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HydroGeoSphere（HGS）是功能強大的地表和地下水集成建模軟件解決方案，HGS是一個三維控制體積有限元地下水模型，基于對地表和地下流動狀態(tài)組成的水文系統(tǒng)的嚴格概念化。該模型旨在考慮水文循環(huán)的關鍵組成部分。對于每個時間步，該模型同時解決地表和地下流動，溶質(zhì)和能量傳輸方程，并提供完整的水和溶質(zhì)平衡。為了完成綜合分析，HydroGeoSphere采用嚴格的，質(zhì)量保守的建模方法，將表面流動和傳輸方程與3D，可變飽和地下流動和傳輸方程完全耦合。這種方法比依賴于單獨的表面和地下建模代碼的鏈接的先前聯(lián)合方法更加穩(wěn)健。
HGS動態(tài)地整合了水文循環(huán)的關鍵組成部分，并且可以納入陸地表面過程，例如從裸露的土壤蒸發(fā)，植被不斷蒸騰的蒸騰作用，非飽和流，多孔和/或離散的裂隙介質(zhì)中的流以及整體中的反應性溶質(zhì)和熱能傳輸水文地球圈。大孔，裂縫和瓷磚排水孔可以不連續(xù)的摻入，也可以使用雙重孔隙度，雙重滲透性配方來摻入。該模型還可以模擬冬季的水文過程，例如積雪/融化和孔隙水凍結(jié)/融化。
該HydroGeoSphere平臺已經(jīng)并行利用高性能計算設施，并解決挑戰(zhàn)性的科學和工程問題，如在分析氣候變化對流域、盆地和大陸尺度水資源的影響。
地下水流
HydroGeoSphere假設在模擬期間總是求解多孔介質(zhì)中的地下流動方程，無論是完全飽和還是可變飽和的流動條件。地下流動方程可以擴展到包含離散裂縫，第二個相互作用的多孔連續(xù)體，井，瓦排水溝和地表流。對地下流量進行了以下假設：
流體基本上是不可壓縮的。
多孔介質(zhì)和裂縫（或大孔）（如果存在的話）是不可變形的。
該系統(tǒng)處于等溫條件下。
空氣相是無限移動的。
地表水流
地表面的水流在HydroGeoSphere由二維深度平均流方程，這是擴散波近似表示淺水方程表面水流。HydroGeoSphere的地表水流量組件通過以下假設實施：
深度平均流速
靜水壓力垂直分布
溫和的坡度
主要的底部剪切應力。
表面-次表面耦合
HrdroGeoSphere的二維面積流動模塊遵循與地下模塊使用的空間和時間離散相同的約定。當求解兩個域時（即節(jié)點的x和y位置對于每個節(jié)點層是相同的），表面流動方程在堆疊在地下網(wǎng)格上的2D有限元網(wǎng)格上求解。對于疊加，為地下區(qū)域生成的網(wǎng)格對于表面流動節(jié)點是鏡像的，其中表面流動節(jié)點高度對應于地下網(wǎng)格的頂部活動層的頂部高程。注意，表面流動節(jié)點高度可以顯著變化以符合地形。然而，擴散波方程中固有的小斜率假設將不允許對慣性效應進行建模。
離散化的表面方程通過疊加（共同節(jié)點方法）或通過表面皮層（雙節(jié)點方法）的泄漏與3D地下流動方程耦合。對于這兩種方法，表面和地下流動狀態(tài)的完全隱式耦合提供了水的運動的整體視圖，而不是傳統(tǒng)的表面和地下狀態(tài)劃分。因此，跨越陸地表面的通量是一個自然的內(nèi)部過程，允許水在表面和地下流動系統(tǒng)之間移動，由局部流動流體動力學控制，而不是在界面處使用物理人工邊界條件。當通過疊加提供地下連接時，HydroGeoSphere將二維表面網(wǎng)格的表面流動方程項添加到地下節(jié)點頂層的表面流動方程項。
特征：
地表水和地下水建模
表面區(qū)域表示為2D陸上水流
地下區(qū)域由3D可變飽和流組成
表面/亞表面域通過基于物理的流體交換相互作用
基于土地利用的時間和空間變化的蒸散量
融雪對水文狀況的影響
準確描繪和跟蹤地下水位
處理非積水或規(guī)定的積水補給條件和滲水面
用于地下的多孔，離散裂縫，雙孔隙和雙滲透介質(zhì)任意組合的裂縫地質(zhì)材料的表示
儲存，溶質(zhì)混合和沿井筒的可變量分布
密度依賴的流動和運輸
熱和溶質(zhì)運移建模：
模擬非反應性和反應性化學物質(zhì)在表面和地下的遷移
在相關的表面和地下流場中的熱傳遞
準確處理裂縫和基質(zhì)之間的流體和質(zhì)量交換
基于擴散效應和基質(zhì)中的溶質(zhì)對流
計算水齡和溶質(zhì)遷移時間概率
數(shù)值方法：
域的完全隱式耦合方法提供了穩(wěn)健的，質(zhì)量守恒的解決方案
優(yōu)異計算算法，使代碼可以在個人計算機上執(zhí)行完全集成的3D模擬/動畫
具有自動生成和控制時間步長的自適應時間步進方案
流體和溶質(zhì)質(zhì)量平衡跟蹤
非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格
功能：
HydroGeoSphere是一種三維控制體積有限云模擬器，采用有限元法進行空間離散。用于水文系統(tǒng)工程項目中多孔介質(zhì)或裂隙多孔介質(zhì)中的地下水流和溶質(zhì)運移的模擬。它使用全局隱式方法同時求解2D擴散波方程和Richards方程的3D形式。HGS還動態(tài)整合水文循環(huán)的關鍵組成部分，如裸露土壤和水體蒸發(fā)，植被依賴性蒸騰作用，根系吸收，融雪和土壤凍融。宏觀孔隙，裂縫和瓦片排水溝等特征可以單獨使用，也可以采用雙孔隙，雙滲透性配方。
HydroGeoSphere的特有功能是，當以完全集成的模式模擬水流時，允許將來自降雨輸入的水分配為陸上和溪流，蒸發(fā)，滲透，補給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類的特征。也就是說，完全耦合的數(shù)值解方法允許每個時間步上同時求解表面流動狀態(tài)和可變飽和流動狀態(tài)。
該方法還允許溶解的溶質(zhì)在地表和地下流動域之間自然交換，從而在兩種方案的每個時間步也同時溶解溶質(zhì)濃度。這使HydroGeoSphere成為一種特有且理想的工具，以逼真的，基于物理的方式模擬流域內(nèi)水和溶質(zhì)的運動。
HydroGeoSphere使用控制體積有限元方法來模擬地表和地下耦合的流動和傳輸?？梢詫勺冿柡偷牧芽p性或粒狀含水層進行完整的3D模型。HydroGeoSphere提供了多種離散選項，范圍從簡單的矩形和軸對稱區(qū)域到具有復雜幾何形狀和分層的不規(guī)則區(qū)域。
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應用范圍：
水資源綜合評估和流域水文特征分析。
土地使用和氣候變化對地表和地下水的影響。
污染物在地表和地下水中的運移。
調(diào)查分析裂隙掩體水文特性。
洪災區(qū)域水文分析。
河流水文分析。
特征
二維地表徑流模擬
三維變薄和流模擬
裂隙或渠道中的三維流場模擬
穩(wěn)定流/非穩(wěn)定流模擬
平流和彌散過程模擬
密度流模擬
