Hydrus (программное обеспечение) - Hydrus (software)

Hydrus
Hydrus1.png
Разработчики)Прогресс ПК
Стабильный выпуск
3.02
Операционная системаWindows 10, Windows 8, Windows 7, Виндоус виста, Windows XP
ТипГидрологическое моделирование
ЛицензияПрограммное обеспечение общественного достояния (Гидрус-1Д)
Проприетарный (HYDRUS 2D / 3D)
Интернет сайтhttp://www.pc-progress.com/en/default.aspx?hydrus-3d

Hydrus представляет собой набор программного обеспечения для моделирования на базе Windows, которое можно использовать для анализа потока воды, тепла и переноса растворенных веществ в пористых средах с различной степенью насыщенности (например, почвах). Пакет программного обеспечения HYDRUS поддерживается интерактивным графическим интерфейсом для предварительной обработки данных, дискретизации профиля почвы и графического представления результатов. Пока ГИДРУС-1Д моделирует поток воды, растворенных веществ и перенос тепла в одном измерении и является программное обеспечение общественного достояния, HYDRUS 2D / 3D расширяет возможности моделирования до второго и третьего измерения и распространяется на коммерческой основе.

История

HYDRUS 1D

MainPg 04.gif
История разработки Hydrus-1D

HYDRUS-1D восходит к ранним работам ван Генухтена.[1][2] и его модели SUMATRA и WORM, а также более поздние работы Фогеля (1987)[3] и Кул и ван Генухтен (1989)[4] и их модели SWMI и HYDRUS соответственно. В то время как эрмитова кубическая заключительный элемент численные схемы использовались в SUMATRA и линейных конечных элементах в WORM и более старом коде HYDRUS для решения уравнений потока воды и переноса растворенных веществ, использовался SWMI конечные разности для решения уравнения потока.

Различные особенности этих четырех ранних моделей были объединены сначала в модели SWMI_ST на базе DOS (Шимунек и др., 1993), а затем в симуляторе HYDRUS-1D на базе Windows (Шимунек и др., 1998).[5] После выпуска версий 1 (для 16-разрядной Windows 3.1) и 2 (для 32-разрядной Windows 95) следующие два основных обновления (версии 3 и 4) были выпущены в 2005 и 2008 годах. Эти последние две версии включали дополнительные модули, применимые к более сложные биогеохимические реакции, чем стандартные модули HYDRUS.

Хотя стандартные модули HYDRUS-1D могут моделировать перенос растворенных веществ, которые либо полностью независимы, либо участвуют в последовательных цепочках разложения первого порядка, два новых модуля могут учитывать взаимные взаимодействия между несколькими растворенными веществами, такие как обмен катионов и осаждение / растворение. .

Версия 3 включала модуль UNSATCHEM (Suarez and Šimůnek, 1997[6]) для моделирования переноса диоксида углерода, а также многокомпонентного переноса основных ионов. Модуль основных ионов UNSATCHEM был недавно включен также во 2 версию HYDRUS (2D / 3D) (Šimůnek et al., 2011[7]). Версия 4 HYDRUS-1D теперь включает не только модуль UNSATCHEM, но и программу HP1 (Jacques and Šimůnek, 2005[8]), который возник в результате сочетания HYDRUS-1D с биогеохимической программой PHREEQC.[9]

HYDRUS 2D / 3D

Текущий пакет программного обеспечения HYDRUS (2D / 3D) и их предшественники имеют долгую историю. Происхождение этих моделей можно проследить до ранних работ доктора Шломо Ноймана и его сотрудников (например, Neuman, 1972 г.[10]), которые разработали свою модель UNSAT в Гидротехнической лаборатории г. Технион - Израильский технологический институт в Хайфе, Израиль, задолго до появления персональных компьютеров. UNSAT был моделью конечных элементов, моделирующей поток воды в двумерных областях с переменной насыщенностью, как описано с помощью уравнения Ричардса. Модель дополнительно учитывала водопоглощение корнями, а также ряд соответствующих граничных условий, необходимых для обеспечения широкого применения модели. UNSAT был позже модифицирован Дэвисом и Нойманом (1983).[11] в Университете Аризоны, Тусон, чтобы модель могла работать на персональных компьютерах.

