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HydroGeoSphere 紧密耦合地下水与地表水模拟(GMS)

 

 

HydroGeoSphere 水文循环耦合示意
图:HydroGeoSphere 中水文循环各组分的动态耦合

应用领域:完全耦合、变饱和地下水与地表水流动模拟(含蒸散发)
方法:有限元(Finite Element)
模型类型:三维(3D)
开发者:Aquanty Inc.

为何选择 HydroGeoSphere?

众所周知,地下水与地表水作为单一完整系统的一部分而流动。随着近年来计算能力的快速提升,以及 HydroGeoSphere 等先进模拟引擎的发展,如今已能够对水文循环在陆地范围内的全过程进行建模。

HGS 是全球最强大的综合水文模拟平台。HGS 是一款三维控制体积有限元模拟器,采用完全基于物理的方法来模拟地下水/地表水水文过程。HGS 采用全局隐式方法,同步求解用于漫流/地表水流动的二维扩散波方程,以及用于变饱和地下水流的三维 Richards 方程。

目前 GMS 的 HGS 接口支持 HydroGeoSphere 的二维地表水流、三维变饱和地下水流以及蒸散发模拟功能,为用户提供了在流域尺度上模拟水资源所需的全部过程。HGS 接口 for GMS 的后续版本将加入更多功能支持。

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HydroGeoSphere(HGS)简介

HGS 动态整合水文循环的关键组分,并可纳入地表过程,例如裸土蒸发、随植被演替的蒸腾、非饱和流、多孔及/或离散裂隙介质中的流动,以及在整个水文地球系统中的反应性溶质与热能运移。宏观孔隙、裂隙和瓦管排水可离散纳入,或采用双孔隙度、双渗透率的表述方式。该模型还能模拟冬季水文过程,如积雪/融雪以及孔隙水的冻结/解冻。

HydroGeoSphere 平台已进行并行化改造,可利用高性能计算设施应对具有挑战性的科学与工程问题,例如分析气候变化对流域、盆地及大陆尺度水资源的影响。

说明:GMS 的 HGS 接口支持 HGS 建模引擎最核心的功能,包括二维地表水流、三维变饱和地下水流与蒸散发。针对这些基础流动功能,提供了一整套边界条件与参数化工具。下述功能集(如溶质运移)并不代表通过 GMS 的 HGS 接口可提供的能力。如需额外的 HGS 功能,可通过原生 HGS 工作流实现(详情请联系 GMS 销售/技术支持)。例如,使用 GMS 的 HGS 接口建立的流动模型,可借助原生 HGS 工作流进行修改,以纳入溶质运移、密度依赖流、裂隙流等。GMS 后续版本的 HGS 接口可能会扩展所支持的 HGS 功能。

HydroGeoSphere 关键特性/功能

流域尺度模拟与预测
图:流域尺度的模拟与预测

地表与地下水建模(Surface and Groundwater Modeling)

  • 地表域表示为二维漫流。
  • 地下域由三维变饱和流组成。
  • 地表/地下域通过基于物理的流体交换相互作用。
  • 基于土地利用的随时间与空间变化的蒸散发。
  • 融雪对水文情势的影响。
  • 准确刻画与追踪潜水面位置。
  • 处理非积水或指定积水补给条件以及渗出面。
  • 以任意组合的孔隙、离散裂隙、双孔隙度与双渗透率介质表征裂隙地质材料。
  • 沿井筒的储水、溶质混合与变流量分布。
  • 密度依赖流与运移。

模型输出可视化
图:模型输出可视化

热能与溶质运移模拟(Thermal and Solute Transport Modeling)

  • 地表与地下中非反应性与反应性化学物种的运移模拟。
  • 相关地表与地下流场中的热量运移。
  • 准确处理裂隙与基质之间的流体与质量交换。
  • 基质扩散效应及基质中的溶质平流。
  • 计算水龄与溶质传输时间概率。

多尺度建模
图:多尺度建模

高级数值方法(Advanced Numerical Methods)

  • 对所有域采用完全隐式耦合方法,提供稳健、守恒的求解方案。
  • 先进的计算算法使代码能够在个人计算机上完成前所未有的、完全耦合的三维模拟。
  • 自适应时间步长方案,自动生成并控制时间步。
  • 流体与溶质质量平衡跟踪。
  • 非结构有限元网格。

HGS 应用界面

HGS 界面截图 1
图:HGS 软件界面 1/11

HGS 界面截图 2
图:HGS 软件界面 2/11

HGS 界面截图 3
图:HGS 软件界面 3/11

HGS 界面截图 4
图:HGS 软件界面 4/11

HGS 界面截图 5
图:HGS 软件界面 5/11

HGS 界面截图 6
图:HGS 软件界面 6/11

HGS 界面截图 7
图:HGS 软件界面 7/11

HGS 界面截图 8
图:HGS 软件界面 8/11

HGS 界面截图 9
图:HGS 软件界面 9/11

HGS 界面截图 10
图:HGS 软件界面 10/11

HGS 界面截图 11
图:HGS 软件界面 11/11

GMS 支持的模型

GMS 支持的实用工具

 

 


 

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