HYDRUS 水流和溶質(zhì)運移模擬軟件介紹

時間：2022-09-08作者：北京天演融智軟件有限公司瀏覽：440

HYDRUS是一個運行于Windows系統(tǒng)下的環(huán)境模擬軟件，主要用于變量飽和多孔介質(zhì)的水流和溶質(zhì)運移。HYDRUS包括用于模擬變量飽和多孔介質(zhì)下的水、熱和多溶質(zhì)運移的二維和三維有限元計算，包括一個參數(shù)優(yōu)化算法，用于各種土壤的水壓和溶質(zhì)運移參數(shù)的逆向估計。該模型互動的圖形界面，可進(jìn)行數(shù)據(jù)前處理、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的有限元網(wǎng)格生成以及結(jié)果的圖形展示。 (該軟件支持許多特殊的附加模塊來進(jìn)行擴(kuò)展。HYDRUS V5 于 2022 年 4 月發(fā)布，它合并了兩個先前獨立的軟件包 HYDRUS-1D（V4，用于一維應(yīng)用程序）和 HYDRUS (2D/3D)（V3，用于二維和三維應(yīng)用程序）。


 

HYDRUS一共五個版本，用戶可以選擇較適合自己版本。用戶可以選擇局限于一般功能的二維應(yīng)用（2D-Standard版本，與之前含有MeshGen-2D的Hydrus-2D功能一致）或者二維和三維應(yīng)用（如3D-Standard 或3D-Professional）。用戶也可以選擇相對簡單的（二維直角幾何圖形—3D-Lite, 與之前不含MeshGen-2D的Hydrus-2D功能一致）或三維的幾何立體圖形– 3D-Lite）或較復(fù)雜的幾何圖形（用于普通二維幾何圖形的2D-Standard或在二維基礎(chǔ)上以及分層三維的3D-Standard，以及用于普通三維幾何圖形的3D-Professional）。用戶也可以選擇從低版本升級到高版本。

 

標(biāo)準(zhǔn)計算模型 
HYDRUS是模擬變量飽和多孔介質(zhì)下的水、熱和多溶質(zhì)二維和三維運動的有限元計算模型。HYDRUS數(shù)值求解飽和非飽和水流的Richards方程和熱傳遞和溶質(zhì)運移的對流擴(kuò)散型方程。
水流方程包含一個下沉期，可導(dǎo)致植物根系吸水。熱傳遞方程考慮了水流傳導(dǎo)和對流運動。對流擴(kuò)散的溶質(zhì)運移方程的管理是一個非常普遍的形式，包括固體和液態(tài)非線性非平衡反應(yīng)的規(guī)定以及液體和氣體的線性平衡反應(yīng)。因此，不管是吸附溶質(zhì)還是揮發(fā)溶質(zhì)（如殺蟲劑）都已經(jīng)考慮到了。溶質(zhì)運移方程還包括了零階生產(chǎn)的影響、其他溶質(zhì)的獨立一級降解以及一階衰減和生產(chǎn)反應(yīng)，以便提供連續(xù)一級鏈中溶質(zhì)間所需的耦合。運移模擬也會引起液相對流和擴(kuò)散、氣相擴(kuò)散，因此次模型在液態(tài)和氣態(tài)條件下可同時模擬溶質(zhì)運移。目前HYDRUS較多可考慮15種溶質(zhì)，在單向鏈中耦合或溶質(zhì)間獨立運移。物理非平衡溶質(zhì)運移由雙區(qū)和雙重孔隙公式引起，并把液相分成移動和不可移動區(qū)域。附著和分離理論，包括過濾理論，病毒、膠質(zhì)和細(xì)菌運移的模擬也包含在其中。

 

HYDRUS可用來分析水質(zhì)和溶質(zhì)在非飽和、部分飽和或是飽和多孔介質(zhì)情況下的運動。HYDRUS可由不規(guī)則邊界處理水流區(qū)域，水流區(qū)域本身可能是由非均勻土壤組成具有局部各向異性任意程度。水流和運移可能發(fā)生在垂直面，也可能在水平面，具有徑向?qū)ΨQ性的垂直軸或三維區(qū)域。


模型的水流部分可以用來處理連續(xù)或時變的規(guī)定的方向和流量邊界，以及由氣象條件控制的邊界。土壤表面邊界條件在模擬從給定的流量到規(guī)定的方向類型條件期間可能會發(fā)生變化，反之亦然。它還可以通過水域飽和部分的剩余水量和不排水邊界條件處理自由面邊界。節(jié)點排水是由一個簡單的模擬實驗關(guān)系為代表。

對溶質(zhì)運移來說，軟件既支持連續(xù)和變化的規(guī)定濃度(Dirichlet或first-type)也支持濃度通量邊界(Cauchy或third-type)。彌散張量包含分子擴(kuò)散和曲折的結(jié)果反應(yīng)影響。