Эта последняя версия UNSAT легла в основу модели SWMII, разработанной Фогелем (1987) во время его пребывания в Университет Вагенингена, Нидерланды. SWMII значительно расширил возможности и простоту использования UNSAT. Программа смоделировала поток воды с переменной насыщенностью в двумерных транспортных областях, реализовала гидравлические функции почвы ван Генухтена (van Genuchten, 1980[12]) и его модификации, которые считаются поглощением воды корнями за счет использования некоторых особенностей SWATRE модель (Feddes et al., 1978[13]) и включены коэффициенты масштабирования, позволяющие моделировать поток в неоднородных грунтах. Код также позволял составить область течения из неоднородных грунтов с произвольной степенью локальной анизотропии. SWMII был прямым предшественником модели SWMS_2D (Šimůnek et al., 1992[14]), разработанный позже в лаборатории солености США.

Модель SWMS_2D (Šimůnek et al., 1992[15]) значительно расширили возможности SWMII, включив в него условия для переноса растворенных веществ. Перенос растворенного вещества описывался с использованием стандартного уравнения адвекции-дисперсии, которое включало линейную сорбцию, деградацию первого порядка как в жидкой, так и в твердой фазах и производство нулевого порядка в обеих фазах. В то время в SWMS_2D было реализовано несколько других численных улучшений. Они включали решение смешанной формы уравнения Ричардса, предложенное Селией и др. (1990),[16] Таким образом обеспечивается отличный баланс массы при расчетах расхода воды. В то время как SWMII может моделировать поток воды в двумерной вертикальной или горизонтальной плоскости, SWMS_2D расширил диапазон приложений также на трехмерные осесимметричные области потока вокруг вертикальной оси симметрии. Примеры: приток к скважине, проникновение из поверхностное кольцо или же инфильтрометр с натяжным диском, и проникновение из поверхностной или подповерхностной капельницы.

История разработки HYDRUS 2D / 3D

Первое крупное обновление SWMS_2D было выпущено под названием CHAIN_2D (Šimůnek et al., 1994b[17]). Эта модель значительно расширила возможности SWMS_2D, включая, среди прочего, последовательные цепочки распада растворенных веществ первого порядка и перенос тепла. Температурная зависимость гидравлических свойств грунта была включена с учетом влияния температуры на поверхностное натяжение, динамическое вязкость и плотность воды. Уравнение переноса тепла в CHAIN_2D рассматривает перенос за счет теплопроводности и адвекции с текущей водой. Уравнения переноса растворенных веществ учитывают адвективно-дисперсионный перенос в жидкой фазе, а также диффузию в газовой фазе. Уравнения переноса также включали положения для нелинейных неравновесных реакций между твердой и жидкой фазами, линейных равновесных реакций между жидкой и газовой фазами, образования нулевого порядка и двух реакций разложения первого порядка: одна, которая не зависела от других растворенных веществ, а другая - при условии связывания растворенных веществ, участвующих в последовательных реакциях распада первого порядка.

Модели SWMS_2D и CHAIN_2D легли в основу версий 1.0 (для 16-битной Windows 3.1) и 2.0 (для 32-битной Windows 95) HYDRUS-2D (Šimůnek et al., 1999[18]). Уникальной особенностью HYDRUS-2D было то, что он использовал графический интерфейс пользователя (GUI) на основе Microsoft Windows для управления входными данными, необходимыми для запуска программы, а также для узловой дискретизации и редактирования, распределения параметров, выполнения задач и визуализации полученные результаты. Он может обрабатывать области потока, очерченные нерегулярными границами, а также трехмерные области, демонстрирующие радиальную симметрию относительно вертикальной оси. Код включает в себя генератор сетки MeshGen2D, который был специально разработан для решения задач подземного потока и транспорта с переменной насыщенностью. Генератор сетки может использоваться для определения очень общей геометрии доменов и для дискретизации транспортной области в неструктурированную сетку конечных элементов. HYDRUS-2D был недавно полностью заменен HYDRUS (2D / 3D), как описано ниже.

