Уравнение Ричардса
Уравнение Ричардса, описывающее влагоперенос в зоне аэрации (в ненасыщенной зоне), было сформулировано Лоренцо А. Ричардсом в 1931 году[1]. Оно представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных, основная трудность решения которого заключается в отсутствии точных аналитических решений.
Закон Дарси разработан для описания потока влаги в водонасыщенной пористой среде, адаптируя его, Ричардс использовал предложение Букингема (1907) и вывел общее дифференциальное уравнение в частных производных, которое описывает ненасыщенный влагоперенос в зоне аэрации. Наиболее известной формой записи является:
- <math>\frac{\partial \theta}{\partial t}= \frac{\partial}{\partial z}
\left[ K(\theta) \left (\frac{\partial \psi}{\partial z} + 1 \right) \right]\ </math> где
- <math>K</math> — коэффициент фильтрации в ненасыщенной зоне,
- <math>\psi</math> — высота всасывающего давления,
- <math>z</math> — высота над плоскостью сравнения,
- <math>\theta</math> — объемная влажность, и
- <math>t</math> — время.
Уравнение Ричардса аналогично уравнению влагопереноса в насыщенной зоне, переход от одного к другому обусловлен представлением напора в виде h = ψ + z, и заменой насыщенного потока ненасыщенным. Использование формы записи приведенной выше обусловлено удобством описания граничных условий (часто описываемых в терминах напора, например для использования атмосферного условия ψ = 0).
Содержание
Вывод уравнения
В этом разделе будет показан вывод уравнения Ричардса для вертикального влагопереноса в очень упрощенном виде. Закон сохранения массы гласит, что величина изменения водонасыщения в закрытом объеме равна величине изменения суммы всех (отрицательных и положительных) потоков влаги в данном объеме. Опишем это математическим языком:
- <math>\frac{\partial \theta}{\partial t}= \vec{\nabla} \cdot \left(\sum_{i=1}^n{\vec{q}_{i,\,\text{in}}} - \sum_{j=1}^m{\vec{q}_{j,\,\text{out}}} \right)</math>
Введем одномерную форму записи для направления <math>\hat{k}</math>:
- <math>\frac{\partial \theta}{\partial t}= -\frac{\partial}{\partial z} q </math>
Горизонтальный поток описан эмпирическим Законом Дарси:
- <math>q= - K \frac{\partial h}{\partial z} </math>
Подставив q в уравнение выше, получим:
- <math>\frac{\partial \theta}{\partial t}= \frac{\partial}{\partial z} \left[ K \frac{\partial h}{\partial z}\right] </math>
И используем выражение для напора h = ψ + z:
- <math>\frac{\partial \theta}{\partial t}= \frac{\partial}{\partial z} \left[ K \left ( \frac{\partial \psi}{\partial z} + \frac{\partial z}{\partial z} \right ) \right] = \frac{\partial}{\partial z} \left[ K \left ( \frac{\partial \psi}{\partial z} + 1 \right ) \right]</math>
Таким образом, получено уравнение Ричардса[2] .
Формулировка
Уравнение Ричардса используется во многих статьях, посвященных вопросам экологии, потому что оно описывает поток на границе подземных и поверхностных вод (атмосферных осадков, водоемов, рек и т. д.), что является чрезвычайно важным при моделировании миграции различных компонентов. Его так же рассматривают и в чисто математических журналах, потому что его решение не тривиально. Обычно, оно выражается в трех разных формах. Смешанная форма (mixed form), рассмотренная выше, включает в себя описание в терминах и напора и влажности. А также две другие формы записи, в терминах напора (head-based) и водонасыщения (saturation-based).
Запись в терминах напора
- <math> C(h)\frac{\partial h}{\partial t}= \nabla \cdot K(h) \nabla h </math>
Где C(h) [1/L], [1/м] — это функция водонасыщения от напора:
- <math> C(h) \equiv \frac{\partial \theta }{\partial h} </math>
Эта функция носит название общей гидрофизической характеристики (ОГХ) и может быть определена для различных типов почв на основе метода подбора кривых (метод подбора экспериментального уравнения по кривой) и лабораторных экспериментов, определяющих величину инфильтрации через почвенную (грунтовую) колонку. Одной из наиболее признанных является экспериментальная зависимость, предложенная Ван Генухтеном (van Genuchten) в 1980 году[3].
