Гидрус (программное обеспечение)
Программный пакет для гидрологического моделирования
Гидрус
Разработчик(и)ПК Прогресс
Стабильный релиз
3.02
Операционная системаWindows 10 , Windows 8 , Windows 7 , Windows Vista , Windows XP
ТипГидрологическое моделирование
ЛицензияПрограммное обеспечение, являющееся общественным достоянием (Hydrus-1D)
Собственное программное обеспечение (HYDRUS 2D/3D)
Веб-сайтhttp://www.pc-progress.com/en/default.aspx?HYDRUS-3d

Hydrus — это набор программного обеспечения для моделирования на базе Windows , который можно использовать для анализа потока воды, переноса тепла и растворенных веществ в пористых средах с переменной насыщенностью (например, почвах). Набор программного обеспечения HYDRUS поддерживается интерактивным графическим интерфейсом для предварительной обработки данных, дискретизации профиля почвы и графического представления результатов. В то время как HYDRUS-1D моделирует поток воды, перенос растворенных веществ и тепла в одном измерении и является общедоступным программным обеспечением , HYDRUS 2D/3D расширяет возможности моделирования до второго и третьего измерений и распространяется на коммерческой основе.

История

ГИДРУС 1D

История разработки Hydrus-1D

HYDRUS-1D берет свое начало в ранних работах ван Генухтена [1] [2] и его моделях SUMATRA и WORM, а также в более поздних работах Фогеля (1987) [3] и Кула и ван Генухтена (1989) [4] и их моделях SWMI и HYDRUS соответственно. В то время как в SUMATRA использовались эрмитовы кубические конечно-элементные численные схемы, а в WORM и более старом коде HYDRUS для решения уравнений потока воды и переноса растворенных веществ использовались линейные конечные элементы, SWMI использовал конечные разности для решения уравнения потока.

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

В то время как стандартные модули HYDRUS-1D могут моделировать транспорт растворенных веществ, которые либо полностью независимы, либо участвуют в последовательных цепях деградации первого порядка, два новых модуля могут учитывать взаимные взаимодействия между несколькими растворенными веществами, такие как катионный обмен и осаждение/растворение.

Версия 3 включала модуль UNSATCHEM (Suarez и Šimůnek, 1997 [6] ) для моделирования переноса углекислого газа, а также многокомпонентного переноса основных ионов. Модуль основных ионов UNSATCHEM был недавно также включен в версию 2 HYDRUS (2D/3D) (Šimůnek и др., 2011 [7] ). Версия 4 HYDRUS-1D теперь включает не только модуль UNSATCHEM, но и программу HP1 (Jacques и Šimůnek, 2005 [8] ), которая возникла в результате объединения HYDRUS-1D с биогеохимической программой PHREEQC. [9]

ГИДРУС 2D/3D

Текущий программный пакет HYDRUS (2D/3D) и его предшественники имеют долгую историю. Происхождение этих моделей можно проследить до ранних работ доктора Шломо Ньюмана и его коллег (например, Ньюман, 1972 [10] ), которые разработали свою модель UNSAT в Гидравлической инженерной лаборатории Техниона – Израильского технологического института в Хайфе, Израиль, задолго до появления персональных компьютеров. UNSAT была конечно-элементной моделью, имитирующей поток воды в двумерных областях переменной насыщенности, как описано уравнением Ричардса. Модель дополнительно учитывала поглощение воды корнями, а также ряд соответствующих граничных условий, необходимых для обеспечения широкой применимости модели. Позднее UNSAT была модифицирована Дэвисом и Ньюманом (1983) [11] в Университете Аризоны, Тусон, таким образом, что модель могла запускаться на персональных компьютерах.

