Hydrus (mjukvara)
 | |
| Utvecklare | PC-framsteg |
|---|---|
| Stabil frisättning | 3.02 |
| Operativ system | Windows 10 , Windows 8 , Windows 7 , Windows Vista , Windows XP |
| Typ | Hydrologisk modellering |
| Licens |
Public domain programvara (Hydrus-1D) Proprietär (HYDRUS 2D/3D) |
| Hemsida | http://www.pc-progress.com/en/default.aspx?hydrus-3d |
Hydrus är en svit av Windows-baserad modelleringsprogramvara som kan användas för analys av vattenflöde, värme och transport av lösta ämnen i varierande mättade porösa medier (t.ex. jord). HYDRUS-programsviten stöds av ett interaktivt grafikbaserat gränssnitt för dataförbehandling, diskretisering av markprofilen och grafisk presentation av resultaten. Medan HYDRUS-1D simulerar vattenflöde, lösta ämnen och värmetransport i en dimension och är en programvara för offentlig egendom, utökar HYDRUS 2D/3D simuleringsmöjligheterna till den andra och tredje dimensionen och distribueras kommersiellt.
Historia
HYDRUS 1D
HYDRUS-1D spårar sina rötter till van Genuchtens tidiga arbete och hans SUMATRA- och WORM-modeller, såväl som senare arbeten av Vogel (1987) och Kool och van Genuchten (1989) och deras SWMI- respektive HYDRUS-modeller. Medan Hermitiska kubiska finita elements numeriska scheman användes i SUMATRA och linjära finita element i WORM och den äldre HYDRUS-koden för lösning av både vattenflödes- och transportekvationerna för lösta ämnen, använde SWMI finita skillnader för att lösa flödesekvationen.
Olika funktioner hos dessa fyra tidiga modeller kombinerades först i den DOS-baserade SWMI_ST-modellen (Šimůnek et al., 1993), och senare i den Windows-baserade HYDRUS-1D-simulatorn (Šimůnek et al., 1998). Efter att ha släppt version 1 (för 16-bitars Windows 3.1) och 2 (för 32-bitars Windows 95), släpptes de nästa två stora uppdateringarna (versionerna 3 och 4) 2005 och 2008. Dessa två senaste versioner inkluderade ytterligare moduler som är tillämpliga på mer komplexa biogeokemiska reaktioner än de vanliga HYDRUS-modulerna.
Medan standardmodulerna i HYDRUS-1D kan simulera transporten av lösta ämnen som antingen är helt oberoende eller involverade i de sekventiella första ordningens nedbrytningskedjor, kan de två nya modulerna överväga ömsesidig interaktion mellan flera lösta ämnen, såsom katjonbyte och utfällning/upplösning .
Version 3 inkluderade UNSATCHEM-modulen (Suarez och Šimůnek, 1997) för simulering av koldioxidtransport samt multikomponenttransport av större joner. UNSATCHEM stora jonmodul inkluderades nyligen också i version 2 av HYDRUS (2D/3D) (Šimůnek et al., 2011). Version 4 av HYDRUS-1D innehåller nu inte bara UNSATCHEM-modulen, utan även HP1-programmet (Jacques och Šimůnek, 2005), vilket resulterade från kopplingen av HYDRUS-1D med det biogeokemiska programmet PHREEQC.
HYDRUS 2D/3D
Den nuvarande HYDRUS (2D/3D) programsviten och deras föregångare har en lång historia. Ursprunget till dessa modeller kan spåras tillbaka till det tidiga arbetet av Dr. Shlomo Neuman och medarbetare (t.ex. Neuman, 1972) som utvecklade sin UNSAT-modell vid Hydraulic Engineering Laboratory of Technion – Israel Institute of Technology, i Haifa, Israel , långt före introduktionen av persondatorer. UNSAT var en finita elementmodell som simulerade vattenflödet i tvådimensionella variabelt mättade domäner som beskrivs med Richards ekvation. Modellen tog dessutom hänsyn till rotvattenupptag samt en rad relevanta randvillkor som krävs för att säkerställa bred tillämpbarhet av modellen. UNSAT modifierades senare av Davis och Neuman (1983) vid University of Arizona, Tucson, så att modellen kunde köras på persondatorer.
