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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
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  • 收稿日期:  2021-11-14
  • 网络出版日期:  2022-03-02

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