Эта последняя версия UNSAT легла в основу модели SWMII, разработанной Фогелем (1987) во время его пребывания в Университете Вагенингена , Нидерланды. SWMII значительно расширила возможности и простоту использования UNSAT. Код имитировал переменно-насыщенный поток воды в двумерных транспортных областях, реализовал гидравлические функции почвы Ван Генухтена (van Genuchten, 1980 [12] ) и их модификации, рассматривал поглощение воды корнями, используя некоторые особенности модели SWATRE (Feddes et al., 1978 [13] ), и включал масштабные коэффициенты для моделирования потока в неоднородных почвах. Код также позволял составлять область потока из неоднородных почв, имеющих произвольную степень локальной анизотропии. SWMII был прямым предшественником модели SWMS_2D (Šimůnek et al., 1992 [14] ), разработанной позже в Лаборатории солености США.

Модель SWMS_2D (Šimůnek et al., 1992 [15] ) значительно расширила возможности SWMII, включив положения для переноса растворенных веществ. Перенос растворенных веществ 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. Несколько других численных улучшений были в то время также реализованы в SWMS_2D. Они включали решение смешанной формы уравнения Ричардса, как было предложено Celia et al. (1990), [16] , что обеспечивало превосходный баланс масс в расчетах потока воды. В то время как SWMII могла моделировать поток воды как в двумерных вертикальных, так и в горизонтальных плоскостях, SWMS_2D расширила диапазон приложений также до трехмерных осесимметричных областей потока вокруг вертикальной оси симметрии. Примерами являются поток в скважину, инфильтрация из поверхностного кольца или инфильтрометра с натяжным диском и инфильтрация из поверхностной или подповерхностной капельницы.

История развития 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, включив, среди прочего, последовательные цепи распада растворенных веществ первого порядка и перенос тепла. Температурная зависимость гидравлических свойств почвы была включена путем рассмотрения влияния температуры на поверхностное натяжение, динамическую вязкость и плотность воды. Уравнение переноса тепла в CHAIN_2D рассматривало перенос за счет проводимости и адвекции с текущей водой. Уравнения переноса растворенных веществ рассматривали адвективно-дисперсионный перенос в жидкой фазе, а также диффузию в газообразной фазе. Уравнения переноса также включали положения для нелинейных неравновесных реакций между твердой и жидкой фазами, линейных равновесных реакций между жидкой и газообразной фазами, производства нулевого порядка и двух реакций разложения первого порядка: одна, которая была независима от других растворенных веществ, и одна, которая обеспечивала связь между растворенными веществами, участвующими в последовательных реакциях распада первого порядка.

Модели SWMS_2D и CHAIN_2D легли в основу версий 1.0 (для 16-разрядной Windows 3.1) и 2.0 (для 32-разрядной Windows 95) HYDRUS-2D (Šimůnek et al., 1999 [18] ). Уникальной особенностью HYDRUS-2D было то, что он использовал 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. Он мог 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 задач течения и переноса в подземных средах с переменной насыщенностью. Генератор сетки может использоваться для определения очень общих геометрий доменов и для дискретизации области переноса в неструктурированную сетку конечных элементов. Недавно HYDRUS-2D был полностью заменен на HYDRUS (2D/3D), как описано ниже.

Пакет программного обеспечения HYDRUS (2D/3D) (версия 1) (Шимунек и др., 2006; [19] Шейна и Шимунек, 2007 [20] ) является расширением и заменой HYDRUS-2D (версия 2.0) и SWMS_3D (Шимунек и др., 1995 [21] ). Этот пакет программного обеспечения является полной переработкой HYDRUS-2D и его расширений для двух- и трехмерных геометрий. В дополнение к функциям и процессам, доступным в HYDRUS-2D и SWMS_3D, новые вычислительные модули HYDRUS (2D/3D) рассматривают (a) поток воды и перенос растворенных веществ в системе с двойной пористостью, что позволяет обеспечить предпочтительный поток в трещинах или макропорах при сохранении воды в матрице, (b) поглощение воды корнями с компенсацией, (c) пространственные функции распределения корней, (d) модели гидравлических свойств почвы Косуги и Дюрнера, (e) перенос вирусов, коллоидов и/или бактерий с использованием модели прикрепления/отсоединения, теории фильтрации и функций блокировки, (f) сконструированный модуль водно-болотных угодий (только в 2D), (g) новую модель гистерезиса для устранения откачки путем отслеживания исторических точек разворота и многие другие параметры.

