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• HydroGeoSphere（HGS）是一種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組成的水文系統的嚴格概念化。該模型旨在考慮水文循環的所有關鍵組成部分。對于每個時間步，該模型同時解決地表和地下流動，溶質和能量傳輸方程，并提供完整的水和溶質平衡。為了完成綜合分析，HydroGeoSphere采用嚴格的，質量保守的建模方法，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合方法更加穩健。
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• 地下水流
• HydroGeoSphere假設在模擬期間總是求解多孔介質中的地下流動方程，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體，井，瓦排水溝和地表流。對地下流量進行了以下假設：
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• 流體基本上是不可壓縮的。
• 多孔介質和裂縫（或大孔）（如果存在的話）是不可變形的。
• 該系統處于等溫條件下。
• 空氣相是無限移動的。
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• 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：
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• 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。
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• 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（即節點的x和y位置對于每個節點層是相同的），表面流動方程在堆疊在地下網格上的2D有限元網格上求解。對于疊加，為地下區域生成的網格對于表面流動節點是鏡像的，其中表面流動節點高度對應于地下網格的頂部活動層的頂部高程。注意，表面流動節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。
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• 離散化的表面方程通過疊加（共同節點方法）或通過表面皮層（雙節點方法）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的完全隱式耦合提供了水的運動的整體視圖，而不是傳統的表面和地下狀態劃分。因此，跨越陸地表面的通量是一個自然的內部過程，允許水在表面和地下流動系統之間移動，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將二維表面網格的表面流動方程項添加到地下節點頂層的表面流動方程項。
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• HGS還動態地整合了水文循環的關鍵組成部分，例如裸露土壤和水體政法，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，雙滲透配方。
• 表面和次表面：
• 表面域表示為2-D陸地流
• 次表面域由3-D不飽和/飽和流動組成
• 表面/次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任意組合的裂縫地質材料的表示
• 儲存，溶質混合和沿井筒的可變量分布
• 密度依賴的流動和運輸
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• 質量和熱量傳輸：
• 模擬非反應性和活性化學物質的運輸，以及相關地表和地下流場的熱傳輸
• 準確處理裂縫和基質之間的流體和質量交換，包括基質擴散效應和基質中餓溶質平流
• 計算水齡和溶質運移時間概率
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• 數值方法：
• 所有域的完全隱式耦合方法提供了穩健的，大規模保守的解決方案
• 先進的計算算法，允許代碼在個人計算機上執行前所未有的，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
• 流體和溶質質量平衡跟蹤
• 非結構化有限元網格
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• 功能：
• HydroGeoSphere是一種三維控制體積有限元模擬器，采用有限元法進行空間離散。用于水文系統工程項目中多孔介質或裂隙多孔介質中的地下水流和溶質運移的模擬。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還動態整合水文循環的關鍵組成部分，如裸露土壤和水體蒸發，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。
  
• 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。
• 調查分析裂隙掩體水文特性。
• 洪災區域水文分析。
• 河流水文分析。