HYDRUS—水流和溶質運移的模擬軟件

HYDRUS 5—水流和溶質運移的模擬軟件
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軟件簡介

HYDRUS 是一個軟件包，用于模擬二維和三維可變飽和介質中的水、熱和溶質運動。該軟件包由一個計算計算機程序和一個基于圖形的交互式用戶界面組成。簡介和程序說明中給出了 HYDRUS 的簡要說明。用戶和技術手冊中提供了更詳細的信息。我們的核心產品 HYDRUS 目前正被來自世界各地的 2000 多家公司和機構使用。包括近 50% 的2014 年世界 100 強大學。

HYDRUS 版本 5于 2022 年 4 月發布，它合并了兩個先前獨立的軟件包HYDRUS-1D（版本 4，用于一維應用程序）和HYDRUS (2D/3D)（版本 3，用于二維和三維應用程序）。

HYDRUS是一個基于 Microsoft Windows 的建模環境，用于分析可變飽和多孔介質中的水流和溶質遷移。該軟件包包括計算有限元模型，用于模擬水、熱和多種溶質在可變飽和介質中的二維和三維運動。該模型包括一個參數優化算法，用于反向估計各種土壤水力和/或溶質傳輸參數（僅在 2D 中，僅適用于標準模塊）。該模型由基于圖形的交互式界面支持，用于數據預處理、結構化和非結構化有限元網格的生成以及結果的圖形表示。

一維和多維軟件包都可以用數值法求解飽和非飽和水流的Richard方程和熱量、溶質運移的對流－彌散方程。水流方程中加入了一個匯項，用來解釋植物根系對水分的吸取。溶質運移方程考慮液相的對流－彌散作用和氣相的擴散作用，溶質運移方程還包括固－液相間的非線性不平衡反應、氣液－兩相線性平衡反應、零階反應、一階降解反應，以及連續一階衰變鏈。

此外，物理非平衡溶質運移可以通過假定一種雙區模式來解釋，即雙重孔隙將液相分離為流動區和不流動區。軟件包還考慮了固著/分離理論，包括滲透理論，能夠模擬病原體、膠體和細菌的運移。一維和二維版本采用了Marquardt-Levenberg參數優化算法，根據實測的非穩定流或穩定流以及運移數據，進行土壤動力學、熱量、溶質運移以及反應參數的逆向估計。交互式圖形化用戶界面支持數據的前處理、有限單元格生成以及結果的圖形化顯示。

HYDRUS 級別

HYDRUS 分布在多個不同版本（級別）中，因此用戶只能獲取最適合其應用程序的那部分軟件。用戶可以選擇僅限于一維應用（1D-Standard Level）、一般二維應用（2D-Standard Level，對應于之前的 Hydrus-2D 和 MeshGen-2D）或二維和三維應用的軟件。尺寸應用程序（即3D 標準或3D 專業）。用戶還可以選擇相對簡單的（二維矩形幾何形狀 - 2D-Lite[對應于沒有 MeshGen-2D 的以前的 Hydrus-2D] 或三維六面體幾何 - 3D-Lite）或更復雜的幾何（即，2D 標準用于一般二維幾何，3D 標準用于可以定義的問題使用一般二維基礎和分層三維，或3D-Professional用于具有一般三維幾何形狀的應用程序）。

版本	描述
1D-Standard	一維簡單域
2D-Lite	簡單（矩形）二維幾何的二維應用。二維簡單域，結構化有限元網格。
2D-Standard	一般二維幾何的二維應用。二維一般域，非結構化 FE-Mesh
3D-Lite	2D-Lite 的所有功能，以及用于簡單（六面體）3D 幾何形狀的 3D 應用程序。
3D-Standard	2D 標準版的所有功能，以及由具有可變厚度的通用 2D 基域組成的分層 3D 幾何形狀的 3D 應用。
3D-Professional	3D 標準的所有功能，以及一般 3D 幾何形狀的 3D 應用程序。