Программный пакет HYDRUS (2D / 3D) (версия 1) (Шимунек и др., 2006;[19] Шейна и Шимунек, 2007 г.[20]) является расширением и заменой HYDRUS-2D (версия 2.0) и SWMS_3D (Šimůnek et al., 1995[21]). Этот программный пакет является полностью переписанным HYDRUS-2D и его расширениями для двух- и трехмерных геометрий. В дополнение к функциям и процессам, доступным в HYDRUS-2D и SWMS_3D, новые вычислительные модули HYDRUS (2D / 3D) учитывают (а) поток воды и перенос растворенных веществ в системе с двойной пористостью, что позволяет обеспечить предпочтительный поток в трещинах или макропорах. при хранении воды в матрице, (b) поглощение воды корнями с компенсацией, (c) функции пространственного распределения корней, (d) модели гидравлических свойств почвы Косуги и Дёрнера, (e) перенос вирусов, коллоидов и / или бактерии, использующие модель прикрепления / отрыва, теорию фильтрации и функции блокировки, (f) построенный модуль водно-болотных угодий (только в 2D), (g) новую модель гистерезиса для устранения откачки путем отслеживания исторических точек разворота и многие другие опции.

Смоделированные процессы

Обе модели HYDRUS могут использоваться для моделирования движения воды, тепла и множества растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью. Обе программы используют линейные конечные элементы для численного решения Уравнение Ричардса для потока насыщенной-ненасыщенной воды и на основе Фикиана уравнения дисперсии адвекции для переноса тепла и растворенных веществ. Уравнение потока также включает поглотитель для учета поглощения воды корнями растений в зависимости от стресса от воды и солености. В гидравлические свойства ненасыщенного грунта могут быть описаны с помощью аналитических функций типа ван Генухтена, Брукса и Кори, модифицированных ван Генухтена, Косуги и Дарнера. Уравнение теплопереноса учитывает проводимость, а также адвекцию с проточной водой. Уравнения переноса растворенных веществ предполагают адвективно-дисперсионный перенос в жидкой фазе и диффузию в газовой фазе. Уравнения переноса дополнительно включают положения для нелинейных и / или неравновесных реакций между твердой и жидкой фазами, линейных равновесных реакций между жидкой и газовой фазами, производства нулевого порядка и двух реакций разложения первого порядка: одна, которая не зависит от другие растворенные вещества, а также тот, который обеспечивает связь между растворенными веществами, участвующими в последовательных реакциях распада первого порядка. Кроме того, физический неравновесный перенос растворенного вещества можно учесть, допуская двухзонный состав с двойной пористостью, который разделяет жидкую фазу на подвижные и неподвижные области.

Модели HYDRUS могут использоваться для анализа движения воды и растворенных веществ в ненасыщенных, частично насыщенных или полностью насыщенных однородных слоистых средах. Коды включают гистерезис предполагая, что кривые сканирования сушки масштабируются от основной кривой сушки, а кривые сканирования смачивания - от основной кривой смачивания. Поглощение воды корнями может быть смоделировано как функция как водного, так и соленого стресса, и может быть либо компенсировано, либо некомпенсировано. Пакеты программного обеспечения HYDRUS дополнительно реализуют Методика оценки параметров типа Марквардта – Левенберга за обратная оценка гидравлических параметров почвы и / или переноса растворенных веществ и параметров реакции на основе измеренных данных о переходном или установившемся потоке и / или переносе. Программы для этой цели написаны таким образом, что практически любое приложение, которое может быть запущено в прямом режиме, может быть одинаково хорошо запущено в обратном режиме и, следовательно, для калибровки модели и оценки параметров.

Пакеты HYDRUS используют графический пользовательский интерфейс (GUI) на базе Microsoft Windows для управления входными данными, необходимыми для запуска программы, а также для узловой дискретизации и редактирования, распределения параметров, выполнения задач и визуализации результатов. Все пространственно распределенные параметры, такие как параметры для различных горизонтов почвы, распределение водопоглощения корнями и начальные условия движения воды, тепла и растворенных веществ, указаны в графической среде. Программа предлагает графики распределения напора, содержания воды, потоков воды и растворенных веществ, поглощения корневой водой, температуры и концентрации растворенных веществ в недрах в заранее выбранные моменты времени. Также включен небольшой каталог гидравлических свойств ненасыщенных грунтов, а также педотрансферные функции на основе нейронных сетей.

Обе модели HYDRUS также рассматривают различные положения для моделирования неравновесного потока и переноса. Уравнение потока для последней цели может учитывать поток с двойной пористостью, при этом часть воды является подвижной, а часть - неподвижной. Уравнения переноса дополнительно были изменены, чтобы учесть кинетические процессы присоединения / отрыва растворенных веществ к твердой фазе и, следовательно, растворенных веществ, имеющих конечный размер. Эта функция прикрепления / отсоединения в последнее время использовалась многими для моделирования переноса вирусов, коллоидов и бактерий.

