水文地球化学模拟分析软件

一、软件概述

HYDROGEOCHEM 是一款用于模拟饱和-非饱和介质中水文传输与地球化学反应耦合的专业数值模型。其核心目标是模拟瞬态和稳态密度相关的流场与温度分布，并计算地下介质中反应性多物种化学组分的瞬态与稳态分布。

该软件不是路径模型，而是真实的传输模型，同时伴随均相和异相地球化学反应。它可以在三维平面上计算压头、含水量、流速及总压头分布，并预测多种化学成分的时空分布。介质可根据需要由具有不同材料属性的多种类型土壤和地质单元组成，每种土壤可以是各向同性或各向异性的。

二、两个主要版本

HYDROGEOCHEM 目前包含两个主要版本：

1. HYDROGEOCHEM 1

HYDROGEOCHEM 1 是饱和-非饱和介质中水文传播与地球化学反应的耦合模型。它旨在模拟水成分的瞬态和稳态传输，以及吸附剂成分和离子交换部位的瞬态与稳态质量平衡。软件沿传输路径计算以下物种分布：

• N 组分物种

• Mx 复杂物种

• My 吸附物种

• Mz 离子交换物质

• Mp 可能沉淀的物质

物理、水文与化学设置包括：

• 介质：非均质和各向异性

• 水流条件：饱和-非饱和流

• 水文过程：对流、扩散

• 化学过程：水络合、吸附/解吸（表面络合、恒定电容和双层方法）、离子交换、沉淀/溶解、氧化还原及酸碱反应

• 源/汇：时空相关的元素源和点源

数值方法：采用 Galerkin 有限元方法（四边形元素、三角形元素或两者混合），时间离散支持隐式差分、Crank-Nicholson 中心差分或中间差分。地球化学反应求解采用牛顿-拉夫逊全旋转解雅可比矩阵方程和物种浓度约束。

求解器选项：直接求解器、基本点迭代，以及四种预条件共轭梯度法（多项式 PCG、不完全 Cholesky PCG、修改的不完全 Cholesky PCG、对称连续超松弛 PCG）。

2. HYDROGEOCHEM 2

HYDROGEOCHEM 2 是对第一版的修改，用 KEMOD（混合化学动力学与平衡模型） 替换了原 EQMOD 化学平衡子程序，可处理浓度受热力学或动力学控制的物质。

基本反应类型（均支持平衡控制和动力学控制）：

• 络合反应

• 吸附/解吸反应

• 离子交换反应

• 沉淀/溶解反应

• 平行动力学反应

新增功能：

• 胶体迁移模拟

• 处理时空分布源及点源

• 处理 Dirichlet 边界上规定的瞬态浓度

• 处理可变边界上随时间变化的流量

• 支持控制方程中的非对角线色散张量分量

• 提供两种质量矩阵处理方法（一致和集中）

• 三种非线性矩阵估计选项（正确、欠估计、过渡）

• 同时支持四边形和三角形单元

• 当边界条件或源突然改变时自动重试时间步长

三、主要功能特点

• 处理异质和各向异性介质

• 考虑时空分布源以及点源

• 接受规定的初始条件，或通过模拟稳态版本获得初始条件

• 处理分布在 Dirichlet 边界上的规定瞬态浓度

• 处理可变边界面上随时间相关的通量

• 处理 Cauchy 边界上时间相关的总通量

• 支持水络合、沉淀/溶解、吸附、离子交换、氧化还原和酸碱反应

• 处理多个吸附位点和多个离子交换位点

• 胶体迁移模拟

四、软件局限性

用户在使用 HYDRGOGEOCHEM 时需注意以下限制：

• 无法模拟共沉淀（固体）

• 无法模拟可能转化地下环境中污染物的微生物反应

• 需要输入由地下水流模型生成的流速、含水量和压头等水文变量

• 恒定边界条件假设

• 仅适用于二维问题

• 仅适用于单流体相流

五、运行环境要求

• 硬件：Pentium 级处理器或工作站（如 IBM RS6000、DEC Alpha、Silicon Graphics、Sun SparcStation、HP 9000 系列）

• 内存：16 MB RAM

• 编译器：FORTRAN 编译器