圖形用戶界面

基于 Microsoft Windows 的圖形用戶界面 (GUI) 管理運行 HYDRUS 所需的輸入，以及網格設計和編輯、參數分配、問題執行和結果可視化。該程序包括一組控件，允許用戶構建流和傳輸模型，并動態執行圖形分析。輸入和輸出都可以使用空間或橫截面視圖和折線圖進行檢查。HYDRUS 圖形用戶界面的主程序單元定義系統的整體計算環境。此主模塊控制程序的執行并確定特定應用程序需要哪些其他可選工具。該模塊包含一個項目經理以及預處理和后處理單元。預處理單元包括成功運行 HYDRUS FORTRAN 代碼所需的所有參數規范、相對簡單的矩形和六面體傳輸域的網格生成器、用于復雜二維和三維域的非結構化有限元網格的網格生成器、小型土壤水力特性目錄，以及用于從土壤紋理數據生成土壤水力特性的 Rosetta Lite 程序。

自動生成有限元網格

數據預處理涉及二維流動區域規范，具有任意形狀連續的折線、圓弧、樣條函數、域邊界的離散化和非結構化的有限元網格的下一個版本。HYDRUS(標準版)帶有可選的網格生成程序，Meshgen可以生成非結構化有限元網格的二維域。HYDRUS基于Delaunay推論，已經被集成到HYDRUS環境里了。在沒有Meshgen程序的情況下，HYDRUSGUI提供了簡單的、結構化網格的自動構建選項(Lite版本)。三維版本是在Lite和Standard版本下添加了指定的相同或不同厚度的層數。HYDRUS3D Pro版有三維網格生成程序(GENEX和T3D)，為通用三維域生成非結構化有限元網格。 ?

后期處理

輸出圖形水含量、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、連續的時間步的圖形顯示和動畫以及選定的邊界或內部截面線圖。用戶可以將感興趣的區域縮放，橫截面視圖的垂直刻度也可以放大。網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格的地方。網格和/或空間分布結果(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。界面還包括一個內容豐富的在線幫助菜單。

域和 FE-Mesh 截面

為了簡化復雜的運移幾何圖形的工作，這些圖形可以劃分為的部分稱為Section。這些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格的?？梢酝瑫r顯示多個section。使用命令可以切斷和隱藏要的運移區域部分。