Denna sista version av UNSAT utgjorde grunden för SWMII-modellen utvecklad av Vogel (1987) under hans vistelse vid Wageningen University, Nederländerna. SWMII utökade avsevärt funktionerna och användarvänligheten hos UNSAT. Koden simulerade variabelt mättat vattenflöde i tvådimensionella transportdomäner, implementerade van Genuchtens jordhydrauliska funktioner (van Genuchten, 1980) och modifieringar därav, beaktade rotvattenupptag genom att dra fördel av några av funktionerna i SWATRE-modellen ( Feddes ) et al., 1978), och inkluderade skalningsfaktorer för att möjliggöra simuleringar av flöde i heterogena jordar. Koden gjorde det också möjligt för flödesområdet att bestå av olikformiga jordar med en godtycklig grad av lokal anisotropi. SWMII var en direkt föregångare till SWMS_2D-modellen (Šimůnek et al., 1992) som utvecklades senare vid US Salinity Laboratory.
SWMS_2D-modellen (Šimůnek et al., 1992) utökade avsevärt kapaciteten hos SWMII genom att inkludera bestämmelser för transport av lösta ämnen. Transport av lösta ämnen beskrevs med hjälp av standardadvektion-dispersionsekvationen som inkluderade linjär sorption, första ordningens nedbrytning i både flytande och fast fas, och noll-ordningens produktion i båda faserna. Flera andra numeriska förbättringar implementerades vid den tiden också i SWMS_2D. Dessa inkluderade lösning av den blandade formen av Richards ekvation som föreslagits av Celia et al. (1990), vilket ger utmärkta massbalanser i vattenflödesberäkningarna. Medan SWMII kunde simulera vattenflöde i antingen tvådimensionella vertikala eller horisontella plan, utökade SWMS_2D utbudet av applikationer även till tredimensionella axisymmetriska flödesdomäner runt en vertikal symmetriaxel. Exempel är flöde till en brunn, infiltration från en ytring eller dragskiva infiltrometer och infiltration från en yt- eller underjordisk droppare.
Den första större uppgraderingen av SWMS_2D släpptes under namnet CHAIN_2D (Šimůnek et al., 1994b). Denna modell utökade kraftigt funktionerna hos SWMS_2D genom att bland annat inkludera sekventiella första ordningens sönderfallskedjor för lösta ämnen och värmetransport. Temperaturberoendet för markens hydrauliska egenskaper inkluderades genom att beakta temperaturens effekter på ytspänning, dynamisk viskositet och vattentäthet. Värmetransportekvationen i CHAIN_2D betraktade transport på grund av ledning och advektion med strömmande vatten. Transportekvationerna för lösta ämnen betraktade advektiv-dispersiv transport i vätskefasen, såväl som diffusion i gasfasen. Transportekvationerna inkluderade också bestämmelser för icke-linjära icke-jämviktsreaktioner mellan den fasta och flytande fasen, linjära jämviktsreaktioner mellan den flytande och gasformiga fasen, noll-ordningens produktion och två första ordningens nedbrytningsreaktioner: en som var oberoende av andra lösta ämnen, och en som förutsatt kopplingen mellan lösta ämnen involverade i de sekventiella första ordningens sönderfallsreaktioner.
