Hydrus (oprogramowanie)
 | |
| Deweloperzy | Postęp PC |
|---|---|
| Wersja stabilna | 3.02 |
| System operacyjny | Windows 10 , Windows 8 , Windows 7 , Windows Vista , Windows XP |
| Typ | Modelowanie hydrologiczne |
| Licencja |
Oprogramowanie należące do domeny publicznej (Hydrus-1D) Zastrzeżone (HYDRUS 2D/3D) |
| Strona internetowa | http://www.pc-progress.com/en/default.aspx?hydrus-3d |
Hydrus to pakiet oprogramowania do modelowania opartego na systemie Windows, którego można używać do analizy przepływu wody, ciepła i transportu substancji rozpuszczonych w zmiennie nasyconych ośrodkach porowatych (np. w glebie). Pakiet oprogramowania HYDRUS jest wspierany przez interaktywny interfejs graficzny do wstępnego przetwarzania danych, dyskretyzacji profilu glebowego i graficznej prezentacji wyników. Podczas gdy HYDRUS-1D symuluje przepływ wody, transport substancji rozpuszczonej i ciepła w jednym wymiarze i jest oprogramowaniem należącym do domeny publicznej , HYDRUS 2D/3D rozszerza możliwości symulacji na drugi i trzeci wymiar i jest dystrybuowany komercyjnie.
Historia
HYDRUS 1D
HYDRUS-1D ma swoje korzenie we wczesnych pracach van Genuchtena i jego modelach SUMATRA i WORM, a także późniejszych pracach Vogela (1987) oraz Koola i van Genuchtena (1989) oraz odpowiednio ich modeli SWMI i HYDRUS. Podczas gdy schematy numeryczne hermitowskich sześciennych elementów skończonych były używane w SUMATRA, a liniowe elementy skończone w WORM i starszym kodzie HYDRUS do rozwiązywania zarówno równań przepływu wody, jak i transportu substancji rozpuszczonej, SWMI wykorzystał różnice skończone do rozwiązania równania przepływu.
Różne cechy tych czterech wczesnych modeli zostały połączone najpierw w modelu SWMI_ST opartym na systemie DOS (Šimůnek i in., 1993), a później w symulatorze HYDRUS-1D opartym na systemie Windows (Šimůnek i in., 1998). Po wydaniu wersji 1 (dla 16-bitowego systemu Windows 3.1) i 2 (dla 32-bitowego systemu Windows 95), kolejne dwie duże aktualizacje (wersje 3 i 4) zostały wydane w 2005 i 2008 roku. Te dwie ostatnie wersje zawierały dodatkowe moduły dotyczące bardziej złożone reakcje biogeochemiczne niż standardowe moduły HYDRUS.
Podczas gdy standardowe moduły HYDRUS-1D mogą symulować transport substancji rozpuszczonych, które są albo w pełni niezależne, albo zaangażowane w sekwencyjne łańcuchy degradacji pierwszego rzędu, dwa nowe moduły mogą uwzględniać wzajemne interakcje między wieloma substancjami rozpuszczonymi, takie jak wymiana kationów i wytrącanie/rozpuszczanie .
Wersja 3 zawierała moduł UNSATCHEM (Suarez i Šimůnek, 1997) do symulacji transportu dwutlenku węgla oraz wieloskładnikowego transportu głównych jonów. Moduł głównych jonów UNSATCHEM został ostatnio włączony również do wersji 2 HYDRUS (2D/3D) (Šimůnek i in., 2011). Wersja 4 HYDRUS-1D zawiera teraz nie tylko moduł UNSATCHEM, ale także program HP1 (Jacques i Šimůnek, 2005), który powstał w wyniku połączenia HYDRUS-1D z programem biogeochemicznym PHREEQC.
HYDRUS 2D/3D
Obecny pakiet oprogramowania HYDRUS (2D/3D) i jego poprzednicy mają długą historię. Genezy tych modeli można doszukiwać się we wczesnych pracach dr Shlomo Neumana i współpracowników (np. Neuman, 1972), którzy opracowali swój model UNSAT w Laboratorium Inżynierii Hydraulicznej Technion – Izraelskim Instytucie Technologii , w Hajfie w Izraelu, na długo przed wprowadzeniem komputerów osobistych. UNSAT był modelem elementów skończonych symulującym przepływ wody w dwuwymiarowych obszarach o zmiennym nasyceniu, jak opisano za pomocą równania Richardsa. W modelu dodatkowo uwzględniono pobór wody przez korzenie, a także szereg istotnych warunków brzegowych wymaganych do zapewnienia szerokiego zastosowania modelu. UNSAT został później zmodyfikowany przez Davisa i Neumana (1983) z University of Arizona w Tucson w taki sposób, że model można było uruchomić na komputerach osobistych.
