HYDRUS 水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件

時間：2021-01-07作者：北京天演融智軟件有限公司瀏覽：115

HYDRUS是一個運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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。 





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(yùn)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(yùn)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(yùn)動。對流擴(kuò)散的溶質(zhì)運(yùn)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(yùn)移方程還包括了零階生產(chǎn)的影響、其他溶質(zhì)的獨(dú)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(yùn)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(yùn)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(dú)立運(yùn)移。物理非平衡溶質(zhì)運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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van Genuchten、1964年的Brooks 和Corey、1994年的Durner、1995年的Kosugi和修正的van Genuchten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Scott et al.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Lenhard et al.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Celia et al.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(yùn)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(yùn)移以及測量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)流和運(yùn)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(bǔ)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Langergraber et al)。 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 
UNSATCHem模塊主要是用來模擬運(yùn)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(yùn)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。 

DualPerm模塊（2.02版本及以上）用于模擬雙滲透多孔介質(zhì)中二維可變飽和水運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移，即**和非平衡水分和溶質(zhì)運(yùn)移。 


C-Ride模塊（2.02版本及以上）用于模擬經(jīng)常發(fā)生的強(qiáng)烈吸附污染物的二維膠體的溶質(zhì)運(yùn)移，（如如重金屬、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(yùn)移途徑。 


HP2模塊（2.02版本及以上）綜合了HYDRUS(其二維部分)與PHREEQC地球化學(xué)代碼[1999年的Parkhurst和Appelo]開發(fā)了這個新綜合仿真工具（HP2—HYDRUS-PHREEQC-2D縮寫)，主要是區(qū)別于一個類似的一維模塊HP1。這個模塊可以考慮各種混合平衡/動力生物地球化學(xué)反應(yīng)。

 

HYPAR是標(biāo)準(zhǔn)二維和三維HYDRUS計算模塊的并行版本。(h2d_calc.exe and h3d_calc.exe)

HYPAR使用并行計算工具和技術(shù)來有效利用多核以及多處理器計算機(jī)的優(yōu)勢并且顯著加快耗時的模擬,尤其是那些需要大量的有限元素

 

Slope Stability

Slope Classic附加模塊的目的主要用于堤防的穩(wěn)定性檢查,水壩,削減地球和固定擋板結(jié)構(gòu)。水的影響建模使用孔隙壓力的分布,這是進(jìn)口自動從水蛇座*時間的結(jié)果。每個時間步的水分布可以分別進(jìn)行分析。

SLOPE Cube（Slope Stress and Stability）附件模塊是由科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的Ning Lu博士合作開發(fā)的。它使用一個統(tǒng)一的有效應(yīng)力方法飽和和不飽和的條件。這個模塊的目的是用來預(yù)測infiltration-induced滑坡啟動和開展variably-saturated土壤條件下的邊坡穩(wěn)定性分析。

 


圖形用戶界面 
一個基于微軟Windows圖形用戶界面(GUI)管理的運(yùn)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(yùn)移模型，并對運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)移區(qū)域部分。 


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