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HYDRUS 5—水流和溶质运移的模拟软件

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软件简介

HHYDRUS 是一个软件包,用于模拟二维和三维可变饱和介质中的水、热和溶质运动。该软件包由一个计算计算机程序和一个基于图形的交互式用户界面组成。简介和程序说明中给出了 HYDRUS 的简要说明。用户和技术手册中提供了更详细的信息。我们的核心产品 HYDRUS 目前正被来自世界各地的 2000 多家公司和机构使用。包括近 50% 的2014 年世界 100 强大学。


HYDRUS 版本 5于 2022 年 4 月发布,它合并了两个先前独立的软件包HYDRUS-1D(版本 4,用于一维应用程序)和HYDRUS (2D/3D)(版本 3,用于二维和三维应用程序)。


HYDRUS是一个基于 Microsoft Windows 的建模环境,用于分析可变饱和多孔介质中的水流和溶质迁移。该软件包包括计算有限元模型,用于模拟水、热和多种溶质在可变饱和介质中的二维和三维运动。该模型包括一个参数优化算法,用于反向估计各种土壤水力和/或溶质传输参数(仅在 2D 中,仅适用于标准模块)。该模型由基于图形的交互式界面支持,用于数据预处理、结构化和非结构化有限元网格的生成以及结果的图形表示。


一维和多维软件包都可以用数值法求解饱和非饱和水流的Richard方程和热量、溶质运移的对流-弥散方程。水流方程中加入了一个汇项,用来解释植物根系对水分的吸取。溶质运移方程考虑液相的对流-弥散作用和气相的扩散作用,溶质运移方程还包括固-液相间的非线性不平衡反应、气液-两相线性平衡反应、零阶反应、一阶降解反应,以及连续一阶衰变链。

此外,物理非平衡溶质运移可以通过假定一种双区模式来解释,即双重孔隙将液相分离为流动区和不流动区。软件包还考虑了固着/分离理论,包括渗透理论,能够模拟病原体、胶体和细菌的运移。一维和二维版本采用了Marquardt-Levenberg参数优化算法,根据实测的非稳定流或稳定流以及运移数据,进行土壤动力学、热量、溶质运移以及反应参数的逆向估计。 交互式图形化用户界面支持数据的前处理、有限单元格生成以及结果的图形化显示。


HYDRUS 级别

HYDRUS 分布在多个不同版本(级别)中,因此用户只能获取最适合其应用程序的那部分软件。用户可以选择仅限于一维应用(1D-Standard Level)、一般二维应用(2D-Standard Level,对应于之前的 Hydrus-2D 和 MeshGen-2D)或二维和三维应用的软件。尺寸应用程序(即3D 标准或3D 专业)。用户还可以选择相对简单的(二维矩形几何形状 - 2D-Lite[对应于没有 MeshGen-2D 的以前的 Hydrus-2D] 或三维六面体几何 - 3D-Lite)或更复杂的几何(即,2D 标准用于一般二维几何,3D 标准用于可以定义的问题使用一般二维基础和分层三维,或3D-Professional用于具有一般三维几何形状的应用程序)。


版本 描述
1D-Standard 一维简单域
2D-Lite 简单(矩形)二维几何 的二维应用。二维简单域,结构化有限元网格 。
2D-Standard 一般二维几何的二维应用。二维一般域,非结构化 FE-Mesh
3D-Lite 2D-Lite 的所有功能,以及用于简单(六面体)3D 几何形状的 3D 应用程序。
3D-Standard 2D 标准版的所有功能,以及由具有可变厚度的通用 2D 基域组成的 分层 3D 几何形状的 3D 应用。
3D-Professional 3D 标准的所有功能,以及一般 3D 几何形状的 3D 应用程序。

