仿照可变鼓和多孔介质中水热溶质运移的软件

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• 溶质运移软件HYDRUS软件常见问题解答（一）
• 利用HYDRUS数值模型改进泥土水动力学尝试讲授
• HYDRUS软件在可变鼓和多孔介质中水流和溶质输运分析中的利用

索求软件

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HYDRUS是一个运行于Windows系统下的环境仿照软件
，重要用于变量鼓和多孔介质的水流和溶质运移。HYDRUS蕴含用于仿照变量鼓和多孔介质下的水、热和多溶质运移的二维和三维有限元推算
，蕴含一个参数算法
，用于各类泥土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
，可进行数据前处置、结构化和非结构化的有限元网格天生以及了局的图形展示。

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HYDRUS 5.01版本已于2022年4月颁布
，它归并了两个先前独立的软件包HYDRUS-1D（V4
，用于一维利用）和HYDRUS（2D/3D）（V3
，用于二维和三维利用）。V5版本带有集成的HYDRUS-1D和新的附加？椋≒FAS
，DPU
，Cosmic
，Particle Tracking等）。

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

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新职能和更改：

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1. PFAS？椋ㄒ晃投维）：

PFAS？樗伎剂硕钥掌-水界面的吸附以及溶液浓度对保留和粘度的影响。因而
，PFAS？榭捎糜诜抡誔FAS化学品的命运和运输（Silva等人
，2021）。

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2. 粒子跟踪？椋1D）：

此？楦偃绻Ｗ拥牡匚
，这些粒子起头是在泥土剖面图中界说
，或者在其天堑处开释。该？榈牧司挚捎糜谕扑隳嗤疗拭嬷蟹制绲匚坏哪嗤了敖Ψ蚝退。

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3. COSMIC？椋1D）：

由Bruneti等人开发的COSMIC？閇2019]使用Shuttleworth等人基于物理的COSmic射线泥土水分相互作用代码（COSMIC）推算地上中子通量[2013]。

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4. DPU？椋1D和2D）：

Brunetti等人开发的动态植物吸收（DPU）？閇2019
，2021
，2022]仿照泥土-植物域中性化合物的易位和转化。

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5. UnsatChem？椋3D）：

该？榉抡罩匾胱拥拿撕驮耸
，能够评估泥土盐度和钠性问题。我们也在3D中实现了这个？椋ǔ艘郧翱捎玫1D和2D实现之表）。

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6. C-Ride？椋1D）

C-Ride？榉抡斩嗫捉橹手械囊晃投维可变鼓和水流
，胶体运输和胶体推进溶质运输。该？樗伎剂怂蔡杀涔暮退
，以及由于平流
，扩散和分散引起的胶体和溶质活动
，以及由胶体运输推进的溶质活动。我们也在1D中实现了此？椋ǔ艘郧翱捎玫2D实现之表）。

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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）。

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8. 3D体式的BC水库。

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9. 印刷次数增长到10,000次。

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10. 新的图形职能
，如所选变量的z-t图。

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HYDRUS一共五个版本
，用户能够选择适合自己的版本。用户能够选择局限于通常职能的二维利用(2D-Standard版本
，与之前含有MeshGen-2D的Hydrus-2D职能一致)或者二维和三维利用(如3D-Standard或3D-Professional)。用户也能够选择相对单一的(二维直角几何图形—3D-Lite,与之前不含MeshGen-2D的Hydrus-2D职能一致)或三维的几何立体图形–3D-Lite)或更复杂的几何图形(用于通常二维几何图形的2D-Standard或在二维基础上以及分层三维的3D-Standard
，以及用于通常三维几何图形的3D-Professional)。用户也能够选择从低版本到高版本。

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HYDRUS：尺度推算模型

HYDRUS是仿照变量鼓和多孔介质下的水、热和多溶质二维和三维活动的有限元推算模型。HYDRUS数值求解鼓和非鼓和水流的Richards方程和热传递和溶质运移的对流扩散型方程。

