ГидроГеоСфера - HydroGeoSphere

ГидроГеоСфера
Разработчики)	Aquanty
Стабильный выпуск	2019
Операционная система	Windows, Linux
Тип	Гидрогеология программного обеспечения
Лицензия	Проприетарный
Интернет сайт	www.aquanty.com/ гидрогеосфера/

ГидроГеоСфера (HGS) - это трехмерный контрольный объем заключительный элемент модель грунтовых вод, и основан на строгой концептуальной концепции гидрологической системы, состоящей из поверхность и подповерхностный режимы течения.^[1]^[2] Модель разработана с учетом всех ключевых компонентов гидрологический цикл. Для каждого временного шага модель решает поверхностные и подземные потоки, растворенное вещество и энергия уравнения переноса одновременно и обеспечивает полный баланс воды и растворенных веществ.

История

Первоначальное название кода было FRAC3DVS, которое создал Рене Терриен в 1992 году.^[3] Код был доработан совместно на Университет Ватерлоо и Университет 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.

Основные уравнения

Для выполнения интегрированного анализа HydroGeoSphere использует строгий подход к моделированию с консервативной массой, который полностью объединяет 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

HydroGeoSphere предполагает, что уравнение подземного потока в пористой среде всегда решается во время моделирования, либо для условий полностью насыщенного, либо для переменного насыщенного потока. Уравнение подземного потока может быть расширено за счет включения дискретных трещин, второго взаимодействующего пористого континуума, скважин, дренажей плит 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.

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

{displaystyle -abla cdot (w_ {m} {extbf {q}}) + sum Gamma _ {eq} pm Q = w_ {m} {frac {partial} {partial t}} (heta _ {s} S_ {w })}

Поток жидкости, ${displaystyle {extbf {q}}}$ , представлен Закон Дарси показано как:

{displaystyle {extbf {q}} = - {extbf {K}} cdot k_ {r} abla (psi + z)}

куда ${displaystyle w_ {m}}$ - объемная доля от общей пористости, занимаемая пористой средой, ${displaystyle Gamma _ {ex}}$ скорость внутреннего обмена жидкости (например, поверхностные воды, колодцы и дренажные каналы), ${displaystyle Q}$ - внешняя жидкость вне модельной области, ${displaystyle heta _ {s}}$ - содержание насыщенной воды, ${displaystyle S_ {w}}$ степень насыщения, ${displaystyle {extbf {K}}}$ - тензор гидравлической проводимости, ${displaystyle k_ {r}}$ - относительная проницаемость среды, рассчитанная как функция насыщения, ${displaystyle psi}$ напор, а ${displaystyle z}$ высота напора.

Поток поверхностных вод

Ареал поток поверхностных вод представлен в HydroGeoSphere двумерным уравнением потока, усредненным по глубине, которое является диффузионно-волновым приближением Saint Venant уравнение 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 {ar {v}} _ {xo} d_ {o}} {partial x}} + {frac { частичный {ar {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 {ar {v}} _ {ox} = - K_ {ox} {frac {partial h_ {o}} {partial x}}}

и для направления y:

{displaystyle {ar {v}} _ {oy} = - K_ {oy} {frac {partial h_ {o}} {partial y}}}

куда ${displaystyle phi _ {o}}$ - пористость области поверхностного течения, ${displaystyle h_ {o}}$ высота поверхности воды, ${displaystyle {ar {v}} _ {xo}}$ и ${displaystyle {ar {v}} _ {yo}}$ - осредненные по вертикали скорости потока в направлениях x и y, ${displaystyle d_ {o}}$ - глубина поверхностного водотока, ${displaystyle Gamma _ {o}}$ - внутренний жидкостный обмен, а ${displaystyle Q_ {o}}$ это внешний жидкостный обмен. Поверхностная проводимость, ${displaystyle K_ {ox}}$ и ${displaystyle K_ {oy}}$ аппроксимируются уравнением Мэннинга или Шези.