图形用户界面

基于 Microsoft Windows 的图形用户界面 (GUI) 管理运行 HYDRUS 所需的输入,以及网格设计和编辑、参数分配、问题执行和结果可视化。该程序包括一组控件,允许用户构建流和传输模型,并动态执行图形分析。输入和输出都可以使用空间或横截面视图和折线图进行检查。HYDRUS 图形用户界面的主程序单元定义系统的整体计算环境。此主模块控制程序的执行并确定特定应用程序需要哪些其他可选工具。该模块包含一个项目经理以及预处理和后处理单元。预处理单元包括成功运行 HYDRUS FORTRAN 代码所需的所有参数规范、相对简单的矩形和六面体传输域的网格生成器、用于复杂二维和三维域的非结构化有限元网格的网格生成器、小型土壤水力特性目录,以及用于从土壤纹理数据生成土壤水力特性的 Rosetta Lite 程序。


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、域边界的离散化和非结构化的有限元网格的下一个版本。HYDRUS(标准版)带有可选的网格生成程序,Meshgen可以生成非结构化有限元网格的二维域。HYDRUS基于Delaunay推论,已经被集成到HYDRUS环境里了。在没有Meshgen程序的情况下,HYDRUSGUI提供了简单的、结构化网格的自动构建选项(Lite版本)。三维版本是在Lite和Standard版本下添加了指定的相同或不同厚度的层数。HYDRUS3D Pro版有三维网格生成程序(GENEX和T3D),为通用三维域生成非结构化有限元网格。  


后期处理

输出图形水含量、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。

 


域和 FE-Mesh 截面

为了简化复杂的运移几何图形的工作,这些图形可以划分为的部分称为Section。这些的部分可以在视图窗口中显示,而剩下的部分被隐藏。一共有两种类型的Section:基于几何对象的和基于有限元网格的。可以同时显示多个section。使用命令可以切断和隐藏要的运移区域部分。



附加模块

模块名称 流动、运输和反应模拟
H1D 该模块对应于 1D-Standard HYDRUS 版本,并在 2D/3D HYDRUS 版本(1D-Standard 除外)中启用一维应用程序。H1D (HYDRUS-1D) 模块是一个有限元模型,用于模拟水、热和多种溶质在可变饱和介质中的一维运动。
H1D Pro 这个附加包通过以下附加模块扩展了一维应用程序的功能: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。
Wetland-2D 用来模拟人工湿地反应的。人工湿地水处理系统的设计能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。

生物地球化学湿地模块模拟人工湿地 (CW) 中的运输和反应过程,以及优化自然环境中的处理过程的工程水处理系统。CW 是一种流行的系统,可有效处理不同种类的污染水,因此是可持续的环保解决方案。

人工湿地 (CW) 是工程化的水处理系统,可优化自然环境中的处理过程。CW 是一种流行的系统,可有效处理不同种类的污染水,因此是可持续的、环保的解决方案。大量的物理、化学和生物过程同时活跃,相互影响。作为复杂系统,CW 长期以来一直被认为是“黑匣子”。在过去的几年里,已经开发了不同复杂度的二维模型来描述地下流动 (SSF) CW 中的过程。


Unsatchem-2D 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),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。



DualPerm-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。



C-Ride-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的运移途径。 该模型考虑了瞬态可变饱和水流,以及由于平流、扩散和分散引起的胶体和溶质运动,以及胶体运输促进的溶质运动。胶体运输模块还考虑了附着/脱离固相和应变的过程。可以使用各种阻塞和深度相关函数来修改附着和应变系数。溶质传输模块使用两点吸附的概念来描述对固相的非平衡吸附-解吸反应。该模块进一步假设污染物可以吸附在沉积和移动胶体的表面上,充分考虑了不同相之间胶体运动的动力学。


HP2 HP2 模块将 Hydrus 与 PHREEQC 地球化学代码相结合,为 (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) 热传输创建了这种新的综合模拟工具在二维可变饱和多孔介质(土壤)中。