 

不飽和土壤水文屬性是由以下理論總結(jié)出來的，1980年的vanGenuchten、1964年的Brooks 和Corey、1994年的Durner、1995年的Kosugi和修正的vanGenuchten的型解析函數(shù)。這些修正內(nèi)容對接近飽和狀態(tài)的水利屬性做了進(jìn)一步的描述。HYDRUS軟件包含了由1983年Scottetal.以及1987年Kool 和 Parker引進(jìn)的結(jié)合實證模擬的滯變。這個模型假定干燥掃描曲線是從主要干燥曲線衍生而來的，濕潤掃描曲線是從主要濕潤曲線衍生而來的。HYDRUS還包括1991年的Lenhardetal.和1992年Lenhard和Parker的滯變模型，它通過跟蹤歷史逆轉(zhuǎn)點從而消除泵。HYDRUS在給定的土壤環(huán)境下可實行縮放過程已達(dá)到近似液壓變化，通過一組線性標(biāo)度變化工具，涉及個別土壤水力特性與參考土壤的關(guān)系。 

使用應(yīng)用到三角元素網(wǎng)絡(luò)中的Galerkin的線性有限元方法來求解控制方程。飽和和不飽和的狀態(tài)是通過有限差分格式集成實現(xiàn)的。結(jié)果方程是以迭代方式求解的，通過線性化和隨后的高斯消元法對帶狀矩陣、對稱矩陣的共軛梯度法或不對稱矩陣正交較小化方法。額外的措施來提高瞬態(tài)問題的求解效率，包括自動時間步調(diào)整和確保Courant和Peclet數(shù)字不**過預(yù)設(shè)水平。使用1990年Celiaetal.提出的質(zhì)量守恒法來評估水的含量。減少數(shù)值振蕩上行重量作為求解運移方程的選項包含在里面。

此外，HYDRUS可執(zhí)行Marquardt-Levenberg類型參數(shù)估計技術(shù)為選定的土壤進(jìn)行水力逆估計或溶質(zhì)運移以及測量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)流和運移數(shù)據(jù)（僅在2D版本中）。此過程允許估計幾個未知的參數(shù)，如觀察到的水含量、壓頭、濃度或瞬時或累積邊界通量(如滲透或流出數(shù)據(jù))。額外的保留或水力傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)以及約束優(yōu)化的參數(shù)補償函數(shù)，約束優(yōu)化的參數(shù)保持在可行域(貝葉斯估計)，可包含在參數(shù)估計過程中。

一個新的模塊模擬地下水流人工濕地的生化轉(zhuǎn)化和降解過程，此模塊是為HYDRUS 的二維應(yīng)用開發(fā)的(2005年的Langergraber和Simunek，2009年的Langergraberetal)。這個模塊認(rèn)為大量的物理、化學(xué)和生物過程活躍在濕地，包括生物化學(xué)降解和轉(zhuǎn)化過程三組分的**物質(zhì)(易降解、慢慢可生物降解和惰性)，四氮的化合物(銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽、和雙氮)、無機(jī)磷、異養(yǎng)和自養(yǎng)微生物,溶氧和/或硫，他們同時活躍而且相互影響。

 

附加模塊  （水流、運移和反應(yīng)模擬）

HP1, HP2模塊（1D, 2D）是 Hydrus（一維和二維部分）與 PHREEQC 地球化學(xué)代碼 [Parkhurst 和 Appelo，1999 年] 耦合的結(jié)果，并且對應(yīng)于類似一維模塊 HP1 [Jacques和 ?im?nek, 2005, 2010; Jacques et al., 2006, 2008]。除了2D之外，HP2 具有與 HP1相同的功能。HP2 包含模擬 (1) 瞬態(tài)水流、(2) 多組分傳輸、(3) 混合平衡/動力學(xué)生物地球化學(xué)反應(yīng)和 (4) 二維可變飽和多孔介質(zhì)（土壤）中的熱傳輸?shù)哪K。HP2 模塊的詳細(xì)描述在 HP2 用戶手冊 [?imnek et al., 2012] 中有介紹。
UNSATCHem模塊（1D, 2D,3D）主要是用來模擬運移和主要離子的反應(yīng)。UNSATCHEM模塊模擬變飽和多孔介質(zhì)中主要離子的運移（如鈣、鎂、鈉、鉀、SO4、碳酸氣和Cl)，包括主要離子平衡和非平衡化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。生成的代碼可用于預(yù)測土壤在瞬變流動中的主要離子化學(xué)、水和溶質(zhì)通量。 

