HYDRUS 水流和溶质运移模拟软件介绍

时间：2022-09-08浏览数：566

科学进步

HYDRUS是一个运行于Windows系统下的环境模拟软件，主要用于变量饱和多孔介质的水流和溶质运移。HYDRUS包括用于模拟变量饱和多孔介质下的水、热和多溶质运移的二维和三维有限元计算，包括一个参数优化算法，用于各种土壤的水压和溶质运移参数的逆向估计。该模型互动的图形界面，可进行数据前处理、结构化和非结构化的有限元网格生成以及结果的图形展示。 (该软件支持许多特殊的附加模块来进行扩展。HYDRUS V5 于 2022 年 4 月发布，它合并了两个先前独立的软件包 HYDRUS-1D（V4，用于一维应用程序）和 HYDRUS (2D/3D)（V3，用于二维和三维应用程序）。

HYDRUS2

HYDRUS一共五个版本，用户可以选择较适合自己版本。用户可以选择局限于一般功能的二维应用（2D-Standard版本，与之前含有MeshGen-2D的Hydrus-2D功能一致）或者二维和三维应用（如3D-Standard 或3D-Professional）。用户也可以选择相对简单的（二维直角几何图形—3D-Lite, 与之前不含MeshGen-2D的Hydrus-2D功能一致）或三维的几何立体图形– 3D-Lite）或更复杂的几何图形（用于普通二维几何图形的2D-Standard或在二维基础上以及分层三维的3D-Standard，以及用于普通三维几何图形的3D-Professional）。用户也可以选择从低版本升级到高版本。

标准计算模型
HYDRUS是模拟变量饱和多孔介质下的水、热和多溶质二维和三维运动的有限元计算模型。HYDRUS数值求解饱和非饱和水流的Richards方程和热传递和溶质运移的对流扩散型方程。
水流方程包含一个下沉期，可导致植物根系吸水。热传递方程考虑了水流传导和对流运动。对流扩散的溶质运移方程的管理是一个非常普遍的形式，包括固体和液态非线性非平衡反应的规定以及液体和气体的线性平衡反应。因此，不管是吸附溶质还是挥发溶质（如杀虫剂）都已经考虑到了。溶质运移方程还包括了零阶生产的影响、其他溶质的独立一级降解以及一阶衰减和生产反应，以便提供连续一级链中溶质间所需的耦合。运移模拟也会引起液相对流和扩散、气相扩散，因此次模型在液态和气态条件下可同时模拟溶质运移。目前HYDRUS较多可考虑15种溶质，在单向链中耦合或溶质间独立运移。物理非平衡溶质运移由双区和双重孔隙公式引起，并把液相分成移动和不可移动区域。附着和分离理论，包括过滤理论，病毒、胶质和细菌运移的模拟也包含在其中。

HYDRUS可用来分析水质和溶质在非饱和、部分饱和或是饱和多孔介质情况下的运动。HYDRUS可由不规则边界处理水流区域，水流区域本身可能是由非均匀土壤组成具有局部各向异性任意程度。水流和运移可能发生在垂直面，也可能在水平面，具有径向对称性的垂直轴或三维区域。

模型的水流部分可以用来处理连续或时变的规定的方向和流量边界，以及由气象条件控制的边界。土壤表面边界条件在模拟从给定的流量到规定的方向类型条件期间可能会发生变化，反之亦然。它还可以通过水域饱和部分的剩余水量和不排水边界条件处理自由面边界。节点排水是由一个简单的模拟实验关系为代表。

对溶质运移来说，软件既支持连续和变化的规定浓度(Dirichlet或first-type)也支持浓度通量边界(Cauchy或third-type)。弥散张量包含分子扩散和曲折的结果反应影响。

不饱和土壤水文属性是由以下理论总结出来的，1980年的vanGenuchten、1964年的Brooks 和Corey、1994年的Durner、1995年的Kosugi和修正的vanGenuchten的型解析函数。这些修正内容对接近饱和状态的水利属性做了进一步的描述。HYDRUS软件包含了由1983年Scottetal.以及1987年Kool 和 Parker引进的结合实证模拟的滞变。这个模型假定干燥扫描曲线是从主要干燥曲线衍生而来的，湿润扫描曲线是从主要湿润曲线衍生而来的。HYDRUS还包括1991年的Lenhardetal.和1992年Lenhard和Parker的滞变模型，它通过跟踪历史逆转点从而消除泵。HYDRUS在给定的土壤环境下可实行缩放过程已达到近似液压变化，通过一组线性标度变化工具，涉及个别土壤水力特性与参考土壤的关系。