Ta ostatnia wersja UNSAT stanowiła podstawę modelu SWMII opracowanego przez Vogela (1987) podczas jego pobytu na Uniwersytecie Wageningen w Holandii. SWMII znacznie rozszerzył możliwości i łatwość obsługi UNSAT. Kod symulował przepływ wody o zmiennym nasyceniu w dwuwymiarowych domenach transportowych, implementował funkcje hydrauliczne gleby van Genuchtena (van Genuchten, 1980) i ich modyfikacje, uwzględniał pobieranie wody przez korzenie, wykorzystując niektóre cechy SWATRE model (Feddes et al., 1978) i uwzględnił współczynniki skalowania, aby umożliwić symulacje przepływu w niejednorodnych glebach. Kod pozwolił również na złożenie obszaru przepływu z niejednorodnych gleb o dowolnym stopniu lokalnej anizotropii. SWMII był bezpośrednim poprzednikiem modelu SWMS_2D (Šimůnek i in., 1992) opracowanego później w US Salinity Laboratory.
Model SWMS_2D (Šimůnek i in., 1992) znacznie rozszerzył możliwości SWMII poprzez uwzględnienie przepisów dotyczących transportu substancji rozpuszczonych. Transport substancji rozpuszczonej opisano za pomocą standardowego równania adwekcja-dyspersja, które obejmowało sorpcję liniową, degradację pierwszego rzędu zarówno w fazie ciekłej, jak i stałej oraz produkcję rzędu zerowego w obu fazach. W tym czasie w SWMS_2D zaimplementowano również kilka innych ulepszeń numerycznych. Obejmowały one rozwiązanie mieszanej postaci równania Richardsa, zgodnie z sugestią Celii i in. (1990), zapewniając w ten sposób doskonałe bilanse masowe w obliczeniach przepływu wody. Podczas gdy projekt SWMII mógł symulować przepływ wody w dwuwymiarowych płaszczyznach pionowych lub poziomych, projekt SWMS_2D rozszerzył zakres zastosowań również na trójwymiarowe osiowosymetryczne domeny przepływu wokół pionowej osi symetrii. Przykładami są przepływ do studni, infiltracja z a pierścienia powierzchniowego lub infiltrometru tarczowego oraz infiltracji z kroplownika powierzchniowego lub podpowierzchniowego.
Pierwsza duża aktualizacja SWMS_2D została wydana pod nazwą CHAIN_2D (Šimůnek i in., 1994b). Model ten znacznie rozszerzył możliwości SWMS_2D, włączając między innymi sekwencyjne łańcuchy rozpadu substancji rozpuszczonej pierwszego rzędu i transport ciepła. Zależność właściwości hydraulicznych gleby od temperatury została uwzględniona poprzez uwzględnienie wpływu temperatury na napięcie powierzchniowe, lepkość dynamiczną i gęstość wody. Równanie transportu ciepła w CHAIN_2D uwzględniało transport związany z przewodzeniem i adwekcją z płynącą wodą. Równania transportu substancji rozpuszczonej uwzględniały transport adwekcyjno-dyspersyjny w fazie ciekłej oraz dyfuzję w fazie gazowej. Równania transportu zawierały również zapisy dotyczące nieliniowych reakcji nierównowagowych między fazą stałą i ciekłą, liniowych reakcji równowagowych między fazą ciekłą a gazową, produkcji zerowego rzędu oraz dwóch reakcji degradacji pierwszego rzędu: jednej niezależnej od innych substancji rozpuszczonych i jednej, która zapewnił sprzężenie między substancjami rozpuszczonymi zaangażowanymi w sekwencyjne reakcje rozpadu pierwszego rzędu.
