ГидроГеоСфера

ГидроГеоСфера

Разработчик(и)	Количество
Стабильный релиз	2023
Операционная система	Виндовс, Линукс
Тип	Программное обеспечение для гидрогеологии
Лицензия	Запатентованный
Веб-сайт	www.aquanty.com/гидрогеосфера/

HydroGeoSphere ( HGS ) — это 3D- модель грунтовых вод с конечными элементами и контролем объема , основанная на строгой концептуализации гидрологической системы, состоящей из режимов поверхностного и подповерхностного потока. ^{[1] [2]} Модель разработана с учетом всех ключевых компонентов гидрологического цикла . Для каждого временного шага модель одновременно решает уравнения поверхностного и подповерхностного потока, переноса растворенных веществ и энергии и обеспечивает полный баланс воды и растворенных веществ.

Первоначальное название кода было FRAC3DVS, он был создан Рене Террьеном в 1992 году. ^[3] Код был в дальнейшем разработан совместно в Университете Ватерлоо и Университете Лаваля и в основном использовался для академических исследований. Он был переименован в HydroGeoSphere в 2002 году с реализацией 2D поверхностного потока и транспорта воды. ^[2] В 2012 году программное обеспечение стало коммерциализированным при поддержке и управлении Aquanty Inc.

Для выполнения комплексного анализа HydroGeoSphere использует строгий, консервативный по массе подход к моделированию, который полностью связывает уравнения поверхностного потока и переноса с трехмерными, переменно насыщенными уравнениями подповерхностного потока и переноса. Этот подход значительно более надежен, чем предыдущие конъюнктивные подходы, которые полагаются на связь отдельных кодов моделирования поверхности и подповерхности.

HydroGeoSphere предполагает, что уравнение подземного потока в пористой среде всегда решается во время моделирования, как для полностью насыщенных, так и для переменно насыщенных условий потока. Уравнение подземного потока может быть расширено для включения дискретных трещин, второго взаимодействующего пористого континуума, скважин, плиточных дренажей и поверхностного потока. Для подземного потока сделаны следующие предположения:

• Жидкость по сути несжимаема.
• Пористая среда и трещины (или макропоры), если они имеются, недеформируемы.
• Система находится в изотермических условиях.
• Воздушная фаза бесконечно подвижна.

Уравнение Ричардса используется для описания трехмерного нестационарного подземного течения в пористой среде с переменной насыщенностью:

${\displaystyle -\nabla \cdot (w_{m}{\textbf {q}})+\sum \Gamma _{eq}\pm ​​Q=w_{m}{\frac {\partial }{\partial t}}(\theta _{s}S_{w})}$

Поток жидкости , представлен законом Дарси, показанным как:${\displaystyle {\textbf {q}}}$

${\displaystyle {\textbf {q}}=- {\textbf {K}}\cdot k_ {r}\nabla (\psi +z)}$

где — объемная доля общей пористости, занимаемая пористой средой, — скорость внутреннего обмена жидкостью (например, поверхностные воды, скважины и дренажные системы), — внешняя жидкость за пределами области моделирования, — содержание насыщенной воды, — степень насыщения, — тензор гидравлической проводимости, — относительная проницаемость среды, рассчитываемая как функция насыщения, — напор, — подъемная сила.${\displaystyle w_{м}}$${\displaystyle \Гамма _{ex}}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle \theta _{s}}$${\displaystyle S_{w}}$${\displaystyle {\textbf {K}}}$${\displaystyle k_{r}}$${\displaystyle \psi }$${\displaystyle z}$

Ареал поверхностного потока воды представлен в HydroGeoSphere двумерным уравнением потока, усредненным по глубине, которое является диффузионно-волновым приближением уравнения Сен-Венана для поверхностного потока воды. Компонент поверхностного потока воды HydroGeoSphere реализован со следующими предположениями:

• Усредненные по глубине скорости потока
• Распределение гидростатического давления по вертикали
• Пологий уклон
• Доминирующие нижние касательные напряжения.

Компоненты поверхностного потока решаются с помощью следующих трех уравнений, которые задаются следующим уравнением баланса массы:

${\displaystyle {\frac {\partial \phi _{o}h_{o}}{\partial t}}+{\frac {\partial {\bar {v}}_{xo}d_{o}}{\partial x}}+{\frac {\partial {\bar {v}}_{yo}d_{o}}{\partial y}}+d_{o}\Gamma _{o}\pm Q_{o}=0}$

в сочетании с уравнениями импульса, пренебрегая членами инерции, для направления x:

${\displaystyle {\bar {v}}_{ox}=-K_{ox}{\frac {\partial h_{o}}{\partial x}}}$

и для направления y:

${\displaystyle {\bar {v}}_{oy}=-K_{oy}{\frac {\partial h_{o}}{\partial y}}}$

где — пористость области поверхностного потока, — высота поверхности воды, — вертикально усредненные скорости потока в направлениях x и y, — глубина поверхностного потока воды, — внутренний обмен жидкостью, — внешний обмен жидкостью. Поверхностные проводимости и аппроксимируются либо уравнением Мэннинга, либо уравнением Шези. ${\displaystyle \phi _{o}}$${\displaystyle h_{o}}$${\displaystyle {\bar {v}}_{xo}}$${\displaystyle {\bar {v}}_{yo}}$${\displaystyle d_{o}}$${\displaystyle \Gamma _{o}}$${\displaystyle Q_{o}}$${\displaystyle K_{ox}}$${\displaystyle K_{oy}}$

Трехмерный перенос растворенных веществ описывается модифицированным уравнением адвективно-дисперсионного реактивного переноса :