使用应用到三角元素网络中的Galerkin的线性有限元方法来求解控制方程。饱和和不饱和的状态是通过有限差分格式集成实现的。结果方程是以迭代方式求解的，通过线性化和随后的高斯消元法对带状矩阵、对称矩阵的共轭梯度法或不对称矩阵正交极小化方法。额外的措施来提高瞬态问题的求解效率，包括自动时间步调整和确保Courant和Peclet数字不超过预设水平。使用1990年Celiaetal.提出的质量守恒法来评估水的含量。减少数值振荡上行重量作为求解运移方程的选项包含在里面。

此外，HYDRUS可执行Marquardt-Levenberg类型参数估计技术为选定的土壤进行水力逆估计或溶质运移以及测量瞬态或稳态流和运移数据（仅在2D版本中）。此过程允许估计几个未知的参数，如观察到的水含量、压头、浓度或瞬时或累积边界通量(如渗透或流出数据)。额外的保留或水力传导率数据以及约束优化的参数补偿函数，约束优化的参数保持在可行域(贝叶斯估计)，可包含在参数估计过程中。

一个新的模块模拟地下水流人工湿地的生化转化和降解过程，此模块是为HYDRUS 的二维应用开发的(2005年的Langergraber和Simunek，2009年的Langergraberetal)。这个模块认为大量的物理、化学和生物过程活跃在湿地，包括生物化学降解和转化过程三组分的有机物质(易降解、慢慢可生物降解和惰性)，四氮的化合物(铵、亚硝酸盐、硝酸盐、和双氮)、无机磷、异养和自养微生物,溶氧和/或硫，他们同时活跃而且相互影响。

附加模块（水流、运移和反应模拟）

HP1, HP2模块（1D, 2D）是 Hydrus（一维和二维部分）与 PHREEQC 地球化学代码 [Parkhurst 和 Appelo，1999 年] 耦合的结果，并且对应于类似一维模块 HP1 [Jacques和 Šimůnek, 2005, 2010; Jacques et al., 2006, 2008]。除了2D之外，HP2 具有与 HP1相同的功能。HP2 包含模拟 (1) 瞬态水流、(2) 多组分传输、(3) 混合平衡/动力学生物地球化学反应和 (4) 二维可变饱和多孔介质（土壤）中的热传输的模块。HP2 模块的详细描述在 HP2 用户手册 [Šimnek et al., 2012] 中有介绍。
UNSATCHem模块（1D, 2D,3D）主要是用来模拟运移和主要离子的反应。UNSATCHEM模块模拟变饱和多孔介质中主要离子的运移（如钙、镁、钠、钾、SO4、碳酸气和Cl)，包括主要离子平衡和非平衡化学反应动力学。生成的代码可用于预测土壤在瞬变流动中的主要离子化学、水和溶质通量。

Wetlands模块（2D）是用来模拟人工湿地反应的。人工湿地水处理系统的设计能优化自然环境中发现的处理过程。HYDRUS湿地模块包括两个biokinetic模型公式。而在原始湿地CW2D模块中，考虑到了有机物、氮和磷需氧和缺氧的转换和降解过程，以及对新的CWM1模块中需氧、缺氧和厌氧过程的有机物，氮和硫的考虑。

C-Ride模块（1D, 2D）用于模拟经常发生的强烈吸附污染物的二维胶体的溶质运移，（如重金属、放射性核素、制药、农药、炸药)，主要与固相关联，通常认为它们是静止不动的，但也可以吸附移动胶体粒子(例如微生物、腐殖物质、悬浮粘土颗粒和金属氧化物),可以作为污染物的载体，从而为这些污染物提供一个快速的运移途径。
DualPerm模块（1D, 2D）用于模拟双渗透多孔介质中二维可变饱和水运动和溶质运移，即优先和非平衡水分和溶质运移。

FURROW模块（2D）是一种混合有限体积-有限元（FV-FE）模型，它描述了在沟灌和施肥期间发生的地表-地下流的运移过程。该数值方法将明渠水流和溶质运移的一维描述与地下土壤域水流和溶质运移的二维描述相结合。

PFAS模块（1D,2D）包括考虑到空气-水界面的吸附和浓度对表面张力和粘度的影响的选项[Silva et al., 2020]。

Particle Tracking（1D）算法来自Šimůnek [1991]，已被应用到HYDRUS Zhou et al., 2021]。该模块的结果可用于计算土壤剖面中不同位置的土壤水分运移时间和水龄。

COSMIC模块（1D）由Brunetti et al. [2019] 开发，使用Shuttleworth et al. [2013]基于物理的COsmic线土壤水分相互作用代码(COSMIC)计算地上中子通量。