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水流方程蕴含一个下沉期
，可导致植物根系吸水。热传递方程思考了水流传导和对流活动。对流扩散的溶质运移方程的治理是一个很普遍的大局
，蕴含固体和液态非线性非平衡反映的划定以及液体和气体的线性平衡反映。因而
，不论是吸附溶质还是挥发溶质都已经思考到了。溶质运移方程还蕴含了零阶出产的影响、其他溶质的独立一级降解以及一阶衰减和出产反映
，以便提供陆续一级链中溶质间所需的耦合。运移仿照也会引起液相对流和扩散、气相扩散
，因而次模型在液态和气态前提下可同时仿照溶质运移。目前HYDRUS（不低于）可思考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沉孔隙公式引起
，并把液相分成移动和不成移动区域。附着和分离理论
，蕴含过滤理论
，病毒、胶质和细菌运移的仿照也蕴含在其中。

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HYDRUS可用来分析水质和溶质在非鼓和、部门鼓和或是鼓和多孔介质情况下的活动。HYDRUS可由不规定天堑处置水流区域
，水流区域自身可能是由非均匀泥土组成拥有部门各向异性肆意水平。水流和运移可能产生在垂直面
，也可能在水平面
，拥有径向对称性的垂直轴或三维区域。

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模型的水流部门能够用来处置陆续或时变的划定的方向和流量天堑
，以及由形象前提节造的天堑。泥土表表天堑前提在仿照从给定的流量到划定的方向类型前提期间可能会产生变动
，反之亦然。它还能够通过水域鼓和部门的渣滓水量和不排水天堑前提处置自由面天堑。节点排水是由一个单一的仿照尝试关系为代表。

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对溶质运移来说
，软件既支持陆续和变动的划定浓度(Dirichlet或first-type)也支持浓度通量天堑(Cauchy或third-type)。弥散张量蕴含分子扩散和崎岖的了局反映影响。

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不鼓和泥土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和建改的vanGenuchten的型解析函数。这些建改内容对靠近鼓和状态的水利属性做了进一步的描述。HYDRUS软件蕴含了由1983年Scottetal.以及1987年Kool和Parker引进的结合实证仿照的滞变。

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这个模型假定干燥扫描曲线是从重要干燥曲线衍生而来的
，湿润扫描曲线是从重要湿润曲线衍生而来的。HYDRUS还蕴含1991年的Lenhardetal.和1992年Lenhard和Parker的滞变模型
，它通过跟踪汗青逆转点从而消减泵。HYDRUS在给定的泥土环境下可尝试缩放过程已达到近似液压变动
，通过一组线性标度变动工具
，涉及个别泥土水力与参考泥土的关系。

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使用利用到三角元素网络中的Galerkin的线性有限元步骤来求解节造方程。鼓和和不鼓和的状态是通过有限差分体式实现的。了局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合称矩阵正交幼化步骤。额表的措施来提高瞬态问题的求解效能
，蕴含自动功夫措施整和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。削减数值振荡上行沉量作为求解运移方程的选项蕴含在里面。

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此表
，HYDRUS可执行Marquardt-Levenberg类型参数估计技术为选定的泥土进行水力逆估计或溶质运移以及丈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、浓度或瞬时或累积天堑通量(如渗入或流出数据)。额表的保留或水力传导率数据以及约束的参数赔偿函数
，约束的参数维持在可行域(贝叶斯估计)
，可蕴含在参数估计过程中。

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一个新的？榉抡盏叵滤魅宋氐纳徒到夤
，此？槭俏狧YDRUS的二维利用开发的(2005年的Langergraber和Simunek
，2009年的Langergraberetal)。

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这个？橐晕罅康奈锢怼⒒Ш蜕锕袒钤驹谑
，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
，他们同时活跃并且相互影响。

