ГидроГеосфера

ГидроГеосфера

Разработчик(и)	Акванти
Стабильная версия	2023
Операционная система	Винда, Линукс
Тип	для гидрогеологии Программное обеспечение
Лицензия	Собственный
Веб-сайт	www .aquanty .с /гидрогеосфера /

HydroGeoSphere ( HGS с контрольным объемом и конечными элементами ) — это трехмерная модель подземных вод , основанная на строгой концептуализации гидрологической системы, состоящей из поверхностного и подземного стока. режимов Модель разработана с учетом всех ключевых компонентов гидрологического цикла . Для каждого временного шага модель одновременно решает поверхностные и подземные потоки, уравнения переноса растворенных веществ и энергии и обеспечивает полный баланс воды и растворенных веществ.

История

Первоначальное название кода — FRAC3DVS, созданное Рене Террьеном в 1992 году. В дальнейшем код разрабатывался совместно в Университете Ватерлоо и Университете Лаваля и в основном использовался для академических исследований. В 2002 году он был переименован в HydroGeoSphere с внедрением 2D-анализа потока и транспорта поверхностных вод. В 2012 году программное обеспечение было коммерциализировано при поддержке и управлении Aquanty Inc.

Основные уравнения

Для выполнения комплексного анализа HydroGeoSphere использует строгий, консервативный по массе подход к моделированию, 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, которые основаны на объединении отдельных кодов моделирования поверхности и недр.

Поток грунтовых вод

HydroGeoSphere предполагает, что уравнение подземного течения в пористой среде всегда решается в ходе моделирования, как для полностью насыщенного, так и для переменно насыщенного потока. Уравнение подземного потока можно расширить, включив в него дискретные трещины, второй взаимодействующий пористый континуум, скважины, дренажи плиток и поверхностный поток. Для подземного потока сделаны следующие предположения:

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

Уравнение Ричардса используется для описания трехмерного неустановившегося подповерхностного течения в пористой среде переменной насыщенности:

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

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

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

где $w_{m}$ – объемная доля общей пористости, занимаемая пористой средой, $\Gamma _{ex}$ — внутренняя скорость обмена жидкости (например, поверхностные воды, колодцы и канализация), $Q$ — внешняя жидкость вне модельной области, $\theta _{s}$ содержание насыщенной воды, $S_{w}$ это степень насыщения, ${\textbf {K}}$ – тензор гидравлической проводимости, $k_{r}$ – относительная проницаемость среды, рассчитанная как функция насыщенности, $\psi$ это напор, и $z$ это высота напора.

Расход поверхностных вод

Реальный поток поверхностных вод представлен в HydroGeoSphere двумерным уравнением потока, усредненным по глубине, которое представляет собой диффузионно-волновую аппроксимацию уравнения Сен-Венана для потока поверхностных вод. Компонент поверхностного стока HydroGeoSphere реализуется со следующими допущениями:

• Усреднённые по глубине скорости потока
• Распределение гидростатического давления по вертикали
• Пологий склон
• Преобладают нижние напряжения сдвига.

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

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

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

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

и для направления y:

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

где $\phi _{o}$ – пористость области поверхностного течения, $h_{o}$ - высота водной поверхности, ${\bar {v}}_{xo}$ и ${\bar {v}}_{yo}$ – средние по вертикали скорости потока в направлениях x и y, $d_{o}$ – глубина поверхностного стока воды, $\Gamma _{o}$ - внутренний обмен жидкости, и $Q_{o}$ внешний обмен жидкости. Поверхностная проводимость, $K_{ox}$ и $K_{oy}$ аппроксимируются уравнением Мэннинга или Шези.

Транспорт растворенных веществ

Трехмерный транспорт растворенных веществ описывается модифицированным уравнением адвективно-дисперсионного реактивного транспорта :

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

где $C$ концентрация растворенного вещества, $\lambda$ – константа распада первого порядка, $Q_{c}$ внешний источник или приемник, $\Omega$ - внутренний перенос растворенного вещества между доменами, $R$ – коэффициент замедления, ${\textbf {D}}$ - коэффициент диффузии, а $par$ обозначает родительские виды в случае цепочки распада.

