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HYDRUS是一個運行于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)運移的二維和三維有限元計算，包括一個參數(shù)算法，用于各種土壤的水壓和溶質(zhì)運移參數(shù)的逆向估計。該模型互動的圖形界面，可進行數(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 5.01版本已于2022年4月發(fā)布，它合并了兩個先前獨立的軟件包HYDRUS-1D（V4，用于一維應(yīng)用）和HYDRUS（2D/3D）（V3，用于二維和三維應(yīng)用）。V5版本帶有集成的HYDRUS-1D和新的附加模塊（PFAS，DPU，Cosmic，Particle Tracking等）。
HYDRUS版本5中的新功能（與HYDRUS版本3（2D/3D）和HYDRUS-1D版本4相比）
新功能和更改：
1. PFAS模塊（一維和二維）：
PFAS模塊考慮了對空氣-水界面的吸附以及溶液濃度對保留和粘度的影響。因此，PFAS模塊可用于模擬PFAS化學品的命運和運輸（Silva等人，2021）。
2. 粒子跟蹤模塊（1D）：
此模塊跟蹤假設(shè)粒子的位置，這些粒子開始是在土壤剖面圖中定義，或者在其邊界處釋放。該模塊的結(jié)果可用于計算土壤剖面中不同位置的土壤水行進時間和水齡。
3. COSMIC模塊（1D）：
由Bruneti等人開發(fā)的COSMIC模塊[2019]使用Shuttleworth等人基于物理的COSmic射線土壤水分相互作用代碼（COSMIC）計算地上中子通量[2013]。
4. DPU模塊（1D和2D）：
Brunetti等人開發(fā)的動態(tài)植物吸收（DPU）模塊[2019，2021，2022]模擬土壤-植物域中性化合物的易位和轉(zhuǎn)化。
5. UnsatChem模塊（3D）：
該模塊模擬主要離子的命運和運輸，可以評估土壤鹽度和鈉性問題。我們也在3D中實現(xiàn)了這個模塊（除了以前可用的1D和2D實現(xiàn)之外）。
6. C-Ride模塊（1D）
C-Ride模塊模擬多孔介質(zhì)中的一維和二維可變飽和水流，膠體運輸和膠體促進溶質(zhì)運輸。該模塊考慮了瞬態(tài)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(zhì)運動，以及由膠體運輸促進的溶質(zhì)運動。我們也在1D中實現(xiàn)了此模塊（除了以前可用的2D實現(xiàn)之外）。
7. 在蒸發(fā)過程中不分餾或恒定分餾的環(huán)境同位素的運輸（Stumpp等人，2012）（在1D中）。
8. 3D格式的BC水庫。
9. 印刷次數(shù)增加到10,000次。
10. 新的圖形功能，如所選變量的z-t圖。
HYDRUS一共五個版本，用戶可以選擇適合自己的版本。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)或更復(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到高版本。
HYDRUS：標準計算模型
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)運移的對流擴散型方程。
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)和對流運動。對流擴散的溶質(zhì)運移方程的管理是一個很普遍的形式，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)都已經(jīng)考慮到了。溶質(zhì)運移方程還包括了零階生產(chǎn)的影響、其他溶質(zhì)的獨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(tài)和氣態(tài)條件下可同時模擬溶質(zhì)運移。目前HYDRUS（不低于）可考慮15種溶質(zhì)，在單向鏈中耦合或溶質(zhì)間獨立運移。物理非平衡溶質(zhì)運移由雙區(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)和細菌運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(shù)。這些修正內(nèi)容對接近飽和狀態(tài)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(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Lenhardetal.和1992年Lenhard和Parker的滯變模型，它通過跟蹤歷史逆轉(zhuǎn)點從而消減泵。HYDRUS在給定的土壤環(huán)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(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Courant和Peclet數(shù)字不超預(yù)設(shè)水平。使用1990年Celiaetal.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)為選定的土壤進行水力逆估計或溶質(zhì)運移以及測量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)流和運移數(shù)據(jù)(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)以及約束的參數(shù)補償函數(shù)，約束的參數(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Langergraberetal)。
這個模塊認為大量的物理、化學和生物過程活躍在濕地，生物化學降解和轉(zhuǎn)化過程三組分的有機物質(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。
圖形用戶界面
一個基于微軟Windows圖形用戶界面(GUI)管理的運行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)建流和運移模型，并對運行中的圖形進行分析。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)處理單元包括所必要的參數(shù)規(guī)格，如成功運行HYDRUSFORTRAN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RosettaLite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)、域邊界的離散化和非結(jié)構(gòu)化的有限元網(wǎng)格的下一個版本。HYDRUS(標準版)帶有可選的網(wǎng)格生成程序，Meshgen可以生成非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格的二維域。HYDRUS基于Delaunay推論，已經(jīng)被集成到HYDRUS環(huán)境里了。在沒有Meshgen程序的情況下，HYDRUSGUI提供了簡單的、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版本下添加了指定的相同或不同厚度的層數(shù)。HYDRUS3D Pro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。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。可以同時顯示多個section。使用命令可以切斷和隱藏不需要的運移區(qū)域部分。
系統(tǒng)需求
適用于HYDRUS 5.X的新版本。請注意，舊版本的HYDRUS（版本1.x-3.x不再維護，可能與新的Windows操作系統(tǒng)不兼容）。
操作系統(tǒng)：Windows 11（64位）、Windows 10（64位）、Windows 8（64位）
X64 CPU
2GBRAM
10GB總硬盤容量，約500MB的安裝空間
分辨率1280x800像素的顯卡
推薦的系統(tǒng)配置：
使用HYDRUS計算3D模型，建議滿足以下系統(tǒng)要求：
操作系統(tǒng)Windows 10（64位）
CPU：4核或以上，單核性能比內(nèi)核數(shù)量更重要
內(nèi)存：16GB或以上
500GB硬盤空間
顯卡：分辨率為1920×1200或以上，具有OpenGL的良好顯卡-ATI/NVIDIA
【英文介紹】
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