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附加？

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？槊	?	流动、运输和反映仿照
HP1 HP2	1D ，2D	HP1和HP2？槭荋YDRUS（其一维和二维部门）与PHREEQC地球化学代码耦合的了局[Parkhurst和Appelo ，1999] ，并对应于类似的一维？镠P1。除了维度（2D） ，HP2拥有与HP1一样的能力。HP2蕴含仿照以下内容的？椋海1）瞬态水流 ，（2）多种成分的迁徙 ，（3）混合平移/动力学生物地球化学反映 ，以及（4）二维可变鼓和多孔介质（泥土）中的热迁徙。
UnsatChem	1D ，2D ，3D	UnsatChem？橹匾怯美捶抡赵艘坪椭匾胱拥姆从。UnsatChem？榉抡毡涔暮投嗫捉橹手兄匾胱拥脑艘疲ㄈ绺啤⒚尽⒛啤⒓亍O4、碳酸汽和CI） ，重要离子平衡和非平衡化学反映动力学。天生的代码可用于预测泥土在瞬变流动中的重要离子化学、水和溶质通量。
Wetland	2D	Wetland？椋ㄓ糜诙维问题）用于仿照潜流人为湿地中的生化转化和降解过程。在Wetland？橹 ，能够选择两种生物动力学模型公式：（1）CW2D和CWM1生物动力学模型。在CW2D中描述了有机物、氮和磷的需氧和缺氧转化的降解过程 ，而在CWM1中描述了有机物、氮和硫和需氧、缺氧和厌氧的过程。
C-Ride	1D、2D	C-Ride？榉抡找晃投维可变鼓和和水流、胶体运输和多孔介质这胶体推进的溶质运输。该？樗伎剂怂蔡杀涔暮秃退鳌⒂捎谄搅鳌⒗┥⒑头稚⒁鸬慕禾搴腿苤驶疃 ，以及由胶体运输推进的溶质活动。
DualPerm	1D、2D	DualPerm？橛糜诜抡账攵嗫捉橹手卸维可变鼓和和水活动和溶质运移 ，即优先和非平吕梁流和溶质运移。
Furrow	2D	Furrow？槭且桓龌旌嫌邢尢寤-有限元（FV-FE）模型 ，描述了沟灌和施肥过程中的地表-地下耦合流动和传输过程、该数值步骤将明渠水流和溶质运移的一维描述与地下泥土区域水流和溶质运移的二维描述相结合。
PFAS	1D、2D	PFAS？樵毯伎伎掌-水界面吸拥戴浓度对表表张力和粘杜装响的选项。
Particle Tracking	1D	该？榈牧司挚捎糜谕扑隳嗤疗拭嬷蟹制绲匚坏哪嗤了脊Ψ蚝退洹
COSMIC	1D	Brunetti等人[2019]开发的COSMIC？槭褂肧huttleworth等人[2013]基于物理的宇宙射线泥土水分相互作用代码（COSMIC）推算地面上的中子通量。

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DPU	1D、2D	Brunetti等人[2019 ，2021,2022]开发的动态植物吸收（DPU）？榉抡罩行曰衔镌谀嗤-植物领域的转移和转化。
Fumigant	1D、2D、3D	Fumigant？樵毯抡說umigant在泥土中的归宿和迁徙所需的选项（例如 ，去除防水布、依赖温度的防水布特质、额表注入fumogant）
？槊	?	一维利用
H1D	1D	该？槎杂τ1D尺度HYDRUS版 ，可在2D/3D HYDRUS版（除了1D尺度版）中实现一维利用。从2022年6月1日起头 ，该？樵贖YDRUS的全数版本中自动可用。
H1D Pro	1D	该附加包通过以下附加？槔┐罅艘晃梅ㄊ降闹澳埽篐ydrus-modules Cosmic、DPU、C-Ride和PFAS。这些？橹荒苡1D尺度版或H1D附加？橐宦肥褂。
？槊	?	法式机能
HyPar	2D、3D	HyPar是尺度二维和三维HYDRUS推算？椋╤ad_calc.exe和h3d_calc.exe）的并行版本。HyPar使用并行编程工具和技术来利用多核优势 ，并在多核推算处置器推算机上加快推算。HyPar目前可用于直接模式下的推算（不成用于反向模式） ，并且不成用于附加？椋ɡ ，HP2、UnsatChem、Wetland和/或C-Ride）。HyPar？樵凇胺ㄊ窖∠睢倍曰翱虼翱诘摹胺ㄊ健毖∠羁ㄉ铣跏蓟。
？槊	?	边坡应力和不变性