Моделируемые процессы

Обе модели HYDRUS могут использоваться для моделирования движения воды, тепла и нескольких растворенных веществ в переменно насыщенных средах. Обе программы используют линейные конечные элементы для численного решения уравнения Ричардса для насыщенно-ненасыщенного потока воды и уравнений адвективной дисперсии на основе Фика для переноса как тепла, так и растворенных веществ. Уравнение потока также включает член стока для учета поглощения воды корнями растений как функции как водного, так и соленого стресса. Гидравлические свойства ненасыщенной почвы можно описать с помощью аналитических функций типа Ван Генухтена, Брукса и Кори, модифицированных Ван Генухтена, Косуги и Дарнера. Уравнение переноса тепла учитывает как проводимость, так и адвекцию с текущей водой. Уравнения переноса растворенных веществ предполагают адвективно-дисперсионный перенос в жидкой фазе и диффузию в газообразной фазе. Уравнения переноса далее включают положения для нелинейных и/или неравновесных реакций между твердой и жидкой фазами, линейных равновесных реакций между жидкой и газообразной фазами, производства нулевого порядка и двух реакций разложения первого порядка: одна, которая независима от других растворенных веществ, и одна, которая обеспечивает связь между растворенными веществами, участвующими в последовательных реакциях распада первого порядка. Кроме того, физический неравновесный перенос растворенных веществ может быть учтен, предполагая формулировку типа двух областей, двойной пористости, которая 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 высыхания масштабируются от основной кривой высыхания, а кривые сканирования смачивания от основной кривой смачивания. Поглощение воды корнями может моделироваться как функция как водного, так и соленого стресса и может быть как компенсированным, так и некомпенсированным. Пакеты программного обеспечения HYDRUS дополнительно реализуют метод оценки параметров типа Марквардта-Левенберга для обратной оценки гидравлических и/или растворенных веществ в почве и параметров реакции из измеренных переходных или стационарных данных о потоке и/или транспорте. Для этой цели программы написаны таким образом, что почти любое приложение, которое может быть запущено в прямом режиме, может также успешно запускаться в обратном режиме и, таким образом, 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 поглощения воды корнями и начальные условия для движения воды, тепла и растворенных веществ, задаются в графической среде. Программа предлагает графики распределения напора, содержания воды, потоков воды и растворенных веществ, поглощения воды корнями, температуры и концентрации растворенных веществ в подповерхностном слое в предварительно выбранные моменты времени. Также включен небольшой каталог ненасыщенных гидравлических свойств почвы, а также функции педопереноса на основе нейронных сетей.

Обе модели HYDRUS также рассматривают различные положения для моделирования неравновесного течения и транспорта. Уравнение потока для последней цели может рассматривать поток типа двойной пористости с частью содержания воды, являющейся подвижной, и частью неподвижной. Уравнения транспорта дополнительно были изменены, чтобы позволить учитывать кинетические процессы прикрепления/отсоединения растворенных веществ к твердой фазе, и, следовательно, растворенных веществ, имеющих конечный размер. Эта функция прикрепления/отсоединения в последнее время использовалась многими для моделирования транспорта вирусов, коллоидов и бактерий.

Модель HYDRUS дополнительно включает модули для моделирования переноса углекислого газа (только HYDRUS-1D) и основные модули ионной химии, заимствованные из программы UNSATCHEM. Таким образом, HYDRUS-1D может использоваться в приложениях, оценивающих общую соленость, концентрацию отдельных растворимых катионов, а также коэффициент адсорбции натрия и процент обменного натрия.

