El balance energético del agua subterránea es el balance energético de un cuerpo de agua subterránea en términos de energía hidráulica entrante asociada con el flujo de agua subterránea al cuerpo, energía asociada con el flujo de salida, conversión de energía en calor debido a la fricción del flujo y el cambio resultante de estado energético y nivel del agua subterránea.
Al multiplicar la velocidad horizontal del agua subterránea (dimensión, por ejemplo, por área de sección transversal) por el potencial del agua subterránea (dimensión energía por volumen de agua, o ), se obtiene un flujo de energía (flujo) para el flujo y la sección transversal dados. área. [1]
La suma o integración del flujo de energía en una sección transversal vertical de una unidad de ancho (digamos 1 m) desde el límite inferior del flujo (la capa o base impermeable) hasta el nivel freático en un acuífero no confinado da el flujo de energía a través de la sección transversal. en por m de ancho del acuífero.
Mientras fluye, el agua subterránea pierde energía debido a la fricción del flujo, es decir, la energía hidráulica se convierte en calor. Al mismo tiempo, se puede añadir energía con la recarga de agua que ingresa al acuífero a través del nivel freático. De este modo se puede realizar un balance de energía hidráulica de un bloque de suelo entre dos secciones transversales cercanas. En estado estacionario, es decir, sin cambios en el estado energético y sin acumulación o agotamiento del agua almacenada en el cuerpo del suelo, el flujo de energía en la primera sección más la energía agregada por la recarga de agua subterránea entre las secciones menos el flujo de energía en la segunda sección debe ser igual la pérdida de energía debido a la fricción del flujo.
En términos matemáticos este equilibrio se puede obtener diferenciando la integral de sección transversal del Fe en la dirección del flujo usando la regla de Leibniz, teniendo en cuenta que el nivel del nivel freático puede cambiar en la dirección del flujo. Las matemáticas se simplifican utilizando el supuesto de Dupuit-Forchheimer .
Las pérdidas por fricción hidráulica se pueden describir en analogía con la ley de Joule en la electricidad (ver Ley de Joule#Equivalente hidráulico ), donde las pérdidas por fricción son proporcionales al valor cuadrado de la corriente (flujo) y la resistencia eléctrica del material a través del cual pasa la corriente. ocurre. En la hidráulica de aguas subterráneas ( dinámica de fluidos , hidrodinámica ), a menudo se trabaja con la conductividad hidráulica (es decir, la permeabilidad del suelo al agua), que es inversamente proporcional a la resistencia hidráulica.
La ecuación resultante del balance energético del flujo de agua subterránea se puede utilizar, por ejemplo, para calcular la forma del nivel freático entre los drenajes en condiciones específicas del acuífero . Para ello se puede utilizar una solución numérica , dando pequeños pasos a lo largo de la base impermeable. La ecuación del drenaje debe resolverse mediante prueba y error ( iteraciones ), porque el potencial hidráulico se toma con respecto a un nivel de referencia tomado como el nivel del nivel freático en la divisoria de agua a medio camino entre los drenajes. Al calcular la forma del nivel freático, inicialmente no se conoce su nivel en la divisoria de aguas. Por lo tanto, este nivel debe asumirse antes de poder comenzar los cálculos sobre la forma del nivel freático. Según los resultados del procedimiento de cálculo, se debe ajustar la suposición inicial y se deben reiniciar los cálculos hasta que el nivel del nivel freático en la divisoria no difiera significativamente del nivel supuesto.
El procedimiento de prueba y error es engorroso y, por lo tanto, se pueden desarrollar programas informáticos para ayudar en los cálculos.
El balance energético del flujo de agua subterránea se puede aplicar al flujo de agua subterránea hacia los drenajes subterráneos. [2] El programa informático EnDrain [3] compara el resultado de la ecuación tradicional de espaciamiento de drenajes , basada en la ley de Darcy junto con la ecuación de continuidad (es decir, conservación de masa ), con la solución obtenida por el balance de energía y se puede ver que los espacios entre drenajes son más amplios en el último caso. Esto se debe a la introducción de la energía suministrada por la recarga entrante.