Furrow The Furrow module(3.2 版及更高版本)是一种混合有限体积 - 有限元 (FV-FE) 模型,用于描述在犁沟灌溉和施肥过程中发生的地表-地下耦合流动和传输过程(Brunetti 等人,2018 年)。数值方法将明渠中水流和溶质迁移的一维描述与地下土壤域中水流和溶质迁移的二维描述相结合。
HYPAR 流是标准二维和三维HYDRUS计算模块的并行版本。(h2d_calc.exe 和 h3d_calc.exe)的并行化版本。HYPAR 使用并行编程工具和技术来利用新的多核和/或多处理器计算机并显着加快耗时的模拟,尤其是那些需要大量有限元的模拟。
Slope Classic 主要用于路堤、水坝、土方切割和锚定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,该分布从 HYDRUS 结果中自动导入指定时间。配水的每个时间步长都可以单独分析。

主要特点
从 HYDRUS 结果导入的孔隙压力模拟的水的存在
任意数量的附加费(条形、梯形、集中装载)
任意数量的锚点
刚体的简单建模
地震影响
可能包括地缘加固
按安全系数分析
分析方法 - Bishop、Fellenius/Petterson、Spencer、Morgenstern-Price
圆形滑面的优化(临界滑面的确定)
可定制的土壤特征目录
可定制的打印报告


Slope Cube 2D lope Cube是一个基于物理的流体力学框架,专注于评估和预测降雨条件下滑坡发生的起始和位置。Slope Cube 耦合可变饱和流场和应力场,以模拟对降雨事件的瞬态山坡水文和机械响应。在Slope Cube中实现了三个尖端的进步这超出了传统的基于物理的滑坡模型。一是利用基于吸力应力的有效应力统一描述变饱和条件下山坡有效应力分布。第二个是计算由于有效应力变化引起的瞬时山坡位移场。第三是采用最近建立的局部安全系数概念来捕捉山坡上应力路径向破坏状态的演变。实施的流体力学框架已通过数十年的现场监测、案例研究、实验室和现场测试得到广泛验证,并有详尽的记录(Lu 和 Godt,2013 年)。


Slope Cube 3D Slope Cube ( S lope S tress and S tability ) 模块由美国 Soil Water Retention, LLC 开发,作为 HYDRUS (2D/3D) 软件包的补充模块,用于模拟土壤水分的二维/三维瞬态场、土壤吸力、吸力应力、总应力和有效应力、坡度位移和局部安全系数。虽然SLOPE 模块基于经典和工程土力学理论,并且仅在饱和条件下使用有效应力方法,但最近与Dr.宁路来自科罗拉多矿业学院,对饱和和非饱和条件使用统一的有效应力方法(Lu et al., 2010)。该模块旨在预测时空渗透引起的滑坡起始,并在可变饱和土壤条件下进行边坡稳定性分析。利用 HYDRUS-2D/3D 模型直接获得瞬态水分和吸力场,用于计算山坡的有效应力场和位移场(Lu 和 Godt,2013)。此外,在经典边坡稳定性分析中,SLOPE Cube 模块不是计算整个边坡的单因素安全系数方法,而是计算山坡内整个域的安全系数场(Lu et al., 2012)。




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很普遍的形式,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。溶质运移方程还包括了零阶生产的影响、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(不低于)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,过滤理论,病毒、胶质和细菌运移的模拟也在其中。

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小化方法。额外的措施来提高瞬态问题的求解效率,自动时间步调整和Courant和Peclet数字不预设水平。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(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的参数补偿函数,约束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。


软件安装

系统要求
操作系统:Windows 10(32位或64位)、Windows 8(32位或64位)、Windows 7(32位或64位)
2GHzX86CPU
2GBRAM
10GB的硬盘空间,500MB的安装空间
分辨率1280x800像素的图形卡

系统配置
使用HYDRUS计算3D模型,建议系统配置为:
操作系统Windows 10(64位)
4核或以上,单核性能比核数更重要
16GB或以上
500GB硬盘空间
分辨率为1920×1200或以上,具有OpenGL的良好图形卡-ATI/NVIDIA

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