${\displaystyle -\nabla \cdot w_{m}({\textbf {q}}C-\theta _{s}S_{w}{\textbf {D}}\nabla C)+[w_{m}\theta _{s}S_{w}R\lambda C]_{par}+\sum {\Omega _{ex}+Q_{c}}=w_{m}\left[{\frac {\partial (\theta _{s}S_{w}RC)}{\partial t}}+\theta _{s}S_{w}R\lambda C\right]}$

где — концентрация растворенного вещества, — константа распада первого порядка, — внешний источник или сток, — внутренний перенос растворенного вещества между доменами, — фактор замедления, — коэффициент диффузии, а обозначает родительские виды для случая цепочки распада.${\displaystyle C}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle Q_{c}}$${\displaystyle \Omega }$${\displaystyle R}$${\displaystyle {\textbf {D}}}$${\displaystyle par}$

Граф [2005] включил перенос тепла в режиме потока насыщенной зоны в HydroGeoSphere вместе со свойствами жидкости, зависящими от температуры, такими как вязкость и плотность. Возможности модели были успешно продемонстрированы для случая термохалинного потока и переноса в пористых и трещиноватых пористых средах [Граф и Терриен, 2007]. Эта работа расширяет возможности модели, включая перенос тепловой энергии в ненасыщенной зоне и в поверхностных водах, что считается ключевым шагом в связи между атмосферными и гидрологическими системами. Поверхностные потоки тепла от атмосферных притоков являются важным источником/стоком тепловой энергии, особенно для поверхностной водной системы. Таким образом, поверхностные потоки тепла через поверхность суши также были включены в HydroGeoSphere. Полное описание физических процессов и управляющих уравнений потока и переноса растворенных веществ, которые составляют основу HydroGeoSphere, можно найти в Therrien et al. [2007] и поэтому не будут здесь представлены.

Общее уравнение для переменного насыщения подземного переноса тепловой энергии, согласно Молсону и др. [1992], имеет вид:

${\displaystyle -\nabla \cdot {\Big (}{\textbf {q}}\rho _{w}c_{w}T-(k_{b}+c_{b}\rho _{b}{\textbf {D}})\nabla T{\Big )}+\Omega _{o}\pm Q_{T}={\frac {\partial \rho _{b}c_{b}T}{\partial t}}}$

где — плотность, — теплоёмкость, — температура объёмной подповерхности, — теплопроводность, — тепловой дисперсионный член, — тепловой источник/сток, — тепловые взаимодействия между поверхностью и подповерхностью, — внешние тепловые взаимодействия.${\displaystyle \rho }$${\displaystyle c}$${\displaystyle T}$${\displaystyle k}$${\displaystyle D}$${\displaystyle Q_{T}}$${\displaystyle \Omega _{o}}$${\displaystyle Q_{T}}$

Модули 2-D площадного поверхностного потока HydroGeoSphere следуют тем же соглашениям для пространственной и временной дискретизации, что и используемые модулями подповерхности. Уравнение поверхностного потока решается на 2-D конечно-элементной сетке, наложенной на сетку подповерхности при решении для обоих доменов (т. е. x- и y-расположения узлов одинаковы для каждого слоя узлов). Для суперпозиции сетка, созданная для домена подповерхности, зеркально отражается для узлов поверхностного потока, причем высоты узлов поверхностного потока соответствуют верхней высоте самого верхнего активного слоя сетки подповерхности. Обратите внимание, что высоты узлов поверхностного потока могут существенно различаться в соответствии с топографией. Однако предположения о малом уклоне, присущие уравнению диффузионной волны, не позволят моделировать инерционные эффекты.

Дискретизированное уравнение поверхности связано с трехмерным уравнением подповерхностного потока через суперпозицию (подход с общим узлом) или через утечку через поверхностный слой кожи (подход с двойным узлом). Для обоих подходов полностью неявная связь режимов поверхностного и подповерхностного потока обеспечивает интегральное представление о движении воды, в отличие от традиционного разделения режимов поверхностного и подповерхностного потока. Таким образом, поток через поверхность земли является естественным внутренним процессом, позволяющим воде перемещаться между системами поверхностного и подповерхностного потока, как это регулируется локальной гидродинамикой потока, вместо использования физически искусственных граничных условий на интерфейсе. Когда подповерхностное соединение обеспечивается через суперпозицию, HydroGeoSphere добавляет члены уравнения поверхностного потока для двухмерной поверхностной сетки к членам уравнения верхнего слоя подповерхностных узлов. В этом случае поток обмена жидкостью, который содержит член утечки, не требует явного определения.

Модель HGS представляет собой трехмерный симулятор конечного элемента с контролем объема, который разработан для моделирования всей наземной части гидрологического цикла. Он использует глобально неявный подход для одновременного решения уравнения диффузионной волны 2D и трехмерной формы уравнения Ричардса. HGS также динамически интегрирует ключевые компоненты гидрологического цикла, такие как испарение с голой почвы и водоемов, транспирация, зависящая от растительности, с поглощением корнями, таяние снега и замерзание/оттаивание почвы. Такие особенности, как макропоры, трещины и дренажи плитки, могут быть включены либо дискретно, либо с использованием формулы двойной пористости, двойной проницаемости. Кроме того, HydroGeoSphere был связан с Weather Research and Forecasting , мезомасштабной атмосферной моделью для полностью связанных подповерхностных, поверхностных и атмосферных симуляций. ^[4]

• ФЕЛОУ
• МОДФЛОУ
• OpenGeoSys

В Wikibooks есть больше информации по теме: HydroGeoSphere

• Официальный сайт