Модель HYDRUS также включает модули для моделирования переноса углекислого газа (только HYDRUS-1D) и основные модули химии ионов, взятые из программы UNSATCHEM. Таким образом, HYDRUS-1D может быть использован в приложениях для оценки общей солености, концентрации отдельных растворимых катионов, а также коэффициента адсорбции натрия и процентного содержания обменного натрия.

Приложения

И HYDRUS-1D, и HYDRUS (2D / 3D) использовались в сотнях, если не в тысячах приложений, упоминаемых в рецензируемых журнальных статьях и во многих технических отчетах. Оба пакета программного обеспечения также используются в учебных аудиториях многих университетов на курсах по физике почв, процессам в зоне Вадоза или гидрологии зоны Вадоза. Избранный список из сотен приложений обоих программных пакетов HYDRUS представлен по адресу:

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-references

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-references

На веб-сайте также есть множество конкретных приложений в библиотеках проектов HYDRUS по адресу:

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-library

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-applications

Программное обеспечение HYDRUS также предоставляет возможности для моделирования потока воды и переноса растворенных веществ в специализированных областях.

Построенный модуль водно-болотных угодий

Построенные водно-болотные угодья (CW) - это инженерные системы очистки воды, которые оптимизируют процессы очистки в естественной среде. CW - это популярные системы, которые эффективно очищают различные типы загрязненной воды и поэтому представляют собой устойчивые, экологически чистые решения. Большое количество физических, химических и биологических процессов одновременно активны и взаимно влияют друг на друга. HYDRUS предлагает две формулировки биокинетической модели: (а) модуль CW2D (Langergraber and Šimůnek, 2005).[22]) и / или биокинетической модели CW M1 (построенная модель водно-болотных угодий № 1) (Langergraber et al., 2009b[23]).