Wetlands模塊（2D）是用來模擬人工濕地反應(yīng)的。人工濕地水處理系統(tǒng)的設(shè)計能優(yōu)化自然環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的處理過程。HYDRUS濕地模塊包括兩個biokinetic模型公式。而在原始濕地CW2D模塊中，考慮到了**物、氮和磷需氧和缺氧的轉(zhuǎn)換和降解過程，以及對新的CWM1模塊中需氧、缺氧和厭氧過程的**物，氮和硫的考慮。

C-Ride模塊（1D, 2D）用于模擬經(jīng)常發(fā)生的強烈吸附污染物的二維膠體的溶質(zhì)運移，（如重金屬、放射性核素、制藥、農(nóng)藥、炸藥)，主要與固相關(guān)聯(lián)，通常認(rèn)為它們是靜止不動的，但也可以吸附移動膠體粒子(例如微生物、腐殖物質(zhì)、懸浮粘土顆粒和金屬氧化物),可以作為污染物的載體，從而為這些污染物提供一個快速的運移途徑。
DualPerm模塊（1D, 2D）用于模擬雙滲透多孔介質(zhì)中二維可變飽和水運動和溶質(zhì)運移，即**和非平衡水分和溶質(zhì)運移。

FURROW模塊（2D）是一種混合有限體積-有限元（FV-FE）模型，它描述了在溝灌和施肥期間發(fā)生的地表-地下流的運移過程。該數(shù)值方法將明渠水流和溶質(zhì)運移的一維描述與地下土壤域水流和溶質(zhì)運移的二維描述相結(jié)合。

PFAS模塊（1D,2D）包括考慮到空氣-水界面的吸附和濃度對表面張力和粘度的影響的選項[Silva et al., 2020]。

Particle Tracking（1D）算法來自?im?nek [1991]，已被應(yīng)用到HYDRUS Zhou et al., 2021]。該模塊的結(jié)果可用于計算土壤剖面中不同位置的土壤水分運移時間和水齡。

COSMIC模塊（1D）由Brunetti et al. [2019] 開發(fā)，使用Shuttleworth et al. [2013]基于物理的COsmic線土壤水分相互作用代碼(COSMIC)計算地上中子通量。

DPU模塊（1D,2D）是由Brunetti et al. 2019, 2021, 2022]開發(fā)，可以用于模擬土壤-植物領(lǐng)域中性化合物的易位和轉(zhuǎn)化。

Fumigant模塊（1D,2D,3D）包括模擬熏蒸劑在土壤中的去向和運輸所需的選項，去除油布，根據(jù)油布的溫度特性，額外注入熏蒸劑Spurlock et al., 2013]。

 

附加模塊（1D應(yīng)用）

H1D 模塊（1D）對應(yīng)于1D標(biāo)準(zhǔn)HYDRUS版本，支持2D/3D HYDRUS版本（1D標(biāo)準(zhǔn)除外）中的一維應(yīng)用。

H1D Pro模塊（1D）通過以下附加模塊擴(kuò)展了一維應(yīng)用程序的功能：hydrus-modules Cosmic、DPU、C-Ride和PFAS。這些模塊只能與1D標(biāo)準(zhǔn)版或H1D附加模塊一起使用。

通過以下附加模塊擴(kuò)展了一維應(yīng)用程序的功能：hydrus-modules Cosmic、DPU、C-Ride 和 PFAS。這些模塊只能與 1D 標(biāo)準(zhǔn)版或 H1D 附加模塊一起使用。

 

附加模塊（軟件性能）

HYPAR模塊（2D, 3D）標(biāo)準(zhǔn)二維和三維HYDRUS計算模塊（h2d_calc.exe和h3d_calc.exe）的并行版本。HyPar使用并行編程工具和技術(shù)利用多核，并在多核處理器計算機(jī)上加速計算。HyPar目前只支持直接模式下的計算（不支持反向模式），不支持任何附加模塊（例如HP2、UnsatChem、Wettle和/或C-Ride）。HyPar模塊在“程序選項”對話框窗口的“程序”選項卡上初始化。

 

附加模塊（邊坡應(yīng)力與穩(wěn)定性）

SLOPE Cube模塊（2D,3D）被用來為飽和和非飽和條件提供統(tǒng)一的有效應(yīng)力方法[Lu et al., 2010]。該模塊旨在預(yù)測空間和時間滲透誘發(fā)的滑坡起始時間，并在可變飽和土壤條件下進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。從HYDRUS模型直接獲得瞬態(tài)濕度場和壓頭場，隨后用于計算山坡的有效應(yīng)力場[Lu和Godt, 2013]。此外，在經(jīng)典的邊坡穩(wěn)定性分析中，SLOPE Cube模塊計算在整個山坡范圍內(nèi)整個區(qū)域的安全系數(shù)場 [Lu et al., 2012], 從而識別潛在失效表面區(qū)域或表面的情況。

Slope Classic模塊（2D）主要用于路堤、大壩、土石方和錨定擋板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性檢查。使用孔隙壓力分布對水的影響進(jìn)行建模，孔隙壓力是在*時間從HYDRUS結(jié)果中自動導(dǎo)入的?？梢苑謩e分析水流分配的每個時間步長。


