水文地质工程地质队桂西找水组. 广西都安县地苏地下河系: 滨海、岛屿、岩溶区的地下水[M]. 北京: 地质出版社, 1974.

    Hydrogeology and Engineering Geology Team in west Guangxi. Disu underground river system in Du'an, Guangxi: Groundwater in coast, island and karst areas[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1974(in Chinese).
    [16] 梁杏, 沈仲智, 刘宇, 等. 一种多级次地下水流动系统演示仪: CN2008200667265[P]. 2008.

    Liang X, Shen Z Z, Liu Y, et al. The utility model relates to a multilevel groundwater flow system demonstration instrumentr: CN2008200667265[P]. 2008(in Chinese).
    [17] Liang X, Liu Y, Jin M G, et al. Direct observation of complex Tóthian groundwater flow systems in the laboratory[J], Hydrological Processes, 2010, 24: 3568-3573. doi: 10.1002/hyp.7758
    [18] 刘彦, 梁杏, 权董杰, 等. 改变入渗强度的地下水流模式实验[J]. 地学前缘, 2010, 17(6): 111-116. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXQY201006015.htm

    Liu Y, Liang X, Quan D J, et al. Experiments of groundwater flow patterns under changes of infiltration intensity[J]. Earth Science Frontiers, 2010, 17(6): 111-116(in Chinese with English abstract). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXQY201006015.htm
    [19] Wang X S, Jiang X W, Wan L, et al. A new analytical solution of topography-driven flow in a drainage basin with depth-dependent anisotropy of permeability[J]. Water Resources Research, 2011, 47(9): W09603.
    [20] Wang J Z, Jiang X W, Wan L, et al. An analytical study on groundwater flow in drainage basins with horizontal wells[J]. Hydrogeology Journal, 2014, 22(7): 1625-1638. doi: 10.1007/s10040-014-1146-9
    [21] Bresciani E, Gleeson T, Goderniaux P, et al. Groundwater flow systems theory: Research challenges beyond the specified-head top boundary condition[J]. Hydrogeology Journal, 2016, 24: 1087-1090. doi: 10.1007/s10040-016-1397-8
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  • 收稿日期:  2021-11-14
  • 网络出版日期:  2022-03-02

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