Гидрус (программное обеспечение)
 | |
| Разработчик(и) | ПК Прогресс |
|---|---|
| Стабильная версия | 3.02 |
| Операционная система | Windows 10 , Windows 8 , Windows 7 , Windows Vista , Windows XP |
| Тип | Гидрологическое моделирование |
| Лицензия | Программное обеспечение, являющееся общественным достоянием (Hydrus-1D) Собственный (ГИДРУС 2D/3D) |
| Веб-сайт | http://www.pc-progress.com/en/default.aspx?hydrus-3d |
Hydrus — это пакет программного обеспечения для моделирования на базе Windows , который можно использовать для анализа потока воды, тепла и переноса растворенных веществ в пористых средах с переменной насыщенностью (например, в почвах). Пакет 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
[ редактировать ]ГИДРУС 1Д
[ редактировать ]
HYDRUS-1D уходит корнями в ранние работы 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 численные схемы эрмитовых кубических конечных элементов использовались в SUMATRA, а линейные конечные элементы в WORM и более старой программе HYDRUS для решения уравнений потока воды и переноса растворенных веществ, SWMI использовала конечные разности для решения уравнения потока.
Различные функции этих четырех ранних моделей были объединены сначала в модели SWMI_ST на базе DOS (Simůnek et al., 1993), а затем в симуляторе HYDRUS-1D на базе Windows (Simůnek et al., 1998). [5] После выпуска версий 1 (для 16-разрядной версии Windows 3.1) и 2 (для 32-разрядной версии 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 сложные биогеохимические реакции, чем в стандартных модулях HYDRUS.
В то время как стандартные модули HYDRUS-1D могут моделировать транспорт 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 катионный обмен и осаждение/растворение. .
Версия 3 включала модуль UNSATCHEM (Суарес и Шимунек, 1997 г.). [6] ) для моделирования транспорта углекислого газа, а также многокомпонентного транспорта основных ионов. Модуль основных ионов UNSATCHEM недавно был включен также во вторую версию HYDRUS (2D/3D) (Šimůnek et al., 2011). [7] ). Версия 4 HYDRUS-1D теперь включает не только модуль UNSATCHEM, но и программу HP1 (Жак и Шимунек, 2005 г.). [8] ), который стал результатом объединения HYDRUS-1D с биогеохимической программой PHREEQC. [9]
ГИДРУС 2D/3D
[ редактировать ]Текущий пакет программного обеспечения HYDRUS (2D/3D) и его предшественники имеют долгую историю. Происхождение этих моделей можно проследить до ранних работ доктора Шломо Ноймана и его сотрудников (например, Neuman, 1972). [10] ), которые разработали свою модель UNSAT в Лаборатории гидротехники Техниона – Израильского технологического института в Хайфе, Израиль, задолго до появления персональных компьютеров. UNSAT представлял собой модель конечных элементов, имитирующую поток воды в двумерных областях с переменной насыщенностью, как описано уравнением Ричардса. В модели дополнительно учитывалось поглощение корневой воды, а также ряд соответствующих граничных условий, необходимых для обеспечения широкого применения модели. UNSAT позже был модифицирован Дэвисом и Нойманом (1983). [11] в Университете Аризоны, Тусон, так что модель можно было запустить на персональных компьютерах.
Эта последняя версия UNSAT легла в основу модели SWMII, разработанной Фогелем (1987) во время его пребывания в Вагенингенском университете , Нидерланды. SWMII значительно расширил возможности и простоту использования UNSAT. Программа моделировала поток воды с переменной насыщенностью в двумерных транспортных областях, реализовывала гидравлические функции почвы Ван Генухтена (van Genuchten, 1980). [12] ) и их модификации учитывают поглощение корневой воды за счет использования некоторых особенностей модели SWATRE (Feddes et al., 1978). [13] ), а также включены коэффициенты масштабирования, позволяющие моделировать поток в гетерогенных грунтах. Код также позволял составить область течения из неоднородных грунтов, имеющих произвольную степень локальной анизотропии. SWMII был прямым предшественником модели SWMS_2D (Шимунек и др., 1992). [14] ), разработанный позже в Лаборатории солености США.