Приложения

Оба HYDRUS-1D и HYDRUS (2D/3D) использовались в сотнях, если не в тысячах приложений, упомянутых в рецензируемых журнальных статьях и многих технических отчетах. Оба пакета программного обеспечения также используются в аудиториях многих университетов на курсах, охватывающих физику почвы, процессы в зоне аэрации или гидрологию зоны аэрации. Избранный список сотен приложений обоих пакетов программного обеспечения HYDRUS приведен по адресу:

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

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

На сайте также представлено 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 для специализированных областей.

Сконструированный модуль водно-болотных угодий

Искусственные водно-болотные угодья (CW) представляют собой спроектированные системы очистки воды, которые оптимизируют процессы очистки, встречающиеся в естественной среде. CW являются популярными системами, которые эффективно очищают различные типы загрязненной воды и, следовательно, являются устойчивыми, экологически чистыми решениями. Большое количество физических, химических и биологических процессов одновременно активны и взаимно влияют друг на друга. HYDRUS предлагает две формулировки биокинетических моделей: (a) модуль CW2D (Langergraber и Šimůnek, 2005 [22] ), и/или биокинетическую модель CW M1 (Constructed Wetland Model #1) (Langergraber и др., 2009b [23] ).

Ссылки

  1. ^ ван Генухтен, М. Т. 1978. Массоперенос в насыщенных-ненасыщенных средах: одномерные решения. Исследовательский отчет № 78-WR-11. Программа водных ресурсов. Принстонский университет. Принстон, Нью-Джерси.
  2. ^ ван Генухтен, М. Т. 1987. Численная модель движения воды и растворенных веществ в корневой зоне и под ней. Исследовательский отчет № 121. Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния.
  3. ^ Фогель, Т. 1987. SWMII – Численная модель двумерного потока в переменной насыщенной пористой среде. Исследовательский отчет № 87. Кафедра гидравлики и гидрологии водосбора. Сельскохозяйственный университет, Вагенинген, Нидерланды.
  4. ^ Kool, JB, и M. Th. van Genuchten. 1989. HYDRUS, Одномерная переменно-насыщенная модель потока и транспорта, включая гистерезис и поглощение воды корнями. Версия 3.2. Руководство пользователя. Hydrogeologic Inc., Herndon, VA, 116 стр.
  5. ^ Šimůnek, J., M. Šejna и M. Th. van Genuchten. 1998. Программный пакет HYDRUS-1D для моделирования одномерного движения воды, тепла и множественных растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью. Версия 1.0. IGWMC – TPS – 70, Международный центр моделирования грунтовых вод, Горная школа Колорадо, Голден, Колорадо, 186 стр.
  6. ^ Суарес, Д. Л. и Дж. Шимунек. 1997. UNSATCHEM: Модель переноса ненасыщенной воды и растворенных веществ с равновесной и кинетической химией. Soil Sci. Soc. Am. J., 61:1633–1646.
  7. ^ Шимунек, Й., М. Т. ван Генухтен и М. Шейна. 2011. Программный пакет HYDRUS для моделирования двух- и трехмерного движения воды, тепла и нескольких растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью. Техническое руководство, версия 2.0, PC Progress, Прага, Чешская Республика, стр. 258.
  8. ^ Жак, Д. и Дж. Шимунек. 2005. Руководство пользователя многокомпонентного переменного насыщенного потока и модели переноса HP1, Описание, проверка и примеры. Версия 1.0. SCK•CEN-BLG-998, Отходы и утилизация, SCK•CEN, Мол, Бельгия, 79 стр.
  9. ^ Parkhurst, DL, и CAJ Appelo. 1999. Руководство пользователя PHREEQC (версия 2): компьютерная программа для видообразования, пакетной реакции, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Water-Resour. Invest. Rep. 99-4259. USGS, Денвер, Колорадо.