圖形用戶界面 
一個基于微軟Windows圖形用戶界面(GUI)管理的運行HYDRUS的輸出需求，以及網(wǎng)格設(shè)計和編輯、參數(shù)配置、問題執(zhí)行和結(jié)果可視化。HYDRUS還包括一組控件，允許用戶創(chuàng)建一個流和運移模型，并對運行中的圖形進(jìn)行分析。使用空間和橫截面查看和線圖來檢查輸入和輸出。HYDRUS圖形用戶界面的主程序單元定義了系統(tǒng)整體的計算環(huán)境。這個主模塊控制程序的執(zhí)行并確定哪些其他可選的工具是必要的。該模塊還包含一個項目管理器和兩個預(yù)處理和后處理單元。預(yù)處理單元包括所有必要的參數(shù)規(guī)格,如成功運行HYDRUS FORTRAN語言代碼、相對簡單的矩形和六面體傳輸域的網(wǎng)格生成器、用于非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格的復(fù)雜二維和三維域的網(wǎng)格生成器、一個小目錄的土壤水力屬性和從土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的Rosetta Lite程序生成土壤水力屬性。 
自動生成有限元網(wǎng)格 
數(shù)據(jù)預(yù)處理涉及二維流動區(qū)域規(guī)范，具有任意形狀連續(xù)的折線、圓弧、樣條函數(shù)、域邊界的離散化和一個非結(jié)構(gòu)化的有限元網(wǎng)格的下一個版本。HYDRUS（標(biāo)準(zhǔn)版）帶有一個可選的網(wǎng)格生成程序，Meshgen可以生成一個非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格的二維域。HYDRUS基于Delaunay推論，已經(jīng)被無縫集成到HYDRUS環(huán)境里了。在沒有Meshgen程序的情況下，HYDRUS GUI提供了一個簡單、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的自動構(gòu)建選項(Lite版本)。三維版本是在Lite和Standard版本下添加了*的相同或不同厚度的層數(shù)。HYDRUS 3D專業(yè)版有一個三維網(wǎng)格生成程序(GENEX和T3D)，為通用三維域生成非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格。





后處理
輸出圖形包括水含量、流速、濃度、溫度在空間或橫斷面視圖的2D等高線（等值線或彩色光譜）。圖形輸出還包括速度矢量圖、彩色邊緣、顏色的點、連續(xù)的時間步的圖形顯示和動畫以及選定的邊界或內(nèi)部截面線圖。用戶可以將感興趣的區(qū)域縮放，橫截面視圖的垂直刻度也可以放大。網(wǎng)格還可以展示邊界和編號的三角形、邊緣和點。觀察點可以添加到網(wǎng)格的任何地方。網(wǎng)格和/或空間分布結(jié)果(壓力頭、水含量、速度、濃度和溫度)的視圖都使用高分辨率彩色或灰階值。界面還包括一個內(nèi)容豐富的在線幫助菜單。

 域和有限元網(wǎng)格區(qū)域 

為了簡化復(fù)雜的運移幾何圖形的工作，這些圖形可以劃分為簡單的部分稱為Section. 只有這些簡單的部分可以在視圖窗口中顯示,而剩下的部分被隱藏。一共有兩種類型的Section:基于幾何對象的和基于有限元網(wǎng)格的?？梢酝瑫r顯示多個section。使用各種命令可以切斷和隱藏不需要的運移區(qū)域部分。

系統(tǒng)要求

適用于較新版本的 HYDRUS 5.x。舊版本的 HYDRUS（版本 1.x - 3.x）不再維護(hù)，可能與較新的 Windows 操作系統(tǒng)不兼容。

Minimum System Requirements:

Operating Systems:

? Windows 11 (64-bit)

? Windows 10 (64-bit)

? Windows 8 (64-bit)

 

X64 CPU with 2 GHz

2 GB RAM

10 GB total hard disk capacity with about 500 MB reserved for installation

Graphic card with a resolution of 1280 x 800 pixels

 

Recommended System Configuration:

為了較好地使用 HYDRUS 模擬 3D 模型，我們建議滿足以下系統(tǒng)要求：

Operating System Windows 10 (64-bit)

? CPU: 4-core or better. The single-core performance is more important than the number of cores.

? RAM: 16 GB or better

? 500 GB hard disk capacity

? Graphics: resolution 1920x1200 or better, a good graphic card with OpenGL support - ATI/NVIDIA




北京天演融智軟件有限公司（科學(xué)軟件網(wǎng)）是 HYDRUS 軟件在中國的授權(quán)經(jīng)銷商，為中國的用戶提供優(yōu)質(zhì)的軟件銷售和培訓(xùn)服務(wù)。








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