Транспорт тепла

Граф [2005] включил перенос тепла в режиме потока в насыщенной зоне в HydroGeoSphere вместе с зависящими от температуры свойствами жидкости, такими как вязкость и плотность. Возможности модели были успешно продемонстрированы на примере термохалинного течения и транспорта в пористых и трещиновато-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 выбросов являются важным источником/поглотителем тепловой энергии, особенно в систему поверхностных вод. Таким образом, поверхностные тепловые потоки через поверхность земли также были включены в HydroGeoSphere. Полное описание физических процессов и уравнений потока и переноса растворенных веществ, составляющих основу HydroGeoSphere, можно найти в Therrien et al. [2007] и поэтому здесь не будут представлены.

Общее уравнение подземного переноса тепловой энергии с переменной насыщенностью по Молсону и др. [1992] представлен:

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

где $\rho$ плотность, $c$ - теплоемкость, $T$ - температура объемной недр, $k$ - теплопроводность, $D$ – член термической дисперсии, $Q_{T}$ является тепловым источником/приемником, $\Omega _{o}$ - тепловые взаимодействия между поверхностью и недрами, и $Q_{T}$ – внешние тепловые взаимодействия.

Связь поверхность-подповерхность

Интегрированный поверхностный/подземный поток с процессами эвапотранспирации и осадков.

Двумерные модули поверхностного стока HydroGeoSphere следуют тем же правилам пространственной и временной дискретизации, что и модули подземных сред. Уравнение поверхностного потока решается на двумерной сетке конечных элементов, наложенной на сетку подповерхностных слоев при решении для обеих областей (т. е. местоположения узлов по x и y одинаковы для каждого слоя узлов). Для суперпозиции сетка, созданная для области недр, зеркально отражается по площади для узлов поверхностного потока, при этом отметки узлов поверхностного потока соответствуют высоте самого верхнего активного слоя сетки недр. Обратите внимание, что отметки узлов поверхностного стока могут существенно различаться в зависимости от топографии. Однако предположения о малом наклоне, присущие уравнению диффузионной волны, не позволяют моделировать инерционные эффекты.

Дискретизированное уравнение поверхности связано с трехмерным уравнением подземного потока посредством суперпозиции (подход с общим узлом) или через утечку через поверхностный скин-слой (подход с двумя узлами). Для обоих подходов полная неявная связь режимов поверхностного и подземного стока обеспечивает целостное представление о движении воды, в отличие от традиционного разделения поверхностного и подземного режимов. Таким образом, поток через земную поверхность является естественным внутренним процессом, позволяющим воде перемещаться между поверхностными и подземными системами потока в соответствии с гидродинамикой локального потока, вместо использования физически искусственных граничных условий на границе раздела. Когда соединение подповерхностных слоев обеспечивается посредством суперпозиции, HydroGeoSphere добавляет члены уравнения поверхностного потока для двумерной поверхностной сетки к элементам верхнего слоя узлов подповерхностных слоев. В этом случае поток обмена жидкости, который содержит термин утечки, не требует явного определения.

Функции

Модель HGS представляет собой трехмерный симулятор конечных элементов с контрольным объемом, который предназначен для моделирования всей наземной части гидрологического цикла. Он использует глобально неявный подход для одновременного решения двумерного уравнения диффузионной волны и трехмерной формы уравнения Ричардса. HGS также динамически интегрирует ключевые компоненты гидрологического цикла, такие как испарение с голой почвы и водоемов, зависящая от растительности транспирация с поглощением корнями, таяние снега и замерзание/оттаивание почвы. Такие элементы, как макропоры, трещины и дренажи плиток, могут быть включены либо отдельно, либо с использованием рецептуры с двойной пористостью и двойной проницаемостью. Кроме того, HydroGeoSphere связана с Weather Research and Forecasting , мезомасштабной атмосферной моделью для полностью связанного моделирования недр, поверхности и атмосферы.

Другие модели подземных вод

• ФЕФЛОУ
• МОДФЛОУ
• OpenGeoSys

Внешние ссылки

• Официальный сайт