ГидроГеоСфера

ГидроГеоСфера

Разработчики)	Aquanty
Стабильный выпуск	2019 г.
Операционная система	Windows, Linux
Тип	Программное обеспечение для гидрогеологии
Лицензия	Проприетарный
Веб-сайт	www .aquanty .com / hydrogeosphere /

HydroGeoSphere ( HGS ) - это трехмерная конечно-элементная модель подземных вод с контрольным объемом , основанная на строгой концептуальной концепции гидрологической системы, состоящей из режимов поверхностного и подземного потока. ^{[1] [2]} Модель предназначена для учета всех ключевых компонентов гидрологического цикла . Для каждого временного шага модель решает уравнения поверхностных и подземных потоков, растворенных веществ и переноса энергии одновременно и обеспечивает полный баланс воды и растворенных веществ.

История [ править ]

Первоначальное название кода было FRAC3DVS, которое было создано Рене Терриеном в 1992 году. ^[3] Код был далее разработан совместно в Университете Ватерлоо и Университете Лаваля и в основном использовался для академических исследований. Он был переименован в HydroGeoSphere в 2002 году с внедрением 2D поверхностного водотока и переноса. ^[2] В 2012 году программное обеспечение было коммерциализировано при поддержке и управлении Aquanty Inc.

Управляющие уравнения [ править ]

Для выполнения комплексного анализа HydroGeoSphere использует строгий подход к моделированию с консервативной массой, который полностью связывает уравнения поверхностного потока и переноса с трехмерными уравнениями подземного потока и переноса с переменной насыщенностью. Этот подход значительно более надежен, чем предыдущие конъюнктивные подходы, основанные на объединении отдельных программ моделирования поверхности и геологической среды.

Поток грунтовых вод [ править ]

HydroGeoSphere предполагает, что уравнение подземного потока в пористой среде всегда решается во время моделирования, как для условий полностью насыщенного, так и для переменного насыщения потока. Уравнение подземного потока может быть расширено за счет включения дискретных трещин, второго взаимодействующего пористого континуума, скважин, дренажей плиток и поверхностного потока. Для подземного потока сделаны следующие допущения:

• Жидкость практически несжимаема.
• Пористая среда и трещины (или макропоры), если они есть, не деформируются.
• Система находится в изотермических условиях.
• Воздушная фаза бесконечно подвижна.

Уравнение Ричардса используется для описания трехмерного переходного подземного потока в пористой среде с переменным насыщением:

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

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

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

где - объемная доля общей пористости, занимаемой пористой средой, - скорость обмена внутренней жидкости (например, поверхностная вода, колодцы и дренажные каналы), - внешняя жидкость за пределами области модели, - содержание насыщенной воды, является степень насыщения, - тензор гидравлической проводимости, - относительная проницаемость среды, рассчитанная как функция насыщения, - это напор, и - это высота над уровнем моря.${\displaystyle w_{m}}$${\displaystyle \Gamma _{ex}}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle \theta _{s}}$${\displaystyle S_{w}}$${\displaystyle {\textbf {K}}}$${\displaystyle k_{r}}$${\displaystyle \psi }$${\displaystyle z}$

Поток поверхностных вод [ править ]

Ареальный поток поверхностных вод представлен в HydroGeoSphere с помощью двумерного уравнения потока по глубине в среднем, который является диффузионно-волновое приближение Сен - Венана уравнения для потока поверхностных вод. Компонент поверхностного водного потока HydroGeoSphere реализован со следующими допущениями:

• Средние по глубине скорости потока
• Распределение гидростатического давления по вертикали
• Пологий уклон
• Преобладающие нижние касательные напряжения.

Компоненты поверхностного потока решаются следующими тремя уравнениями, 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 x-направления:

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

и для направления y:

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

где это пористость домена поверхностного потока, это возвышение поверхности воды, и являются вертикально осредненными скоростями потока в направлениях х и у, глубина потока поверхностных вод, является внутренним обменом жидкости, и это внешний обмен жидкости. Поверхностные проводимости и аппроксимируются уравнением Мэннинга или 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}}$

Транспорт растворенного вещества [ править ]

Трехмерный перенос растворенных веществ описывается модифицированным уравнением адвективной дисперсии 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, - член внешнего источника или стока, - внутренний перенос растворенного вещества между доменами, - фактор замедления, - коэффициент диффузии и обозначает родительские частицы для случая распада. цепь.${\displaystyle C}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle Q_{c}}$${\displaystyle \Omega }$${\displaystyle R}$${\displaystyle {\textbf {D}}}$${\displaystyle par}$