SWMS_2D- och CHAIN_2D-modellerna utgjorde basen för version 1.0 (för 16-bitars Windows 3.1) och 2.0 (för 32-bitars Windows 95) av HYDRUS-2D (Šimůnek et al., 1999). En unik egenskap hos HYDRUS-2D var att den använde ett Microsoft Windows-baserat grafiskt användargränssnitt (GUI) för att hantera indata som krävs för att köra programmet, såväl som för nodaldiskretisering och redigering, parameterallokering, problemexekvering och visualisering av resultat. Den kunde hantera flödesområden avgränsade av oregelbundna gränser, såväl som tredimensionella områden som uppvisar radiell symmetri kring den vertikala axeln. Koden inkluderar MeshGen2D-nätgeneratorn, som är speciellt designad för variabelt mättade underjordiska flödes- och transportproblem. Nätgeneratorn kan användas för att definiera mycket generella domängeometrier och för att diskretisera transportdomänen till ett ostrukturerat finit elementnät. HYDRUS-2D har nyligen helt ersatts med HYDRUS (2D/3D) enligt beskrivningen nedan.
Mjukvarupaketet HYDRUS (2D/3D) (version 1) (Šimůnek et al., 2006; Šejna och Šimůnek, 2007) är en förlängning och ersättning av HYDRUS-2D (version 2.0) och SWMS_3D (Šimůnek et al.) . Detta mjukvarupaket är en komplett omskrivning av HYDRUS-2D och dess tillägg för två- och tredimensionella geometrier. Förutom funktioner och processer som är tillgängliga i HYDRUS-2D och SWMS_3D, tar de nya beräkningsmodulerna i HYDRUS (2D/3D) hänsyn till (a) vattenflöde och transport av lösta ämnen i ett system med dubbelporositet, vilket möjliggör preferentiellt flöde i sprickor eller makroporer samtidigt som vatten lagras i matrisen, (b) rotvattenupptag med kompensation, (c) de rumsliga rotfördelningsfunktionerna, (d) jordhydrauliska egenskapsmodeller för Kosugi och Durner, (e) transport av virus, kolloider och/ eller bakterier som använder en fastsättnings-/avskiljningsmodell, filtreringsteori och blockeringsfunktioner, (f) en konstruerad våtmarksmodul (endast i 2D), (g) den nya hysteresmodellen för att eliminera pumpning genom att hålla reda på historiska vändpunkter och många andra alternativ.
Simulerade processer
Båda HYDRUS-modellerna kan användas för att simulera rörelse av vatten, värme och flera lösta ämnen i varierande mättade medier. Båda programmen använder linjära finita element för att numeriskt lösa Richards ekvation för mättat-omättat vattenflöde och Fickian-baserade advektionsspridningsekvationer för både värme- och löst transport. Flödesekvationen innehåller också en sänkterm för att redogöra för vattenupptaget av växtrötter som en funktion av både vatten- och salthaltsstress. De omättade jordens hydrauliska egenskaper kan beskrivas med hjälp av analytiska funktioner av typen Van Genuchten, Brooks och Corey, modifierade van Genuchten, Kosugi och Durner. Värmetransportekvationen tar hänsyn till såväl ledning som advektion med strömmande vatten. Transportekvationerna för lösta ämnen antar advektiv-dispersiv transport i vätskefasen och diffusion i gasfasen. Transportekvationerna inkluderar vidare bestämmelser för icke-linjära och/eller icke-jämviktsreaktioner mellan den fasta och flytande fasen, linjära jämviktsreaktioner mellan den flytande och gasformiga fasen, noll-ordningens produktion och två första ordningens nedbrytningsreaktioner: en som är oberoende av andra lösta ämnen, och en som tillhandahåller kopplingen mellan lösta ämnen involverade i sekventiella första ordningens sönderfallsreaktioner. Dessutom kan fysikalisk icke-jämviktstransport av lösta ämnen förklaras genom att anta en tvåregionsformulering med dubbelporositet som delar upp vätskefasen i rörliga och orörliga områden.