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Slope Cube	2D、3D	附加？镾lope Cube（边坡应力与不变性）是为了为鼓和和非鼓和前提通过统一的有效应力步骤[Lu等人 ，2010]。该？橹荚谠げ馍胗辗⒒碌目占浜凸Ψ蚱舳 ，并进行变鼓和土前提下的边坡不变性分析。直接从HYDRUS模型获得瞬态水分和压力水头场 ，随后用于推算边坡的有效应力场[Lu和Godt ，2013]。此表 ，分歧于经典的边坡不变性分析中的单边坡单安全系数的步骤 ，slope Cube？橥扑懔松狡履谡鲇虻陌踩凳Lu等人 ，2012] ，从而能够鉴别潜在粉碎面区域或表表的发展。
Slope Classic	2D	Slope Classic附加？橹匾怯糜诼返獭⒋蟀印⑼练娇诤兔槎ò褰峁沟牟槐湫圆槌。使用孔隙压力散布仿照水的影响 ，孔隙压力散布是从指按功夫的HYDRUS了局中自动导入的。水量分配的每个功夫步都能够单独分析。

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图形用户界面

一个基于微软Windows图形用户界面(GUI)治理的运行HYDRUS的输出需要
，以及网格设计和编纂、参数配置、问题执行和了局可视化。HYDRUS还蕴含一组控件
，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查抄输入和输出。HYDRUS图形用户界面的主法式单元界说了系统整体的推算环境。这个主？榻谠旆ㄊ降闹葱胁⑷范男┛裳〉墓ぞ呤潜匾。该？榛乖毯桓鱿钅恐卫砥骱土礁鲈ごχ煤秃蟠χ玫ピ。预处置单元蕴含所必要的参数规格
，如成功运行HYDRUSFORTRAN说话代码、相对单一的矩形和六面体传输域的网格天生器、用于非结构化有限元网格的复杂二维和三维域的网格天生器、一个幼目录的泥土水力属性和从泥土结构数据的RosettaLite法式天生泥土水力属性。

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自动天生有限元网格

数据预处置涉及二维流动区域规范
，拥有肆意状态陆续的折线、圆弧、样条函数、域天堑的离散化和非结构化的有限元网格的下一个版本。HYDRUS(尺度版)带有可选的网格天生法式
，Meshgen能够天生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法式的情况下
，HYDRUSGUI提供了单一的、结构化网格的自动构建选项(Lite版本)。三维版本是在Lite和Standard版本下增长了指定的一样或分歧厚度的层数。HYDRUS3D Pro版有一个三维网格天生法式(GENEX和T3D)
，为通用三维域天生非结构化有限元网格。

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后处置

输出图形蕴含水含量、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)。图形输出还蕴含速度矢量图、彩色边缘、色彩的点、陆续的功夫步的图形显示和动画以及选定的天堑或内部截面线图。用户能够将感兴致的区域缩放
，横截面视图的垂直刻度也能够放大。网格还能够展示天堑和编号的三角形、边缘和点。观察点能够增长到网格的处所。网格和/或空间散布了局(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。界面还蕴含一个内容丰硕的在线援手菜单。

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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
，这些图形能够划分为单一的部门称为Section。这些单一的部门能够在视图窗口中显示
，而剩下的部门被暗藏。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Ｄ芄煌毕允径喔鰏ection。使用号令能够堵截和暗藏不必要的运移区域部门。

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系统需要

合用于HYDRUS 5.X的新版本。请把稳
，旧版本的HYDRUS（版本1.x-3.x不再守护
，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的装置空间
• 分辨率1280x800像素的显卡

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推荐的系统配置：

使用HYDRUS推算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
  ，单核机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
  ，拥有OpenGL的优良显卡-ATI/NVIDIA

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【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.

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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)).

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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 ...

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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.

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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

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Recommended System Configuration:

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

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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

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