HYDRUS - 水流和溶质运移模拟软件

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。

HYDRUS 5.01版本已于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）和HYDRUS（2D/3D）（V3，用于二维和三维应用）。V5版本带有集成的HYDRUS-1D和新的附加模块（PFAS，DPU，Cosmic，Particle Tracking等）。

HYDRUS版本5中的新功能（与HYDRUS版本3（2D/3D）和HYDRUS-1D版本4相比）

新功能和更改：

1. PFAS模块（一维和二维）：

PFAS模块考虑了对空气-水界面的吸附以及溶液浓度对保留和粘度的影响。因此，PFAS模块可用于模拟PFAS化学品的命运和运输（Silva等人，2021）。

2. 粒子跟踪模块（1D）：

此模块跟踪假设粒子的位置，这些粒子开始是在土壤剖面图中定义，或者在其边界处释放。该模块的结果可用于计算土壤剖面中不同位置的土壤水行进时间和水龄。

3. COSMIC模块（1D）：

由Bruneti等人开发的COSMIC模块[2019]使用Shuttleworth等人基于物理的COSmic射线土壤水分相互作用代码（COSMIC）计算地上中子通量[2013]。

4. DPU模块（1D和2D）：

Brunetti等人开发的动态植物吸收（DPU）模块[2019，2021，2022]模拟土壤-植物域中性化合物的易位和转化。

5. UnsatChem模块（3D）：

该模块模拟主要离子的命运和运输，可以评估土壤盐度和钠性问题。我们也在3D中实现了这个模块（除了以前可用的1D和2D实现之外）。

6. C-Ride模块（1D）

C-Ride模块模拟多孔介质中的一维和二维可变饱和水流，胶体运输和胶体促进溶质运输。该模块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，以及由胶体运输促进的溶质运动。我们也在1D中实现了此模块（除了以前可用的2D实现之外）。

7. 在蒸发过程中不分馏或恒定分馏的环境同位素的运输（Stumpp等人，2012）（在1D中）。

8. 3D格式的BC水库。

9. 印刷次数增加到10,000次。

10. 新的图形功能，如所选变量的z-t图。

HYDRUS一共五个版本，用户可以选择适合自己的版本。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到高版本。

HYDRUS：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，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（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，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减泵。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，包括自动时间步调整和Courant和Peclet数字不超预设水平。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(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。

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，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

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。预处理单元包括所必要的参数规格，如成功运行HYDRUSFORTRAN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RosettaLite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。

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。

域和有限元网格区域

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简单的部分称为Section。这些简单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不需要的运移区域部分。

系统需求

适用于HYDRUS 5.X的新版本。请注意，旧版本的HYDRUS（版本1.x-3.x不再维护，可能与新的Windows操作系统不兼容）。

• 操作系统：Windows 11（64位）、Windows 10（64位）、Windows 8（64位）
• X64 CPU
• 2GBRAM
• 10GB总硬盘容量，约500MB的安装空间
• 分辨率1280x800像素的显卡

推荐的系统配置：

使用HYDRUS计算3D模型，建议满足以下系统要求：

• 操作系统Windows 10（64位）
• CPU：4核或以上，单核性能比内核数量更紧要
• 内存：16GB或以上
• 500GB硬盘空间
• 显卡：分辨率为1920×1200或以上，具有OpenGL的良好显卡-ATI/NVIDIA

【英文介绍】

HYDRUS is a Microsoft Windows based modeling environment for the analysis of water flow and solute transport in variably saturated porous media. The software package includes computational finite element models for simulating the two- and three-dimensionalmovement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media. The model includes a parameter optimization algorithm for inverse estimation of a variety of soil hydraulic and/or solute transport parameters. The model is supported by an interactive graphics-based interface for data-preprocessing, generation of structured and unstructured finite element mesh, and graphic presentation of the results.

HYDRUS is distributed in five different versions (Levels) so that users may acquire only that segment of the software that is most appropriate for their application. Users can select software limited to general two-dimensional applications (the 2D-Standard Level, which corresponds with former Hydrus-2D with MeshGen-2D) or for both two- and three-dimensional applications (i.e., 3D-Standard or 3D-Professional). Users can also opt for relatively simple (two-dimensional rectangular geometries – 2D-Lite [which corresponds with former Hydrus-2D without MeshGen-2D] or three-dimensional hexahedral geometries – 3D-Lite) or more complex geometries (i.e., 2D-Standard for general two-dimensional geometries, 3D-Standard for problems that can be defined using the general two-dimensional base and a layered third dimension, or 3D-Professional for applications with general three-dimensional geometries). Users may upgrade to higher Levels from lower Levels, as well as from lower versions (e.g., version 1.x) to higher versions (e.g., version 2 (and higher - in the future)).

Reasons for using HYDRUS models:

• Developed by leading (award winning) scientists in the field of vadose zone hydrology (Rien van Genuchten and Jirka Simunek). Always at the cutting edge of the most recent developments in vadose zone hydrology.

• Considered to be a standard tool in both research and industrial applications. Also see the recently released HYDRUS book.

• Used by thousands of users around the world (over five thousand of downloads in 2010 alone, and many more before and since then), including leading research institutions, regulatory agencies, and consulting companies.

• Hundreds of successful applications (many reported in peer-reviewed journal articles - 1D, 2D, and 3D). Many successful examples of HYDRUS verifications and validations.

• Hundreds of resolved problems in the HYDRUS public library of projects (1D, 2D, and 3D).

• Easy to use and learn how to use (see the many free 1D and 2D, and 3D tutorials, and short courses organized around the world).

• Hundreds of registered users in HYDRUS discussion forums allowing you to share your experience and learn from others.

• Linked to other widely used programs in their respective fields of applications (MODFLOW, PHREEQC, Wetland Module, and Rosetta).

• And many other reasons ...

System Requirements

Applies to the latest version HYDRUS 5.X. Please note that older versions of HYDRUS (version 1.x -3.x) are no longer maintained and may be incompatible with the latest Windows operating systems.

Minimun 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 1280×800 pixels

Recommended System Configuration:

To use HYDRUS comfortably for calculation of 3D models, we recommed the following system requirements:

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

500GB hard disk capacity

Graphics: resolution 1920×1200 or better, a good graphic card with OpenGL support-ATI/NVIDIA