Рекомендации

  1. ^ van Genuchten, M. Th. 1978. Массовый перенос в насыщенно-ненасыщенных средах: одномерные решения. Исследовательский отчет № 78-WR-11. Программа водных ресурсов. Princeton Univ. Принстон, штат Нью-Джерси.
  2. ^ van Genuchten, M. Th. 1987. Численная модель движения воды и растворенных веществ в корневой зоне и под ней. Отчет об исследовании № 121. Лаборатория солености США, USDA, ARS, Риверсайд, Калифорния.
  3. ^ Фогель Т. 1987. SWMII - Численная модель двумерного потока в пористой среде с переменным насыщением. Научно-исследовательский отдел № 87. Кафедра гидравлики и гидрологии водосбора. Сельскохозяйственный университет, Вагенинген, Нидерланды.
  4. ^ Kool, J. B. и M. Th. ван Генухтен. 1989. HYDRUS, Одномерная модель переменного насыщения потока и переноса, включая гистерезис и поглощение корневой воды. Версия 3.2. Руководство пользователя. Hydrogeologic Inc., Херндон, Вирджиния, 116 стр.
  5. ^ Šimůnek, J., M. Šejna, M. Th. ван Генухтен. 1998 г. ГИДРУС-1Д программный пакет для моделирования одномерного движения воды, тепла и множества растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью. Версия 1.0. IGWMC - TPS - 70, Международный центр моделирования подземных вод, Горная школа Колорадо, Голден, Колорадо, 186pp.
  6. ^ Суарес Д. Л. и Й. Шимунек. 1997. UNSATCHEM: ненасыщенная вода и транспортная модель растворенных веществ с равновесной и кинетической химией. Почвоведение. Soc. Являюсь. J., 61: 1633–1646.
  7. ^ Šimůnek, J., M. Th. ван Генухтен и М. Шейна. 2011. Программный пакет HYDRUS для моделирования двумерного и трехмерного движения воды, тепла и множества растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью. Техническое руководство, версия 2.0, PC Progress, Прага, Чешская Республика, стр. 258.
  8. ^ Жак Д. и Я. Шимунек. 2005. Руководство пользователя многокомпонентной модели переменного насыщенного потока и транспорта HP1, описание, проверка и примеры. Версия 1.0. SCK • CEN-BLG-998, Отходы и утилизация, SCK • CEN, Мол, Бельгия, 79 стр.
  9. ^ Parkhurst, D. L., and C. A. J. Appelo. 1999. Руководство пользователя PHREEQC (версия 2): компьютерная программа для видообразования, периодической реакции, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Водные ресурсы. Вкладывать деньги. Реп. 99-4259. Геологическая служба США, Денвер, Колорадо.
  10. ^ Нойман, С. П. 1972. Компьютерные программы с конечными элементами для течения в насыщенно-ненасыщенных пористых средах. Второй годовой отчет, проект № A10-SWC-77, Гидротехническая лаборатория, Технион, Хайфа, Израиль.
  11. ^ Дэвис, Л. А. и С. П. Нойман. 1983. Документация и руководство пользователя: UNSAT2 - Модель переменного насыщенного потока. Заключительный отчет, WWL / TM-1791-1, Water, Waste & Land, Inc., Ft. Коллинз, Колорадо.
  12. ^ van Genuchten, M. Th. 1980. Уравнение в замкнутой форме для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных грунтов. Почвоведение. Soc. Являюсь. J., 44: 892898.
  13. ^ Феддес Р. А., Ковалик П. Дж. И Зарадный Х. 1978. Моделирование полевого водопользования и урожайности. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, Нью-Йорк.
  14. ^ Šimůnek, J., T. Vogel и M. Th. ван Генухтен. 1992. Программа SWMS_2D для моделирования потока воды и переноса растворенных веществ в двумерных средах с переменным насыщением, версия 1.1, исследовательский отчет № 126, Лаборатория солености США, USDA, ARS, Riverside, CA.
  15. ^ Šimůnek, J., T. Vogel и M. Th. ван Генухтен. 1992. Программа SWMS_2D для моделирования потока воды и переноса растворенных веществ в двумерных средах с переменным насыщением, версия 1.1, исследовательский отчет № 126, Лаборатория солености США, USDA, ARS, Riverside, CA.
  16. ^ Селия, М. А. и Э. Т. Буутас, Р. Л. Зарба. 1990. Общее консервативное по массе численное решение уравнения ненасыщенного потока. Водный ресурс. Res., 26: 1483-1496.
  17. ^ Šimůnek, J., and M. Th. ван Генухтен. 1994. Программа CHAIN_2D для моделирования двумерного движения потока воды, тепла и множества растворенных веществ в пористой среде с переменной насыщенностью. Версия 1.1, Отчет об исследовании № 136, Лаборатория солености США, USDA, ARS, Риверсайд, Калифорния.
  18. ^ Šimůnek, J., M. Šejna, M. Th. ван Генухтен. 1999. Пакет программ HYDRUS-2D для моделирования двумерного движения воды, тепла и множества растворенных веществ в средах с переменным насыщением. Версия 2.0, IGWMC - TPS - 53, Международный центр моделирования подземных вод, Колорадская горная школа, Голден, Колорадо, 251 стр.
  19. ^ Šimůnek, J., M. Th. ван Генухтен и М. Шейна. 2006. Программный пакет HYDRUS для моделирования двумерного и трехмерного движения воды, тепла и множества растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью, Техническое руководство, версия 1.0, PC Progress, Прага, Чешская Республика, стр. 241.
  20. ^ Шейна М. и Я. Шимунек. 2007. HYDRUS (2D / 3D): графический интерфейс пользователя для программного пакета HYDRUS, моделирующего двух- и трехмерное движение воды, тепла и множества растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью, опубликовано на сайте www.-pc-progress.cz , ПК-Прогресс, Прага, Чехия.
  21. ^ Šimůnek, J., K. Huang, and M. Th. ван Генухтен. 1995. Программа SWMS_3D для моделирования потока воды и переноса растворенных веществ в трехмерных средах с переменной насыщенностью. Версия 1.0, Отчет об исследовании № 139, Лаборатория солености США, USDA, ARS, Риверсайд, Калифорния, 155 стр.
  22. ^ Лангерграбер, Г., и Й. Шимонек, Моделирование водного потока с переменной насыщенностью и многокомпонентного реактивного переноса в построенных водно-болотных угодьях, Vadose Zone J., 4 (4), 924–938, 2005.
  23. ^ Langergraber, G., D. Rousseau, J. García и J. Mena, CWM1 - Общая модель для описания биокинетических процессов в заболоченных территориях, построенных подземным потоком, Water Sci. Технол., 59 (9), 1687-1697, 2009.

внешняя ссылка