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• HydroGeoSphere（HGS）是一种三维控制体积有限元地下水模型，基于对地表和地下流动状态组成的水文系统的严格概念化。该模型旨在考虑水文循环的所有关键组成部分。对于每个时间步，该模型同时解决地表和地下流动，溶质和能量传输方程，并提供完整的水和溶质平衡。为了完成综合分析，HydroGeoSphere采用严格的，质量保守的建模方法，将表面流动和传输方程与3D，可变饱和地下流动和传输方程完全耦合。这种方法比依赖于单独的表面和地下建模代码的链接的先前联合方法更加稳健。
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• 地下水流
• HydroGeoSphere假设在模拟期间总是求解多孔介质中的地下流动方程，无论是完全饱和还是可变饱和的流动条件。地下流动方程可以扩展到包含离散裂缝，第二个相互作用的多孔连续体，井，瓦排水沟和地表流。对地下流量进行了以下假设：
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• 流体基本上是不可压缩的。
• 多孔介质和裂缝（或大孔）（如果存在的话）是不可变形的。
• 该系统处于等温条件下。
• 空气相是无限移动的。
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• 地表水流
• 地表面的水流在HydroGeoSphere由二维深度平均流方程，这是扩散波近似表示浅水方程表面水流。HydroGeoSphere的地表水流量组件通过以下假设实施：
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• 深度平均流速
• 静水压力垂直分布
• 温和的坡度
• 主要的底部剪切应力。
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• 表面-次表面耦合
• HrdroGeoSphere的二维面积流动模块遵循与地下模块使用的空间和时间离散相同的约定。当求解两个域时（即节点的x和y位置对于每个节点层是相同的），表面流动方程在堆叠在地下网格上的2D有限元网格上求解。对于叠加，为地下区域生成的网格对于表面流动节点是镜像的，其中表面流动节点高度对应于地下网格的顶部活动层的顶部高程。注意，表面流动节点高度可以显著变化以符合地形。然而，扩散波方程中固有的小斜率假设将不允许对惯性效应进行建模。
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• 离散化的表面方程通过叠加（共同节点方法）或通过表面皮层（双节点方法）的泄漏与3D地下流动方程耦合。对于这两种方法，表面和地下流动状态的完全隐式耦合提供了水的运动的整体视图，而不是传统的表面和地下状态划分。因此，跨越陆地表面的通量是一个自然的内部过程，允许水在表面和地下流动系统之间移动，由局部流动流体动力学控制，而不是在界面处使用物理人工边界条件。当通过叠加提供地下连接时，HydroGeoSphere将二维表面网格的表面流动方程项添加到地下节点顶层的表面流动方程项。
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• HGS还动态地整合了水文循环的关键组成部分，例如裸露土壤和水体政法，植被依赖性蒸腾作用，根系吸收，融雪和土壤冻融。宏观孔隙，裂缝和瓦片排水沟等特征可以单独使用，也可以采用双孔，双渗透配方。
• 表面和次表面：
• 表面域表示为2-D陆地流
• 次表面域由3-D不饱和/饱和流动组成
• 表面/次表面域通过基于物理的流体交换相互作用
• 基于土地利用的时间和空间变化的蒸散量
• 融雪对水文状况的影响
• 准确描绘和跟踪地下水位
• 处理非积水或规定的积水补给条件和渗水面
• 用于地下的多孔，离散裂缝，双孔隙和双渗透介质任意组合的裂缝地质材料的表示
• 储存，溶质混合和沿井筒的可变量分布
• 密度依赖的流动和运输
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• 质量和热量传输：
• 模拟非反应性和活性化学物质的运输，以及相关地表和地下流场的热传输
• 准确处理裂缝和基质之间的流体和质量交换，包括基质扩散效应和基质中饿溶质平流
• 计算水龄和溶质运移时间概率
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• 数值方法：
• 所有域的完全隐式耦合方法提供了稳健的，大规模保守的解决方案
• 先进的计算算法，允许代码在个人计算机上执行前所未有的，完全集成的3D模拟/动画
• 具有自动生成和控制时间步长的自适应时间步进方案
• 流体和溶质质量平衡跟踪
• 非结构化有限元网格
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• 功能：
• HydroGeoSphere是一种三维控制体积有限元模拟器，采用有限元法进行空间离散。用于水文系统工程项目中多孔介质或裂隙多孔介质中的地下水流和溶质运移的模拟。它使用全局隐式方法同时求解2D扩散波方程和Richards方程的3D形式。HGS还动态整合水文循环的关键组成部分，如裸露土壤和水体蒸发，植被依赖性蒸腾作用，根系吸收，融雪和土壤冻融。宏观孔隙，裂缝和瓦片排水沟等特征可以单独使用，也可以采用双孔隙，双渗透性配方。
  
• 应用范围：
• 水资源综合评估和流域水文特征分析。
• 土地使用和气候变化对地表和地下水的影响。
• 污染物在地表和地下水中的运移。
• 调查分析裂隙掩体水文特性。
• 洪灾区域水文分析。
• 河流水文分析。