DPU模块（1D,2D）是由Brunetti et al. 2019, 2021, 2022]开发，可以用于模拟土壤-植物领域中性化合物的易位和转化。

Fumigant模块（1D,2D,3D）包括模拟熏蒸剂在土壤中的去向和运输所需的选项，去除油布，根据油布的温度特性，额外注入熏蒸剂Spurlock et al., 2013]。

附加模块（1D应用）

H1D 模块（1D）对应于1D标准HYDRUS版本，支持2D/3D HYDRUS版本（1D标准除外）中的一维应用。

H1D Pro模块（1D）通过以下附加模块扩展了一维应用程序的功能：hydrus-modules Cosmic、DPU、C-Ride和PFAS。这些模块只能与1D标准版或H1D附加模块一起使用。

通过以下附加模块扩展了一维应用程序的功能：hydrus-modules Cosmic、DPU、C-Ride 和 PFAS。这些模块只能与 1D 标准版或 H1D 附加模块一起使用。

附加模块（软件性能）

HYPAR模块（2D, 3D）标准二维和三维HYDRUS计算模块（h2d_calc.exe和h3d_calc.exe）的并行版本。HyPar使用并行编程工具和技术利用多核，并在多核处理器计算机上加速计算。HyPar目前只支持直接模式下的计算（不支持反向模式），不支持任何附加模块（例如HP2、UnsatChem、Wettle和/或C-Ride）。HyPar模块在“程序选项”对话框窗口的“程序”选项卡上初始化。

附加模块（边坡应力与稳定性）

SLOPE Cube模块（2D,3D）被用来为饱和和非饱和条件提供统一的有效应力方法[Lu et al., 2010]。该模块旨在预测空间和时间渗透诱发的滑坡起始时间，并在可变饱和土壤条件下进行边坡稳定性分析。从HYDRUS模型直接获得瞬态湿度场和压头场，随后用于计算山坡的有效应力场[Lu和Godt, 2013]。此外，在经典的边坡稳定性分析中，SLOPE Cube模块计算在整个山坡范围内整个区域的安全系数场 [Lu et al., 2012], 从而识别潜在失效表面区域或表面的情况。

Slope Classic模块（2D）主要用于路堤、大坝、土石方和锚定挡板结构的稳定性检查。使用孔隙压力分布对水的影响进行建模，孔隙压力是在*时间从HYDRUS结果中自动导入的。可以分别分析水流分配的每个时间步长。

图形用户界面
一个基于微软Windows图形用户界面(GUI)管理的运行HYDRUS的输出需求，以及网格设计和编辑、参数配置、问题执行和结果可视化。HYDRUS还包括一组控件，允许用户创建一个流和运移模型，并对运行中的图形进行分析。使用空间和横截面查看和线图来检查输入和输出。HYDRUS图形用户界面的主程序单元定义了系统整体的计算环境。这个主模块控制程序的执行并确定哪些其他可选的工具是必要的。该模块还包含一个项目管理器和两个预处理和后处理单元。预处理单元包括所有必要的参数规格,如成功运行HYDRUS FORTRAN语言代码、相对简单的矩形和六面体传输域的网格生成器、用于非结构化有限元网格的复杂二维和三维域的网格生成器、一个小目录的土壤水力属性和从土壤结构数据的Rosetta Lite程序生成土壤水力属性。
自动生成有限元网格
数据预处理涉及二维流动区域规范，具有任意形状连续的折线、圆弧、样条函数、域边界的离散化和一个非结构化的有限元网格的下一个版本。HYDRUS（标准版）带有一个可选的网格生成程序，Meshgen可以生成一个非结构化有限元网格的二维域。HYDRUS基于Delaunay推论，已经被无缝集成到HYDRUS环境里了。在没有Meshgen程序的情况下，HYDRUS GUI提供了一个简单、结构化网格的自动构建选项(Lite版本)。三维版本是在Lite和Standard版本下添加了*的相同或不同厚度的层数。HYDRUS 3D专业版有一个三维网格生成程序(GENEX和T3D)，为通用三维域生成非结构化有限元网格。

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后处理
输出图形包括水含量、流速、浓度、温度在空间或横断面视图的2D等高线（等值线或彩色光谱）。图形输出还包括速度矢量图、彩色边缘、颜色的点、连续的时间步的图形显示和动画以及选定的边界或内部截面线图。用户可以将感兴趣的区域缩放，横截面视图的垂直刻度也可以放大。网格还可以展示边界和编号的三角形、边缘和点。观察点可以添加到网格的任何地方。网格和/或空间分布结果(压力头、水含量、速度、浓度和温度)的视图都使用高分辨率彩色或灰阶值。界面还包括一个内容丰富的在线帮助菜单。

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