HydroGeoSphere - 地下水数值模拟软件

HydroGeoSphere（HGS）是功能丰富的地表和地下水集成建模软件解决方案，HGS是一个三维控制体积有限元地下水模型，基于对地表和地下流动状态组成的水文系统的严格概念化。该模型旨在考虑水文循环的关键组成部分。对于每个时间步，该模型同时解决地表和地下流动，溶质和能量传输方程，并提供水和溶质平衡。为了完成综合分析，HydroGeoSphere采用严格的，质量保守的建模方法，将表面流动和传输方程与3D，可变饱和地下流动和传输方程耦合。这种方法比依赖于单独的表面和地下建模代码的链接的先前联合方法更加稳健。

HGS动态地整合了水文循环的关键组成部分，并且可以纳入陆地表面过程，例如从裸露的土壤蒸发，植被不断蒸腾的蒸腾作用，非饱和流，多孔和/或离散的裂隙介质中的流以及整体中的反应性溶质和热能传输水文地球圈。大孔，裂缝和瓷砖排水孔可以不连续的掺入，也可以使用双重孔隙度，双重渗透性配方来掺入。该模型还可以模拟冬季的水文过程，例如积雪/融化和孔隙水冻结/融化。

该HydroGeoSphere平台已经并行利用高性能计算设施，并解决挑战性的科学和工程问题，如在分析气候变化对流域、盆地和大陆尺度水资源的影响。

地下水流

HydroGeoSphere假设在模拟期间总是求解多孔介质中的地下流动方程，无论是饱和还是可变饱和的流动条件。地下流动方程可以扩展到包含离散裂缝，个相互作用的多孔连续体，井，瓦排水沟和地表流。对地下流量进行了以下假设：

• 流体基本上是不可压缩的。

• 多孔介质和裂缝（或大孔）（如果存在的话）是不可变形的。

• 该系统处于等温条件下。

• 空气相是移动的。

地表水流

地表面的水流在HydroGeoSphere由二维深度平均流方程，这是扩散波近似表示浅水方程表面水流。HydroGeoSphere的地表水流量组件通过以下假设实施：

• 深度平均流速

• 静水压力垂直分布

• 温和的坡度

• 主要的底部剪切应力。

表面-次表面耦合

HrdroGeoSphere的二维面积流动模块遵循与地下模块使用的空间和时间离散相同的约定。当求解两个域时（即节点的x和y位置对于每个节点层是相同的），表面流动方程在堆叠在地下网格上的2D有限元网格上求解。对于叠加，为地下区域生成的网格对于表面流动节点是镜像的，其中表面流动节点高度对应于地下网格的顶部活动层的顶部高程。注意，表面流动节点高度可以显著变化以符合地形。然而，扩散波方程中固有的小斜率假设将不允许对惯性效应进行建模。

离散化的表面方程通过叠加（共同节点方法）或通过表面皮层（双节点方法）的泄漏与3D地下流动方程耦合。对于这两种方法，表面和地下流动状态的隐式耦合提供了水的运动的整体视图，而不是传统的表面和地下状态划分。因此，跨越陆地表面的通量是一个自然的内部过程，允许水在表面和地下流动系统之间移动，由局部流动流体动力学控制，而不是在界面处使用物理人工边界条件。当通过叠加提供地下连接时，HydroGeoSphere将二维表面网格的表面流动方程项添加到地下节点顶层的表面流动方程项。

特征：

地表水和地下水建模

• 表面区域表示为2D陆上水流

• 地下区域由3D可变饱和流组成

• 表面/亚表面域通过基于物理的流体交换相互作用

• 基于土地利用的时间和空间变化的蒸散量

• 融雪对水文状况的影响

• 描绘和跟踪地下水位

• 处理非积水或规定的积水补给条件和渗水面

• 用于地下的多孔，离散裂缝，双孔隙和双渗透介质任意组合的裂缝地质材料的表示

• 储存，溶质混合和沿井筒的可变量分布

• 密度依赖的流动和运输

热和溶质运移建模：

• 模拟非反应性和反应性化学物质在表面和地下的迁移

• 在相关的表面和地下流场中的热传递

• 处理裂缝和基质之间的流体和质量交换

• 基于扩散效应和基质中的溶质对流

• 计算水龄和溶质迁移时间概率

数值方法：

• 域的隐式耦合方法提供了稳健的，质量守恒的解决方案

• 计算算法，使代码可以在个人计算机上执行集成的3D模拟/动画

• 具有自动生成和控制时间步长的自适应时间步进方案

• 流体和溶质质量平衡跟踪

• 非结构化有限元网格

功能：

HydroGeoSphere是一种三维控制体积有限元模拟器，采用有限元法进行空间离散。用于水文系统工程项目中多孔介质或裂隙多孔介质中的地下水流和溶质运移的模拟。它使用全局隐式方法同时求解2D扩散波方程和Richards方程的3D形式。HGS还动态整合水文循环的关键组成部分，如裸露土壤和水体蒸发，植被依赖性蒸腾作用，根系吸收，融雪和土壤冻融。宏观孔隙，裂缝和瓦片排水沟等可以单独使用，也可以采用双孔隙，双渗透性配方。

HydroGeoSphere的特有功能是，当以集成的模式模拟水流时，允许将来自降雨输入的水分配为陆上和溪流，蒸发，渗透，补给和地下排入地表水等成分以自然的方式形成湖泊和溪流之类的。也就是说，耦合的数值解方法允许每个时间步上同时求解表面流动状态和可变饱和流动状态。

该方法还允许溶解的溶质在地表和地下流动域之间自然交换，从而在两种方案的每个时间步也同时溶解溶质浓度。这使HydroGeoSphere成为一种特有且理想的工具，以逼真的，基于物理的方式模拟流域内水和溶质的运动。

HydroGeoSphere使用控制体积有限元方法来模拟地表和地下耦合的流动和传输。可以对可变饱和的裂缝性或粒状含水层进行3D模型。HydroGeoSphere提供了多种离散选项，范围从简单的矩形和轴对称区域到具有复杂几何形状和分层的不规则区域。

应用范围：

• 水资源综合评估和流域水文分析。

• 土地使用和气候变化对地表和地下水的影响。

• 污染物在地表和地下水中的运移。

• 调查分析裂隙掩体水文。

• 洪灾区域水文分析。

• 河流水文分析。

• 二维地表径流模拟

• 三维变薄和流模拟

• 裂隙或渠道中的三维流场模拟

• 稳定流/非稳定流模拟

• 平流和弥散过程模拟

• 密度流模拟