Запись в терминах водонасыщения
- <math> \frac{\partial \theta }{\partial t}= \nabla \cdot D(\theta) \nabla \theta </math>
Где D(θ) [L2/T] — коэффициент влагопереноса:
- <math> D(\theta) \equiv \frac{ K(\theta) }{C(\theta)} \equiv K(\theta)\frac{\partial h}{ \partial \theta} </math>
Ограничения применимости
Численное решение уравнения влагопереноса Ричардса критиковалось за большие вычислительные затраты и непредсказуемость[4][5], обусловленную тем, что нет гарантии, что вычислительный комплекс (solver) найдет решение (сойдется) для конкретных почвенных характеристик. Также отмечалось, что в данном методе преувеличена роль капиллярных сил[6] и в некоторой степени его критиковали за излишнюю простоту[7]. При моделировании одномерного влагопереноса метод требует разбивки высокой дискретности для области граничащей с поверхностью (величина дискретизации должна быть не более одного сантиметра). При трехмерном моделировании численное решение уравнения Ричардса определяется соотношением сторон, где отношение горизонтального и вертикального размеров ячейки модели в расчетной области должно быть не больше 7.
Напишите отзыв о статье "Уравнение Ричардса"
Ссылки
- ↑ Richards, L.A. (1931). «Capillary conduction of liquids through porous mediums». Physics 1 (5): 318–333. DOI:10.1063/1.1745010. .
- ↑ Celia (1990). «A general Mass-Conservative Numerical Solution for the Unsaturated Flow Equation». Water Resources Research 26 (7): 1483–1496. DOI:10.1029/WR026i007p01483. .
- ↑ van Genuchten, M. Th. (1980). «[hydro.nevada.edu/courses/gey719/vg.pdf A Closed-Form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils]». Soil Science Society of America Journal 44 (5): 892–898. DOI:10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x.
- ↑ Short, D., W.R. Dawes, and I. White, 1995.
- ↑ Tocci, M. D., C. T. Kelley, and C. T. Miller (1997), Accurate and economical solution of the pressure-head form of Richards' equation by the method of lines, Adv.
- ↑ Germann, P. (2010), Comment on “Theory for source-responsive and free-surface film modeling of unsaturated flow”, Vadose Zone J. 9(4), 1000-1101.
- ↑ Gray, W. G., and S. Hassanizadeh (1991), Paradoxes and realities in unsaturated flow theory, Water Resour.
См. так же
- Гидрогеология
- Основная гидрофизическая характеристика
- Finite water-content vadose zone flow method
Отрывок, характеризующий Уравнение Ричардса
И действительно, к вечеру подводы не были собраны. На деревне у кабака была опять сходка, и на сходке положено было угнать лошадей в лес и не выдавать подвод. Ничего не говоря об этом княжне, Алпатыч велел сложить с пришедших из Лысых Гор свою собственную кладь и приготовить этих лошадей под кареты княжны, а сам поехал к начальству.Х
После похорон отца княжна Марья заперлась в своей комнате и никого не впускала к себе. К двери подошла девушка сказать, что Алпатыч пришел спросить приказания об отъезде. (Это было еще до разговора Алпатыча с Дроном.) Княжна Марья приподнялась с дивана, на котором она лежала, и сквозь затворенную дверь проговорила, что она никуда и никогда не поедет и просит, чтобы ее оставили в покое.
Окна комнаты, в которой лежала княжна Марья, были на запад. Она лежала на диване лицом к стене и, перебирая пальцами пуговицы на кожаной подушке, видела только эту подушку, и неясные мысли ее были сосредоточены на одном: она думала о невозвратимости смерти и о той своей душевной мерзости, которой она не знала до сих пор и которая выказалась во время болезни ее отца. Она хотела, но не смела молиться, не смела в том душевном состоянии, в котором она находилась, обращаться к богу. Она долго лежала в этом положении.
Солнце зашло на другую сторону дома и косыми вечерними лучами в открытые окна осветило комнату и часть сафьянной подушки, на которую смотрела княжна Марья. Ход мыслей ее вдруг приостановился. Она бессознательно приподнялась, оправила волоса, встала и подошла к окну, невольно вдыхая в себя прохладу ясного, но ветреного вечера.