Modele SWMS_2D i CHAIN_2D stanowiły podstawę wersji 1.0 (dla 16-bitowego Windows 3.1) i 2.0 (dla 32-bitowego Windows 95) HYDRUS-2D (Šimůnek i in., 1999). Unikalną cechą HYDRUS-2D było to, że używał graficznego interfejsu użytkownika (GUI) opartego na systemie Microsoft Windows do zarządzania danymi wejściowymi wymaganymi do uruchomienia programu, a także do dyskretyzacji i edycji węzłów, alokacji parametrów, wykonywania problemów i wizualizacji wyniki. Może obsłużyć obszary przepływu wyznaczone przez nieregularne granice, a także trójwymiarowe obszary wykazujące promieniową symetrię wokół osi pionowej. Kod zawiera generator siatki MeshGen2D, który został specjalnie zaprojektowany do problemów z przepływem podpowierzchniowym i transportem o zmiennym nasyceniu. Generator siatki może być używany do definiowania bardzo ogólnych geometrii domeny oraz do dyskretyzacji dziedziny transportu w nieustrukturyzowaną siatkę elementów skończonych. HYDRUS-2D został niedawno całkowicie zastąpiony przez HYDRUS (2D/3D), jak opisano poniżej.
Pakiet oprogramowania HYDRUS (2D/3D) (wersja 1) (Šimůnek i in., 2006; Šejna i Šimůnek, 2007) jest rozszerzeniem i zamiennikiem HYDRUS-2D (wersja 2.0) i SWMS_3D (Šimůnek i in., 1995) . Ten pakiet oprogramowania jest kompletnym przepisem HYDRUS-2D i jego rozszerzeń dla geometrii dwu- i trójwymiarowych. Oprócz funkcji i procesów dostępnych w HYDRUS-2D i SWMS_3D, nowe moduły obliczeniowe HYDRUS (2D/3D) uwzględniają (a) przepływ wody i transport substancji rozpuszczonej w systemie o podwójnej porowatości, umożliwiając w ten sposób preferencyjny przepływ w pęknięciach lub makroporach podczas magazynowania wody w matrycy, (b) pobór wody przez korzenie z kompensacją, (c) przestrzenne funkcje dystrybucji korzeni, (d) modele właściwości hydraulicznych gleby Kosugi i Durner, (e) transport wirusów, koloidów i/ lub bakterie wykorzystujące model przyłączania/odrywania, teorię filtracji i funkcje blokujące, (f) skonstruowany moduł terenów podmokłych (tylko w 2D), (g) nowy model histerezy w celu wyeliminowania pompowania poprzez śledzenie historycznych punktów zwrotnych i wiele innych opcje.
Symulowane procesy
Oba modele HYDRUS mogą być używane do symulacji ruchu wody, ciepła i wielu substancji rozpuszczonych w mediach o zmiennym nasyceniu. Oba programy wykorzystują liniowe elementy skończone do numerycznego rozwiązywania równania Richardsa dla przepływu wody nasyconej i nienasyconej oraz równań dyspersji adwekcji opartych na Ficku, zarówno dla transportu ciepła, jak i substancji rozpuszczonej. Równanie przepływu zawiera również termin zlewu, aby uwzględnić pobór wody przez korzenie roślin w funkcji zarówno stresu wodnego, jak i zasolenia. Właściwości hydrauliczne gleby nienasyconej można opisać za pomocą funkcji analitycznych typu van Genuchtena, Brooksa i Coreya, zmodyfikowanych funkcji analitycznych typu van Genuchtena, Kosugiego i Durnera. Równanie transportu ciepła uwzględnia zarówno przewodzenie, jak i adwekcję z płynącą wodą. Równania transportu substancji rozpuszczonej zakładają transport adwekcyjno-dyspersyjny w fazie ciekłej i dyfuzję w fazie gazowej. Równania transportu obejmują ponadto przepisy dotyczące nieliniowych i/lub nierównowagowych reakcji między fazą stałą i ciekłą, liniowych reakcji równowagi między fazą ciekłą i gazową, produkcji zerowego rzędu oraz dwóch reakcji degradacji pierwszego rzędu: jednej niezależnej od inne substancje rozpuszczone i taki, który zapewnia sprzężenie między substancjami rozpuszczonymi zaangażowanymi w sekwencyjne reakcje rozpadu pierwszego rzędu. Ponadto fizyczny nierównowagowy transport substancji rozpuszczonej można uwzględnić, zakładając dwuregionową formułę typu podwójnej porowatości, która dzieli fazę ciekłą na regiony ruchome i nieruchome.
