地下水热运移软件HST3D简介
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发布时间：2022-04-23 21:50
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时间：2023-10-10 23:51
以各种条件下的水热耦合数学模型为基础，国际上开发了大批可用于地下水热运移模拟的软件，如HST3D、FEFLOW、SWI FT、AQUA3D、SUTRA、TOUGH2、AST、HYDRUS-2D/3D、VS2DH、SVheat、TWOW、Tradikon、GWMS、Geo Studio等。这些软件各有特点，有的仅适用于饱和带模拟，有的则能同时处理饱和带和非饱和带热运移问题，有的还能处理裂隙介质和双重介质问题，其中一些同时考虑了密度和黏滞度随温度的变化。它们所采用的数值模拟方法主要为有限元法和有限差分法。结合此次研究所要解决的问题，选取HST3D作为模拟软件。
HST3D（Heat-and Solute-Transport Prog ram）为美国地质调查局开发，是一套基于有限差分的用于模拟三维饱和地下水流系统中水流及相关热、溶质运移的程序，适用于研究分析污水回灌、污染物运移、海水入侵、卤水处置、咸水含水层中淡水贮藏、含水层储热以及地下热水系统等问题。
该软件考虑了密度及黏滞度随温度的变化，不考虑化学反应产生的热变及多孔介质的热扩散，能处理降雨入渗、蒸发、河流渗漏及自由表面存在的各种一、二、三类边界条件，对井孔局部渗流采用比常规模型更精细准确的算法，并允许采用直角和圆柱两种坐标系以及不等距剖分。其源代码用Fortran77语言编写，用户可以根据实际问题的需求，对程序进行添加、修改或删除相应模块等。
HST3D也有一些应用的局限性：它所模拟的范围只能是规则的矩形区域；由于采用有限差分方法进行时间和空间的离散，当横向或纵向弥散度很小时，应用HST3D构建模型时网格必须剖分到足够小，以避免程序不收敛或产生数值震荡；同一个剖分单元中只能设置一口井；等等。其最大的不便之处在于软件是DOS版本，数据的输入需要固定的格式要求；在处理连续变化的井流量和温度时，需要把模拟时期分为若干时段，每个时段都有一个独立的输入文件，前一时段模拟结束后，再人工启动下一时段的模拟。这样一来，需要事先准备好一系列不同时段的输入文件，给前处理工作带来了很大的麻烦。
美国地质调查局开发的Argus Open Numerical Environments（Argus ONE）集成了HST3D模块，具有很好的三维可视化界面，并且集成了CAD、GIS、数据库、概念建模、地质统计、自动网格剖分等多种强大功能。中国地质大学（北京）王旭升（2008）也在HST3D基础上开发了具有可视化前后处理界面的Flowheat软件，适用于小区域热运移模拟。
HST3D目前在国内应用较广泛。张远东等（2006a,b）以北京某地下水源热泵空调系统为例，用该程序建立了地下水流和热运移三维模拟模型，对模拟区未来长期地温场的演化情况进行了模拟预测；刘立才等（2007）探讨并评价了系统抽、灌井布局和系统运行过程中地下水温度场的变化以及由此引起的“热突破”效应；丛晓春等（2007a,b）对一抽两灌井下承压含水层中水－热运移的温度场、压力场进行数值模拟，分析了不同工况下的含水层温度变化，并计算了含水层的热存储效率。
