HYDRUS 水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件

時(shí)間：2021-01-07作者：北京天演融智軟件有限公司瀏覽：127

HYDRUS是一個(gè)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(jì)算，包括一個(gè)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(jì)。該模型互動(dòng)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(gè)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(duì)簡(jiǎn)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(jí)到高版本。 




標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(dòng)的有限元計(jì)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(duì)流擴(kuò)散型方程。 
水流方程包含一個(gè)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(duì)流運(yùn)動(dòng)。對(duì)流擴(kuò)散的溶質(zhì)運(yùn)移方程的管理是一個(gè)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(chóng)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(jí)降解以及一階衰減和生產(chǎn)反應(yīng)，以便提供連續(xù)一級(jí)鏈中溶質(zhì)間所需的耦合。運(yùn)移模擬也會(huì)引起液相對(duì)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(shí)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(dòng)和不可移動(dòng)區(qū)域。附著和分離理論，包括過(guò)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(lái)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(dòng)。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(lái)處理連續(xù)或時(shí)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(huì)發(fā)生變化，反之亦然。它還可以通過(guò)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(diǎn)排水是由一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬實(shí)驗(yàn)關(guān)系為代表。 

對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移來(lái)說(shuō)，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(lái)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(duì)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(shí)證模擬的滯變。 這個(gè)模型假定干燥掃描曲線是從主要干燥曲線衍生而來(lái)的，濕潤(rùn)掃描曲線是從主要濕潤(rùn)曲線衍生而來(lái)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(guò)跟蹤歷史逆轉(zhuǎn)點(diǎn)從而消除泵。HYDRUS在給定的土壤環(huán)境下可實(shí)行縮放過(guò)程已達(dá)到近似液壓變化，通過(guò)一組線性標(biāo)度變化工具，涉及個(gè)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(lái)求解控制方程。飽和和不飽和的狀態(tài)是通過(guò)有限差分格式集成實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果方程是以迭代方式求解的，通過(guò)線性化和隨后的高斯消元法對(duì)帶狀矩陣、對(duì)稱矩陣的共軛梯度法或不對(duì)稱矩陣正交較小化方法。額外的措施來(lái)提高瞬態(tài)問(wèn)題的求解效率，包括自動(dòng)時(shí)間步調(diào)整和確保Courant和 Peclet數(shù)字不**過(guò)預(yù)設(shè)水平。使用1990年Celia et al.提出的質(zhì)量守恒法來(lái)評(píng)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(xiàng)包含在里面。 

此外，HYDRUS可執(zhí)行Marquardt-Levenberg類型參數(shù)估計(jì)技術(shù)為選定的土壤進(jìn)行水力逆估計(jì)或溶質(zhì)運(yùn)移以及測(cè)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(guò)程允許估計(jì)幾個(gè)未知的參數(shù)，如觀察到的水含量、壓頭、濃度或瞬時(shí)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(jì))，可包含在參數(shù)估計(jì)過(guò)程中。 

一個(gè)新的模塊模擬地下水流人工濕地的生化轉(zhuǎn)化和降解過(guò)程，此模塊是為HYDRUS 的二維應(yīng)用開(kāi)發(fā)的(2005年的Langergraber和Simunek，2009年的Langergraber et al)。 這個(gè)模塊認(rèn)為大量的物理、化學(xué)和生物過(guò)程活躍在濕地，包括生物化學(xué)降解和轉(zhuǎn)化過(guò)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(wú)機(jī)磷、異養(yǎng)和自養(yǎng)微生物,溶氧和/或硫，他們同時(shí)活躍而且相互影響。 

 

附加模塊 
UNSATCHem模塊主要是用來(lái)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(dòng)力學(xué)。生成的代碼可用于預(yù)測(cè)土壤在瞬變流動(dòng)中的主要離子化學(xué)、水和溶質(zhì)通量。 

Wetlands模塊是用來(lái)模擬人工濕地反應(yīng)的。人工濕地水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能優(yōu)化自然環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的處理過(guò)程。HYDRUS濕地模塊包括兩個(gè)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(guò)程，以及對(duì)新的CWM1模塊中需氧、缺氧和厭氧過(guò)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(dòng)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(dòng)的，但也可以吸附移動(dòng)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(gè)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(kāi)發(fā)了這個(gè)新綜合仿真工具（HP2—HYDRUS-PHREEQC-2D縮寫(xiě))，主要是區(qū)別于一個(gè)類似的一維模塊HP1。這個(gè)模塊可以考慮各種混合平衡/動(dòng)力生物地球化學(xué)反應(yīng)。

 

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

HYPAR使用并行計(jì)算工具和技術(shù)來(lái)有效利用多核以及多處理器計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)并且顯著加快耗時(shí)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(dòng)從水蛇座*時(shí)間的結(jié)果。每個(gè)時(shí)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(kāi)發(fā)的。它使用一個(gè)統(tǒng)一的有效應(yīng)力方法飽和和不飽和的條件。這個(gè)模塊的目的是用來(lái)預(yù)測(cè)infiltration-induced滑坡啟動(dòng)和開(kāi)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(gè)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(jì)和編輯、參數(shù)配置、問(wèn)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(gè)流和運(yùn)移模型，并對(duì)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(lái)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(jì)算環(huán)境。這個(gè)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(gè)項(xiàng)目管理器和兩個(gè)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(yǔ)言代碼、相對(duì)簡(jiǎn)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(gè)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(dòng)生成有限元網(wǎng)格 
數(shù)據(jù)預(yù)處理涉及二維流動(dòng)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(gè)非結(jié)構(gòu)化的有限元網(wǎng)格的下一個(gè)版本。HYDRUS（標(biāo)準(zhǔn)版）帶有一個(gè)可選的網(wǎng)格生成程序，Meshgen可以生成一個(gè)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(wú)縫集成到HYDRUS環(huán)境里了。在沒(méi)有Meshgen程序的情況下，HYDRUS GUI提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的自動(dòng)構(gòu)建選項(xiàng)(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(gè)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(diǎn)、連續(xù)的時(shí)間步的圖形顯示和動(dòng)畫(huà)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(hào)的三角形、邊緣和點(diǎn)。觀察點(diǎn)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(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)單的部分稱為Section. 只有這些簡(jiǎn)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(duì)象的和基于有限元網(wǎng)格的。可以同時(shí)顯示多個(gè)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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