Hydrus-1D(水环境模拟软件)

Hydrus-1D官方版是由位于欧盟捷克的PC-Progress工程软件开发公司发行的一款运行于Windows系统下的水环境模拟软件，主要可用于模拟一维变饱和度地下水流、根系吸水、溶质运移和热运移。

Hydrus-1D包含一个一维(1D)HYDRUS有限元模型，用于模拟变化饱和介质中水，热和多种溶质的运动，支持交互式图形界面，用于数据预处理，土壤剖面的离散化以及结果的图形显示，功能强大，生动真实，有需求的用户请下载使用！

软件功能

1、标准计算模型

Hydrus-1D是模拟变量饱和多孔介质下的水、热和多溶质二维和三维运动的有限元计算模型。HYDRUS数值求解饱和非饱和水流的Richards方程和热传递和溶质运移的对流扩散型方程。

水流方程包含一个下沉期，可导致植物根系吸水。热传递方程考虑了水流传导和对流运动。对流扩散的溶质运移方程的管理是一个非常普遍的形式，包括固体和液态非线性非平衡反应的规定以及液体和气体的线性平衡反应。因此，不管是吸附溶质还是挥发溶质（如杀虫剂）都已经考虑到了。溶质运移方程还包括了零阶生产的影响、其他溶质的独立一级降解以及一阶衰减和生产反应，以便提供连续一级链中溶质间所需的耦合。运移模拟也会引起液相对流和扩散、气相扩散，因此次模型在液态和气态条件下可同时模拟溶质运移。目前HYDRUS最多可考虑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重孔隙公式引起， 并把液相分成移动和不可移动区域。附着和分离理论，包括过滤理论，病毒、胶质和细菌运移的模拟也包含在其中。

2、附加模块

UNSATCHem模块主要是用来模拟运移和主要离子的反应。UNSATCHEM模块模拟变饱和多孔介质中主要离子的运移（如钙、镁、钠、钾、SO4、碳酸气和Cl)，包括主要离子平衡和非平衡化学反应动力学。生成的代码可用于预测土壤在瞬变流动中的主要离子化学、水和溶质通量。 

Wetlands模块是用来模拟人工湿地反应的。人工湿地水处理系统的设计能优化自然环境中发现的处理过程。HYDRUS湿地模块包括两个biokinetic模型公式。而在原始湿地CW2D模块中，考虑到了有机物、氮和磷需氧和缺氧的转换和降解过程，以及对新的CWM1模块中需氧、缺氧和厌氧过程的有机物，氮和硫的考虑。

3、图形用户界面

一个基于微软Windows图形用户界面(GUI)管理的运行HYDRUS的输出需求，以及网格设计和编辑、参数配置、问题执行和结果可视化。HYDRUS还包括一组控件，允许用户创建一个流和运移模型，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检查输入和输出。HYDRUS图形用户界面的主程序单元定义了系统整体的计算环境。这个主模块控制程序的执行并确定哪些其他可选的工具是必要的。该模块还包含一个项目管理器和两个预处理和后处理单元。预处理单元包括所有必要的参数规格,如成功运行HYDRUS FORTRAN语言代码、相对简单的矩形和六面体传输域的网格生成器、用于非结构化有限元网格的复杂二维和三维域的网格生成器、一个小目录的土壤水力属性和从土壤结构数据的Rosetta Lite程序生成土壤水力属性。

4、自动生成有限元网格

数据预处理涉及二维流动区域规范，具有任意形状连续的折线、圆弧、样条函数、域边界的离散化和一个非结构化的有限元网格的下一个版本。HYDRUS（标准版）带有一个可选的网格生成程序，Meshgen可以生成一个非结构化有限元网格的二维域。HYDRUS基于Delaunay推论，已经被无缝集成到HYDRUS环境里了。在没有Meshgen程序的情况下，HYDRUS GUI提供了一个简单、结构化网格的自动构建选项(Lite版本)。三维版本是在Lite和Standard版本下添加了指定的相同或不同厚度的层数。HYDRUS 3D专业版有一个三维网格生成程序(GENEX和T3D)，为通用三维域生成非结构化有限元网格。