Транспорт растворенного вещества

Трехмерный перенос растворенных веществ описывается модифицированным реактивным транспортом. адвективно-дисперсионный уравнение:

${displaystyle -abla cdot w_ {m} ({extbf {q}} C- heta _ {s} S_ {w} {extbf {D}} abla C) + [w_ {m} heta _ {s} S_ {w } Rlambda C] _ {par} + sum {Omega _ {ex} + Q_ {c}} = w_ {m} left [{frac {partial (heta _ {s} S_ {w} RC)} {partial t} } + heta _ {s} S_ {w} Rlambda Cight]}$

куда ${displaystyle C}$ - концентрация растворенного вещества, ${displaystyle lambda}$ - постоянная распада первого порядка, ${displaystyle Q_ {c}}$ является внешним источником или поглотителем, ${displaystyle Omega}$ - внутренний перенос растворенного вещества между доменами, ${displaystyle R}$ фактор запаздывания, ${displaystyle {extbf {D}}}$ - коэффициент диффузии, а ${displaystyle par}$ обозначает родительский вид в случае цепочки распада.

Тепловой транспорт

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 атмосферными и гидрологическими 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:

${displaystyle -abla cdot {Big (} {extbf {q}} ho _ {w} c_ {w} T- (k_ {b} + c_ {b} ho _ {b} {extbf {D}}) abla T) {Big)} + Omega _ {o} pm Q_ {T} = {frac {partial ho _ {b} c_ {b} T} {partial t}}}$

куда ${displaystyle ho}$ это плотность, ${displaystyle c}$ теплоемкость, ${displaystyle T}$ - температура основной поверхности, ${displaystyle k}$ - теплопроводность, ${displaystyle D}$ - термодисперсионный член, ${displaystyle Q_ {T}}$ это тепловой источник / сток, ${displaystyle Omega _ {o}}$ - тепловое взаимодействие между поверхностью и подповерхностным слоем, и ${displaystyle Q_ {T}}$ - внешние тепловые взаимодействия.

Поверхностно-подземная связь

Интегрированный поверхностный / подземный поток с процессами эвапотранспирации и осаждения.

Модули двумерных площадных поверхностных потоков HydroGeoSphere следуют тем же правилам пространственной и временной дискретизации, что и подземные модули. Уравнение поверхностного потока решается на двумерной конечно-элементной сетке, уложенной на подповерхностной сетке при решении для обеих областей (то есть x- и y-положения узлов 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 высотной отметке самого верхнего активного слоя подповерхностной сетки. Обратите внимание, что отметки узлов поверхностного потока могут существенно различаться в зависимости от топографии. Однако предположения о малом наклоне, присущие 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 гидродинамикой местного потока, вместо использования физически искусственных граничных условий на границе раздела. Если подповерхностное соединение обеспечивается посредством наложения, HydroGeoSphere добавляет члены уравнения поверхностного потока для двумерной поверхностной сетки к тем из верхнего слоя подземных узлов. В этом случае поток обмена жидкости, который содержит член утечки, не нужно явно определять.

Функции

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 была связана с Погодные исследования и прогнозирование а мезомасштабный атмосферный модель для полностью совмещенного моделирования геологической среды, поверхности и атмосферы.^[4]

Другие модели подземных вод

внешняя ссылка

Официальный веб-сайт

[Therrien1996-1] Therrien, R .; Судицки, Э.А. (1996). «Трехмерный анализ переменно-насыщенного потока и переноса растворенных веществ в пористых средах с дискретными трещинами». Журнал гидрологии загрязнителей. 23 (1–2): 1–44. Дои:10.1016/0169-7722(95)00088-7.

[Brunner2012-2] а ^б Бруннер, Филип; Симмонс, Крейг Т. (2012). «ГидроГеоСфера: полностью интегрированная гидрологическая модель, основанная на физических данных». Грунтовые воды. 50 (2): 170–176. Дои:10.1111 / j.1745-6584.2011.00882.x.

[3] Терриен, Рене (1992). Трехмерный анализ потока переменной насыщенности и переноса растворенных веществ в пористой среде с дискретными трещинами (Кандидат наук.). Университет Ватерлоо, Ватерлоо, Онтарио.

[4] Дэвисон, Джейсон Гамильтон; Хван, Хён-Тэ; Судики, Эдвард А .; Маллиа, Дерек В .; Лин, Джон С. (2018). «Полная связь между атмосферой, поверхностью и недрами для комплексного гидрологического моделирования». Журнал достижений в моделировании земных систем. 10: 43–53. Дои:10.1002 / 2017ms001052. ISSN 1942-2466.

[1]

[2]

[3]

[4]