附加模塊

模塊名稱	流動、運輸和反應模擬
H1D	該模塊對應于 1D-Standard HYDRUS 版本，并在 2D/3D HYDRUS 版本（1D-Standard 除外）中啟用一維應用程序。H1D (HYDRUS-1D) 模塊是一個有限元模型，用于模擬水、熱和多種溶質在可變飽和介質中的一維運動。
H1D Pro	這個附加包通過以下附加模塊擴展了一維應用程序的功能：Cosmic、DPU、C-Ride 和 PFAS。這些模塊只能與 1D 標準版或 H1D 附加模塊一起使用。
Wetland-2D	用來模擬人工濕地反應的。人工濕地水處理系統的設計能自然環境中發現的處理過程。HYDRUS濕地模塊包括兩個biokinetic模型公式。而在原始濕地CW2D模塊中，考慮到了有機物、氮和磷需氧和缺氧的轉換和降解過程，以及對新的CWM1模塊中需氧、缺氧和厭氧過程的有機物，氮和硫的考慮。生物地球化學濕地模塊模擬人工濕地 (CW) 中的運輸和反應過程，以及優化自然環境中的處理過程的工程水處理系統。CW 是一種流行的系統，可有效處理不同種類的污染水，因此是可持續的環保解決方案。人工濕地 (CW) 是工程化的水處理系統，可優化自然環境中的處理過程。CW 是一種流行的系統，可有效處理不同種類的污染水，因此是可持續的、環保的解決方案。大量的物理、化學和生物過程同時活躍，相互影響。作為復雜系統，CW 長期以來一直被認為是“黑匣子”。在過去的幾年里，已經開發了不同復雜度的二維模型來描述地下流動 (SSF) CW 中的過程。
Unsatchem-2D	主要是用來模擬運移和主要離子的反應。Unsatchem模塊模擬變飽和多孔介質中主要離子的運移(如鈣、鎂、鈉、鉀、SO4、碳酸氣和Cl)，主要離子平衡和非平衡化學反應動力學。生成的代碼可用于預測土壤在瞬變流動中的主要離子化學、水和溶質通量。
DualPerm-2D	用于模擬雙滲透多孔介質中二維可變飽和水運動和溶質運移，即優先和非平衡水分和溶質運移。
C-Ride-2D	用于模擬經常發生的強烈吸附污染物的二維膠體的溶質運移，(如如重金屬、放射性核素、制藥、農藥、炸藥)，主要與固相關聯，通常認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、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的運移途徑。該模型考慮了瞬態可變飽和水流，以及由于平流、擴散和分散引起的膠體和溶質運動，以及膠體運輸促進的溶質運動。膠體運輸模塊還考慮了附著/脫離固相和應變的過程?？梢允褂酶鞣N阻塞和深度相關函數來修改附著和應變系數。溶質傳輸模塊使用兩點吸附的概念來描述對固相的非平衡吸附-解吸反應。該模塊進一步假設污染物可以吸附在沉積和移動膠體的表面上，充分考慮了不同相之間膠體運動的動力學。
HP2	HP2 模塊將 Hydrus 與 PHREEQC 地球化學代碼相結合，為 (1) 瞬態水流、(2) 多組分傳輸、(3) 混合平衡/動力學生物地球化學反應和 (4) 熱傳輸創建了這種新的綜合模擬工具在二維可變飽和多孔介質（土壤）中。
Furrow	The Furrow module（3.2 版及更高版本）是一種混合有限體積 - 有限元 (FV-FE) 模型，用于描述在犁溝灌溉和施肥過程中發生的地表-地下耦合流動和傳輸過程（Brunetti 等人，2018 年）。數值方法將明渠中水流和溶質遷移的一維描述與地下土壤域中水流和溶質遷移的二維描述相結合。
HYPAR	流是標準二維和三維HYDRUS計算模塊的并行版本。（h2d_calc.exe 和 h3d_calc.exe）的并行化版本。HYPAR 使用并行編程工具和技術來利用新的多核和/或多處理器計算機并顯著加快耗時的模擬，尤其是那些需要大量有限元的模擬。
Slope Classic	主要用于路堤、水壩、土方切割和錨定板結構的穩定性檢查。使用孔隙壓力分布對水的影響進行建模，該分布從 HYDRUS 結果中自動導入指定時間。配水的每個時間步長都可以單獨分析。主要特點從 HYDRUS 結果導入的孔隙壓力模擬的水的存在任意數量的附加費（條形、梯形、集中裝載）任意數量的錨點剛體的簡單建模地震影響可能包括地緣加固按安全系數分析分析方法 - Bishop、Fellenius/Petterson、Spencer、Morgenstern-Price 圓形滑面的優化（臨界滑面的確定）可定制的土壤特征目錄可定制的打印報告
Slope Cube 2D	Slope Cube是一個基于物理的流體力學框架，專注于評估和預測降雨條件下滑坡發生的起始和位置。Slope Cube 耦合可變飽和流場和應力場，以模擬對降雨事件的瞬態山坡水文和機械響應。在Slope Cube中實現了三個尖端的進步這超出了傳統的基于物理的滑坡模型。一是利用基于吸力應力的有效應力統一描述變飽和條件下山坡有效應力分布。第二個是計算由于有效應力變化引起的瞬時山坡位移場。第三是采用最近建立的局部安全系數概念來捕捉山坡上應力路徑向破壞狀態的演變。實施的流體力學框架已通過數十年的現場監測、案例研究、實驗室和現場測試得到廣泛驗證，并有詳盡的記錄（Lu 和 Godt，2013 年）。
Slope Cube 3D	Slope Cube ( S lope S tress and S tability ) 模塊由美國 Soil Water Retention, LLC 開發，作為 HYDRUS (2D/3D) 軟件包的補充模塊，用于模擬土壤水分的二維/三維瞬態場、土壤吸力、吸力應力、總應力和有效應力、坡度位移和局部安全系數。雖然SLOPE 模塊基于經典和工程土力學理論，并且僅在飽和條件下使用有效應力方法，但最近與Dr.寧路來自科羅拉多礦業學院，對飽和和非飽和條件使用統一的有效應力方法（Lu et al., 2010）。該模塊旨在預測時空滲透引起的滑坡起始，并在可變飽和土壤條件下進行邊坡穩定性分析。利用 HYDRUS-2D/3D 模型直接獲得瞬態水分和吸力場，用于計算山坡的有效應力場和位移場（Lu 和 Godt，2013）。此外，在經典邊坡穩定性分析中，SLOPE Cube 模塊不是計算整個邊坡的單因素安全系數方法，而是計算山坡內整個域的安全系數場（Lu et al., 2012）。