  10. ^ Нойман, С. П. 1972. Конечно-элементные компьютерные программы для потока в насыщенных-ненасыщенных пористых средах. Второй годовой отчет, проект № A10-SWC-77, Гидравлическая инженерная лаборатория, Технион, Хайфа, Израиль.
  11. ^ Дэвис, Л.А. и С.П. Ньюман. 1983. Документация и руководство пользователя: UNSAT2 – Модель переменного насыщения потока. Окончательный отчет, WWL/TM-1791-1, Water, Waste & Land, Inc., Форт-Коллинз, Колорадо.
  12. ^ ван Генухтен, М. Т. 1980. Замкнутое уравнение для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных почв. Soil Sci. Soc. Am. J., 44:892898.
  13. ^ Феддес, Р.А., П.Дж. Ковалик и Х. Зарадни. 1978. Моделирование использования полевой воды и урожайности. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
  14. ^ Шимунек, Дж., Т. Фогель и М. Т. ван Генухтен. 1992. Код SWMS_2D для моделирования потока воды и переноса растворенных веществ в двумерных средах с переменной насыщенностью, версия 1.1, исследовательский отчет № 126, Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния.
  15. ^ Шимунек, Дж., Т. Фогель и М. Т. ван Генухтен. 1992. Код SWMS_2D для моделирования потока воды и переноса растворенных веществ в двумерных средах с переменной насыщенностью, версия 1.1, исследовательский отчет № 126, Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния.
  16. ^ Селия, MA, и ET Буутас, RL Зарба. 1990. Общее численное решение с сохранением массы для уравнения ненасыщенного потока. Water Resour. Res., 26:1483-1496.
  17. ^ Šimůnek, J., и M. Th. van Genuchten. 1994. Код CHAIN_2D для моделирования двумерного движения потока воды, тепла и множественных растворенных веществ в пористых средах с переменной насыщенностью. Версия 1.1, Исследовательский отчет № 136, Лаборатория солености США, USDA, ARS, Риверсайд, Калифорния.
  18. ^ Šimůnek, J., M. Šejna и M. Th. van Genuchten. 1999. Программный пакет HYDRUS-2D для моделирования двумерного движения воды, тепла и нескольких растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью. Версия 2.0, IGWMC – TPS – 53, Международный центр моделирования грунтовых вод, Горная школа Колорадо, Голден, Колорадо, 251 стр.
  19. ^ Шимунек, Й., М. Т. ван Генухтен и М. Шейна. 2006. Программный пакет HYDRUS для моделирования двух- и трехмерного движения воды, тепла и нескольких растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью, Техническое руководство, Версия 1.0, PC Progress, Прага, Чешская Республика, стр. 241.
  20. ^ Шейна, М. и Й. Шимунек. 2007. HYDRUS (2D/3D): Графический пользовательский интерфейс для программного пакета HYDRUS, моделирующего двух- и трехмерное движение воды, тепла и нескольких растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью, опубликовано онлайн на сайте www.-pc-progress.cz, PC-Progress, Прага, Чешская Республика.
  21. ^ Šimůnek, J., K. Huang и M. Th. van Genuchten. 1995. Код SWMS_3D для моделирования потока воды и переноса растворенных веществ в трехмерных средах с переменной насыщенностью. Версия 1.0, Исследовательский отчет № 139, Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния, 155 стр.
  22. ^ Лангерграбер, Г. и Й. Шимунек, Моделирование потока воды с переменной насыщенностью и многокомпонентного реактивного транспорта в искусственных водно-болотных угодьях, Vadose Zone J., 4(4), 924–938, 2005.
  23. ^ Лангерграбер, Г., Д. Руссо, Х. Гарсия и Х. Мена, CWM1 – Общая модель для описания биокинетических процессов в водно-болотных угодьях, созданных подземным потоком, Water Sci. Technol., 59(9), 1687-1697, 2009.
  • Домашняя страница HYDRUS 1D
  • Домашняя страница HYDRUS 2D
  • Домашняя страница HYDRUS 2D/3D
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrus_(программное обеспечение)&oldid=1233555571"