«Да, теперь тебе удобно любоваться вечером! Его уж нет, и никто тебе не помешает», – сказала она себе, и, опустившись на стул, она упала головой на подоконник.
Кто то нежным и тихим голосом назвал ее со стороны сада и поцеловал в голову. Она оглянулась. Это была m lle Bourienne, в черном платье и плерезах. Она тихо подошла к княжне Марье, со вздохом поцеловала ее и тотчас же заплакала. Княжна Марья оглянулась на нее. Все прежние столкновения с нею, ревность к ней, вспомнились княжне Марье; вспомнилось и то, как он последнее время изменился к m lle Bourienne, не мог ее видеть, и, стало быть, как несправедливы были те упреки, которые княжна Марья в душе своей делала ей. «Да и мне ли, мне ли, желавшей его смерти, осуждать кого нибудь! – подумала она.
Княжне Марье живо представилось положение m lle Bourienne, в последнее время отдаленной от ее общества, но вместе с тем зависящей от нее и живущей в чужом доме. И ей стало жалко ее. Она кротко вопросительно посмотрела на нее и протянула ей руку. M lle Bourienne тотчас заплакала, стала целовать ее руку и говорить о горе, постигшем княжну, делая себя участницей этого горя. Она говорила о том, что единственное утешение в ее горе есть то, что княжна позволила ей разделить его с нею. Она говорила, что все бывшие недоразумения должны уничтожиться перед великим горем, что она чувствует себя чистой перед всеми и что он оттуда видит ее любовь и благодарность. Княжна слушала ее, не понимая ее слов, но изредка взглядывая на нее и вслушиваясь в звуки ее голоса.
– Ваше положение вдвойне ужасно, милая княжна, – помолчав немного, сказала m lle Bourienne. – Я понимаю, что вы не могли и не можете думать о себе; но я моей любовью к вам обязана это сделать… Алпатыч был у вас? Говорил он с вами об отъезде? – спросила она.
Княжна Марья не отвечала. Она не понимала, куда и кто должен был ехать. «Разве можно было что нибудь предпринимать теперь, думать о чем нибудь? Разве не все равно? Она не отвечала.
– Вы знаете ли, chere Marie, – сказала m lle Bourienne, – знаете ли, что мы в опасности, что мы окружены французами; ехать теперь опасно. Ежели мы поедем, мы почти наверное попадем в плен, и бог знает…
Княжна Марья смотрела на свою подругу, не понимая того, что она говорила.
– Ах, ежели бы кто нибудь знал, как мне все все равно теперь, – сказала она. – Разумеется, я ни за что не желала бы уехать от него… Алпатыч мне говорил что то об отъезде… Поговорите с ним, я ничего, ничего не могу и не хочу…
– Я говорила с ним. Он надеется, что мы успеем уехать завтра; но я думаю, что теперь лучше бы было остаться здесь, – сказала m lle Bourienne. – Потому что, согласитесь, chere Marie, попасть в руки солдат или бунтующих мужиков на дороге – было бы ужасно. – M lle Bourienne достала из ридикюля объявление на нерусской необыкновенной бумаге французского генерала Рамо о том, чтобы жители не покидали своих домов, что им оказано будет должное покровительство французскими властями, и подала ее княжне.
– Я думаю, что лучше обратиться к этому генералу, – сказала m lle Bourienne, – и я уверена, что вам будет оказано должное уважение.
Княжна Марья читала бумагу, и сухие рыдания задергали ее лицо.
– Через кого вы получили это? – сказала она.
– Вероятно, узнали, что я француженка по имени, – краснея, сказала m lle Bourienne.
Княжна Марья с бумагой в руке встала от окна и с бледным лицом вышла из комнаты и пошла в бывший кабинет князя Андрея.
– Дуняша, позовите ко мне Алпатыча, Дронушку, кого нибудь, – сказала княжна Марья, – и скажите Амалье Карловне, чтобы она не входила ко мне, – прибавила она, услыхав голос m lle Bourienne. – Поскорее ехать! Ехать скорее! – говорила княжна Марья, ужасаясь мысли о том, что она могла остаться во власти французов.