Тепловой перенос [ править ]

Граф [2005] включил перенос тепла в режиме потока насыщенной зоны в HydroGeoSphere вместе с зависящими от температуры свойствами флюида, такими как вязкость и плотность. Возможности модели были успешно продемонстрированы на примере термохалинного течения и переноса в пористых и трещиноватых пористых средах [Graf and Therrien, 2007]. Эта работа расширяет возможности модели, включая перенос тепловой энергии в ненасыщенной зоне и в поверхностных водах, что считается ключевым этапом во взаимосвязи между атмосферной и гидрологической системами. Поверхностные тепловые потоки от атмосферных поступлений являются важным источником / стоком тепловой энергии, особенно в поверхностную водную систему. Таким образом, поверхностные тепловые потоки через поверхность земли 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 здесь не будет.

Общее уравнение для переноса подземной тепловой энергии с переменным насыщением согласно Molson et al. [1992] определяется по:

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

где - плотность, - теплоемкость, - температура объемного грунта, - теплопроводность, - термодисперсионный член, - тепловой источник / сток, - тепловое взаимодействие между поверхностью и подповерхностным слоем, а - внешнее тепловые взаимодействия.${\displaystyle \rho }$${\displaystyle c}$${\displaystyle T}$${\displaystyle k}$${\displaystyle D}$${\displaystyle Q_{T}}$${\displaystyle \Omega _{o}}$${\displaystyle Q_{T}}$

Связь между поверхностью и поверхностью [ править ]

Интегрированный поверхностный / подземный поток с процессами эвапотранспирации и осадков.

Модули двумерных площадных поверхностных потоков HydroGeoSphere следуют тем же правилам пространственной и временной дискретизации, что и подземные модули. Уравнение поверхностного потока решается на двумерной сетке конечных элементов, наложенной на подповерхностную сетку, при решении для обеих областей (т. Е. Положения узлов по x и y одинаковы для каждого слоя узлов). Для наложения сетка, сгенерированная для подповерхностной области, зеркально отражается для узлов поверхностного потока, при этом отметки узлов поверхностного потока соответствуют высотой отметки самого верхнего активного слоя подповерхностной сетки. Обратите внимание, что отметки узлов поверхностного потока могут существенно различаться в зависимости от топографии. Однако допущения о малом наклоне, присущем уравнению диффузионной волны, не позволят моделировать инерционные эффекты.

Дискретизированное уравнение поверхности связано с трехмерным уравнением подземного потока через наложение (подход с общим узлом) или через утечку через поверхностный скин-слой (подход с двумя узлами). Для обоих подходов полностью неявная связь режимов поверхностного и подповерхностного течения обеспечивает целостное представление о движении воды, в отличие от традиционного разделения режимов на поверхности и под поверхностью. Таким образом, поток через поверхность суши - это естественный внутренний процесс, позволяющий воде перемещаться между поверхностными и подземными системами потока в соответствии с местной гидродинамикой потока вместо использования физически искусственных граничных условий на границе раздела. Когда подземное соединение обеспечивается посредством наложения, HydroGeoSphere добавляет члены уравнения поверхностного потока для двумерной поверхностной сетки к условиям верхнего слоя подземных узлов.В этом случае поток обмена флюида, который содержит член утечки, не требует явного определения.

Особенности [ править ]

Модель HGS представляет собой трехмерный имитатор конечных элементов контрольного объема, предназначенный для моделирования всей земной части гидрологического цикла. Он использует глобально неявный подход для одновременного решения двумерного уравнения диффузной волны 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 замораживание / оттаивание почвы. Такие элементы, как макропоры, трещины и дренаж плитки, могут быть включены либо дискретно, либо с использованием состава с двойной пористостью и двойной проницаемостью. Кроме того, HydroGeoSphere был связан с Weather исследований и прогнозирования мезомасштабная атмосферногомодель для полностью связанного моделирования геологической среды, поверхности и атмосферы. ^[4]

Другие модели подземных вод [ править ]

• ПОТОК
• MODFLOW
• OpenGeoSys

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

В Викиучебнике есть дополнительная информация по теме: ГидроГеоСфера

• Официальный веб-сайт