地下水模拟软件

HydroGeoSphere（HGS）是功能强大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，并提供完整的水和溶质平衡。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完全耦合。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，无论是完全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，第二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：

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：

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 格上的2D有限元 格上求解。对于叠加，为地下区域生成的 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 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完全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 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

热和溶质运移建模：

数值方法：

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特征可以单独使用，也可以采用双孔隙，双渗透性配方。

HydroGeoSphere的特有功能是，当以完全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特征。也就是说，完全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完整的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特征分析。

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特性。

洪灾区域水文分析。

河流水文分析。

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