標準計算模型

HYDRUS是模擬變量飽和多孔介質下的水、熱和多溶質二維和三維運動的有限元計算模型。HYDRUS數值求解飽和非飽和水流的Richards方程和熱傳遞和溶質運移的對流擴散型方程。水流方程包含一個下沉期，可導致植物根系吸水。熱傳遞方程考慮了水流傳導和對流運動。對流擴散的溶質運移方程的管理是一個很普遍的形式，固體和液態非線性非平衡反應的規定以及液體和氣體的線性平衡反應。溶質運移方程還包括了零階生產的影響、溶質的獨立一級降解以及一階衰減和生產反應，以便提供連續一級鏈中溶質間所需的耦合。運移模擬也會引起液相對流和擴散、氣相擴散，因此次模型在液態和氣態條件下可同時模擬溶質運移。目前HYDRUS（不低于）可考慮15種溶質，在單向鏈中耦合或溶質間獨立運移。物理非平衡溶質運移由雙區和雙重孔隙公式引起，并把液相分成移動和不可移動區域。附著和分離理論，過濾理論，病毒、膠質和細菌運移的模擬也在其中。

模型的水流部分可以用來處理連續或時變的規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定的方向類型條件期間可能會發生變化，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。節點排水是由一個簡單的模擬實驗關系為代表。

對溶質運移來說，軟件既支持連續和變化的規定濃度(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散和曲折的結果反應影響。

不飽和土壤水文屬性是由以下理論總結出來的，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。這些修正內容對接近飽和狀態的水利屬性做了進一步的描述。HYDRUS軟件包含了由1983年Scottetal.以及1987年Kool和Parker引進的結合實證模擬的滯變。

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點從而泵。HYDRUS在給定的土壤環境下可實行縮放過程已達到近似液壓變化，通過一組線性標度變化工具，涉及個別土壤水力與參考土壤的關系。

使用應用到三角元素網絡中的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是通過有限差分格式實現的。結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小化方法。額外的措施來提高瞬態問題的求解效率，自動時間步調整和Courant和Peclet數字不預設水平。使用1990年Celiaetal.提出的質量守恒法來評估水的含量。減少數值振蕩上行重量作為求解運移方程的選項在里面。
此外，HYDRUS可執行Marquardt-Levenberg類型參數估計技術為選定的土壤進行水力逆估計或溶質運移以及測量瞬態或穩態流和運移數據(在2D版本中)。此過程允許估計幾個未知的參數，如觀察到的水含量、壓頭、濃度或瞬時或累積邊界通量(如滲透或流出數據)。額外的保留或水力傳導率數據以及約束的參數補償函數，約束的參數保持在可行域(貝葉斯估計)，可包含在參數估計過程中。

軟件安裝

系統要求
操作系統：Windows 10（32位或64位）、Windows 8（32位或64位）、Windows 7（32位或64位）
2GHzX86CPU
2GBRAM
10GB的硬盤空間，500MB的安裝空間
分辨率1280x800像素的圖形卡

系統配置
使用HYDRUS計算3D模型，建議系統配置為：
操作系統Windows 10（64位）
4核或以上，單核性能比核數更重要
16GB或以上
500GB硬盤空間
分辨率為1920×1200或以上，具有OpenGL的良好圖形卡-ATI/NVIDIA

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