5、后处理

输出图形包括水含量、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）。图形输出还包括速度矢量图、彩色边缘、颜色的点、连续的时间步的图形显示和动画以及选定的边界或内部截面线图。用户可以将感兴趣的区域缩放，横截面视图的垂直刻度也可以放大。网格还可以展示边界和编号的三角形、边缘和点。观察点可以添加到网格的任何地方。网格和/或空间分布结果(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。界面还包括一个内容丰富的在线帮助菜单。

6、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，这些图形可以划分为简单的部分称为Section. 只有这些简单的部分可以在视图窗口中显示,而剩下的部分被隐藏。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。可以同时显示多个section。使用各种命令可以切断和隐藏不需要的运移区域部分。

软件特色

1、Hydrus-1D官方版可用于分析非饱和，部分饱和或完全饱和的多孔介质中的水和溶质运动。

2、流动区域本身可能由不均匀的土壤组成。流动和运输可以发生在垂直，水平或大致倾斜的方向上。模型的水流部分可以处理(恒定或时间变化的)规定的头部和通量边界，由大气条件控制的边界以及自由排水边界条件。在从规定的通量到规定的头部类型条件的模拟过程中，土壤表面边界条件可能会发生变化(反之亦然)。

3、对于溶质运输，代码支持(恒定和变化的)规定浓度(狄利克雷或第一类)和浓度通量(柯西或第三类)边界条件。分散系数包括反映分子扩散和曲折效应的术语。

4、使用van Genuchten [1980]，Brooks和Corey [1964]和改进的van Genuchten型分析函数描述了非饱和土壤的水力特性。进行了修改以改善对接近饱和度的水力特性的描述。 HYDRUS代码通过使用Scott等人介绍的经验模型来结合滞后。 [1983]和Kool和Parker [1987]。该模型假定干燥扫描曲线是从主干燥曲线中缩放的，并且湿润扫描曲线是来自主润湿曲线。

5、HYDRUS还通过一套线性缩放变换实现了一个缩放程序，用于估算给定土壤剖面中的水力变率，该变换将单个土壤水力特性与参考土壤的水力特性相关联。

6、通过逻辑增长函数模拟根系生长。根据Feddes等人提出的功能可以定义水和盐度胁迫响应函数。 [1978]或van Genuchten [1987]。

7、使用Galerkin型线性有限元方案对控制流动和传输方程进行数值求解。在饱和和不饱和条件下使用隐式(向后)有限差分格式实现时间积分。采取其他措施来提高瞬态问题的解决方案效率，包括自动时间步调整和遵守Courant和Peclet数的预设范围。使用Celia等人提出的质量保守方法评估含水量项。 [1990]。用于使传输解决方案中的数字振荡最小化的可能选项包括上游称重，人造分散和/或性能索引。

8、HYDRUS实施Marquardt-Levenberg型参数估算技术，用于根据测得的瞬态或稳态流量和/或输送数据对所选土壤水力和/或溶质运移和反应参数进行反演估算。该过程允许根据观测到的水含量，压力水头，浓度和/或瞬时或累积的边界通量(例如渗透或流出数据)来估计几个未知参数。额外的保留率或水力传导率数据以及用于限制优化参数保留在某个可行区域的惩罚函数(贝叶斯估计)可以可选地包括在参数估计过程中。

软件亮点

1、开发工具（数值模型）来研究这些过程。

2、通过用户友好的软件包提供模型。

3、开发HYDRUS规范的各种新模块。

4、从瞬态二维和三维可变饱和流动实验中识别土壤水力参数。

5、土壤和地下水中的水流和溶质运移过程。

6、分析和数值模拟。

7、非饱和土壤水力特性的表征和测量。

8、用于反演方法来估计流量和溶质运移参数。

9、作物耐盐性，根系吸水。

10、大孔土和不饱和裂隙岩优先流动。

11、污染物的非平衡运输。

注意事项

1、水流量通量（结果菜单，边界信息子菜单）。

2、横跨上下边界的实际和累积水通量和压头的时间变化图。

3、用户可以选择以下任何独立变量。

4、潜在的上限通量（降水，灌溉或潜在蒸发）。

5、潜在的根系水分吸收速率。

6、实际上限通量（渗透或实际蒸发率）。

7、实际根系吸水率。

8、下限通量。

9、累积潜在上限通量。

10、累积潜在根系吸水率。