HYDRUS-modeller kan användas för att analysera vatten och lösta ämnens rörelse i omättade, delvis mättade eller helt mättade homogena eller skiktade media. Koderna inkorporerar hysteres genom att anta att torkningsavsökningskurvor skalas från huvudtorkkurvan och vätningsavsökningskurvor från huvudvätningskurvan. Rotvattenupptaget kan simuleras som en funktion av både vatten- och salthaltsstress, och kan antingen kompenseras eller okompenseras. HYDRUS-mjukvarupaketen implementerar dessutom en parameteruppskattningsteknik av Marquardt–Levenberg-typ för omvänd uppskattning av jordhydraulisk och/eller löst materialtransport och reaktionsparametrar från uppmätta transient- eller steady-state flödes- och/eller transportdata. Programmen är för detta ändamål skrivna på ett sådant sätt att nästan vilken applikation som helst som kan köras i ett direktläge lika väl kan köras i ett omvänt läge, och därmed för modellkalibrering och parameteruppskattning.
HYDRUS-paketen använder ett Microsoft Windows-baserat grafiskt användargränssnitt (GUI) för att hantera indata som krävs för att köra programmet, såväl som för nodaldiskretisering och redigering, parameterallokering, problemexekvering och visualisering av resultat. Alla rumsligt fördelade parametrar, såsom de för olika markhorisonter, rotvattenupptagningsfördelningen och de initiala förutsättningarna för vatten, värme och lösta ämnens rörelse, specificeras i en grafisk miljö. Programmet erbjuder grafer över fördelningarna av tryckhöjd, vattenhalt, vatten- och lösta flöden, rotvattenupptag, temperatur och koncentrationer av lösta ämnen i underytan vid förvalda tidpunkter. Dessutom ingår en liten katalog över omättade jordhydrauliska egenskaper, såväl som pedoöverföringsfunktioner baserade på neurala nätverk.
Båda HYDRUS-modellerna överväger också olika åtgärder för att simulera icke-jämviktsflöde och transport. Flödesekvationen för det senare syftet kan betrakta flöde av dubbelporositetstyp där en del av vatteninnehållet är rörligt och en del orörlig. Transportekvationerna modifierades dessutom för att tillåta beaktande av kinetiska bindnings-/avskiljande processer för lösta ämnen till den fasta fasen, och följaktligen av lösta ämnen med en ändlig storlek. Denna fäste/avskiljande funktion har använts av många nyligen för att simulera transport av virus, kolloider och bakterier.
HYDRUS-modellen inkluderar vidare moduler för simulering av koldioxidtransport (endast HYDRUS-1D) och större jonkemimoduler, antagna från UNSATCHEM-programmet. HYDRUS-1D kan således användas i applikationer som utvärderar total salthalt, koncentrationen av individuella lösliga katjoner, såväl som av natriumadsorptionsförhållandet och den utbytbara natriumprocenten.
Ansökningar
Både HYDRUS-1D och HYDRUS (2D/3D) har använts i hundratals, om inte tusentals applikationer som refererats till i fackgranskade tidskriftsartiklar och många tekniska rapporter. Båda mjukvarupaketen används också i klassrum vid många universitet i kurser som täcker markfysik, processer i Vadose-zonen eller Vadose-zonens hydrologi. En utvald lista med hundratals applikationer för båda HYDRUS-programpaketen finns på:
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-references
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-references
Webbplatsen tillhandahåller också många specifika applikationer i biblioteken för HYDRUS-projekt på:
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-library
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-applications
HYDRUS-programvaran tillhandahåller också möjligheter för att simulera vattenflöde och transport av lösta ämnen för specialiserade domäner.
Konstruerad våtmarksmodul
Konstruerade våtmarker (CWs) är konstruerade vattenreningssystem som optimerar de reningsprocesser som finns i naturliga miljöer. CW är populära system som effektivt behandlar olika typer av förorenat vatten och är därför hållbara, miljövänliga lösningar. Ett stort antal fysikaliska, kemiska och biologiska processer är samtidigt aktiva och påverkar varandra ömsesidigt. HYDRUS erbjuder två biokinetiska modellformuleringar: (a) CW2D-modulen (Langergraber och Šimůnek, 2005) och/eller den biokinetiska modellen CW M1 (Constructed Wetland Model #1) (Langergraber et al., 2009b).