Modele HYDRUS mogą być wykorzystywane do analizy ruchu wody i substancji rozpuszczonych w nienasyconych, częściowo nasyconych lub całkowicie nasyconych jednorodnych lub warstwowych ośrodkach. Kody uwzględniają histerezę przy założeniu, że krzywe skanowania suszenia są skalowane z głównej krzywej suszenia, a krzywe skanowania zwilżania z głównej krzywej zwilżania. Pobór wody przez korzenie można symulować jako funkcję zarówno stresu wodnego, jak i zasolenia, i może być kompensowany lub nieskompensowany. Pakiety oprogramowania HYDRUS dodatkowo implementują technikę estymacji parametrów typu Marquardta-Levenberga do estymacji odwrotnej parametrów hydraulicznych i/lub transportu substancji rozpuszczonej w glebie oraz parametrów reakcji na podstawie zmierzonych danych przepływu i/lub transportu w stanie nieustalonym lub ustalonym. Programy są w tym celu napisane w taki sposób, że prawie każda aplikacja, którą można uruchomić w trybie bezpośrednim, równie dobrze może być uruchomiona w trybie odwrotnym, a więc do kalibracji modelu i estymacji parametrów.
Pakiety HYDRUS wykorzystują graficzny interfejs użytkownika (GUI) oparty na systemie Microsoft Windows do zarządzania danymi wejściowymi wymaganymi do uruchomienia programu, a także do dyskretyzacji i edycji węzłów, alokacji parametrów, wykonywania problemów i wizualizacji wyników. Wszystkie rozłożone przestrzennie parametry, takie jak te dla różnych poziomów glebowych, rozkład poboru wody przez korzenie oraz warunki początkowe dla ruchu wody, ciepła i substancji rozpuszczonej, są określone w środowisku graficznym. Program oferuje wykresy rozkładu wysokości ciśnienia, zawartości wody, przepływu wody i substancji rozpuszczonej, poboru wody przez korzenie, temperatury i stężenia substancji rozpuszczonej w podłożu w wybranych okresach czasu. Zawarty jest również mały katalog właściwości hydraulicznych gleb nienasyconych, a także funkcje pedotransferowe oparte na sieciach neuronowych.
Oba modele HYDRUS uwzględniają również różne warunki do symulacji nierównowagowego przepływu i transportu. Równanie przepływu dla tego ostatniego celu może uwzględniać przepływ typu podwójnej porowatości, w którym ułamek zawartości wody jest ruchomy, a ułamek nieruchomy. Równania transportu zostały dodatkowo zmodyfikowane, aby umożliwić uwzględnienie kinetycznych procesów przyłączania/odrywania substancji rozpuszczonych do fazy stałej, a zatem substancji rozpuszczonych o skończonej wielkości. Ta funkcja przyłączania/odłączania była ostatnio używana przez wielu do symulacji transportu wirusów, koloidów i bakterii.
Model HYDRUS obejmuje ponadto moduły do symulacji transportu dwutlenku węgla (tylko HYDRUS-1D) oraz główne moduły chemii jonów, przejęte z programu UNSATCHEM. HYDRUS-1D może być zatem wykorzystany w aplikacjach do oceny ogólnego zasolenia, stężenia poszczególnych rozpuszczalnych kationów, a także współczynnika adsorpcji sodu i procentu sodu wymiennego.
Aplikacje
Zarówno HYDRUS-1D, jak i HYDRUS (2D/3D) były używane w setkach, jeśli nie tysiącach zastosowań, do których odwołują się artykuły w recenzowanych czasopismach i wiele raportów technicznych. Oba pakiety oprogramowania są również wykorzystywane w salach wykładowych wielu uniwersytetów na kursach obejmujących Fizykę Gleby, Procesy w Strefie Vadose lub Hydrologię Strefy Vadose. Wyselekcjonowana lista setek zastosowań obu pakietów oprogramowania HYDRUS znajduje się pod adresem:
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-references
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-references
Serwis udostępnia również wiele specyficznych aplikacji w bibliotekach projektów HYDRUS pod adresem:
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-library
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-applications
Oprogramowanie HYDRUS zapewnia również możliwości symulacji przepływu wody i transportu substancji rozpuszczonej w wyspecjalizowanych domenach.
Zbudowany moduł mokradeł
Sztuczne tereny podmokłe (CW) to zaprojektowane systemy uzdatniania wody, które optymalizują procesy uzdatniania występujące w środowisku naturalnym. CW są popularnymi systemami, które skutecznie oczyszczają różne rodzaje zanieczyszczonej wody i dlatego są zrównoważonymi, przyjaznymi dla środowiska rozwiązaniami. Wiele procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych jest jednocześnie aktywnych i wzajemnie na siebie wpływa. HYDRUS oferuje dwa modele biokinetyczne: (a) moduł CW2D (Langergraber i Šimůnek, 2005) i/lub model biokinetyczny CW M1 (Constructed Wetland Model #1) (Langergraber et al., 2009b).