Модель SWMS_2D (Simůnek et al., 1992). [15] ) значительно расширил возможности SWMII, включив положения о переносе растворенных веществ. Транспорт растворенных веществ описывался с использованием стандартного уравнения адвекции-дисперсии, которое включало линейную сорбцию, деградацию первого порядка как в жидкой, так и в твердой фазе, а также образование нулевого порядка в обеих фазах. В то же время в SWMS_2D было реализовано несколько других численных улучшений. Они включали решение смешанной формы уравнения Ричардса, предложенное Селией и др. (1990), [16] тем самым обеспечивая превосходный массовый баланс при расчете расхода воды. В то время как SWMII мог моделировать поток воды как в двумерной вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, SWMS_2D расширил диапазон приложений также до трехмерных осесимметричных областей потока вокруг вертикальной оси симметрии. Примерами являются приток в скважину, инфильтрация из поверхностного кольца или инфильтрометра с натяжным диском , а также инфильтрация из поверхностной или подземной капельницы.
Первое крупное обновление SWMS_2D было выпущено под названием CHAIN_2D (Simůnek et al., 1994b). [17] ). Эта модель значительно расширила возможности SWMS_2D, включив, среди прочего, последовательные цепочки распада растворенных веществ первого порядка и перенос тепла. Температурная зависимость гидравлических свойств грунта была учтена путем рассмотрения влияния температуры на поверхностное натяжение, динамическую вязкость и плотность воды. Уравнение переноса тепла в CHAIN_2D учитывает перенос за счет проводимости и адвекции с текущей водой. В уравнениях переноса растворенных веществ учитывался адвективно-дисперсионный перенос в жидкой фазе, а также диффузия в газообразной фазе. Уравнения переноса также включали положения о нелинейных неравновесных реакциях между твердой и жидкой фазами, реакциях линейного равновесия между жидкой и газообразной фазами, производстве нулевого порядка и двух реакциях разложения первого порядка: одна, которая не зависит от других растворенных веществ, и одна, которая обеспечивает 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-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 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 неровными границами, а также трехмерные области, демонстрирующие радиальную симметрию относительно вертикальной оси. В состав кода входит генератор сеток MeshGen2D, который был специально разработан для решения задач подземного потока и переноса с переменной насыщенностью. Генератор сетки может использоваться для определения очень общей геометрии области и для дискретизации транспортной области в неструктурированную сетку конечных элементов. HYDRUS-2D недавно был полностью заменен на 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 (Шимунек и др., 1995 г.). [21] ). Этот пакет программного обеспечения представляет собой полную переработку HYDRUS-2D и его расширений для двух- и трехмерной геометрии. 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 обеспечивает преимущественный поток в трещинах или макропорах. при хранении воды в матрице, (б) компенсационное поглощение воды корнями, (в) функции пространственного распределения корней, (г) модели гидравлических свойств почвы Косуги и Дюрнера, (д) транспорт вирусов, коллоидов и/ или бактерии с использованием модели прикрепления/отсоединения, теории фильтрации и функций блокировки, (f) построенный модуль водно-болотных угодий (только в 2D), (g) новая модель гистерезиса для устранения перекачки путем отслеживания исторических точек разворота и многие другие параметры.
Моделируемые процессы
[ редактировать ]Обе модели HYDRUS можно использовать для моделирования движения воды, тепла и нескольких растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью. Обе программы используют линейные конечные элементы для численного решения уравнения Ричардса на основе Фика для потока насыщенной и ненасыщенной воды и уравнений дисперсии адвекции для переноса тепла и растворенных веществ. Уравнение потока также включает в себя член, учитывающий поглощение воды корнями растений в зависимости от водного и соленого стресса. Гидравлические свойства ненасыщенных грунтов можно описать с помощью аналитических функций типа Ван Генухтена, Брукса и Кори, модифицированных аналитических функций Ван Генухтена, Косуги и Дюрнера. Уравнение теплопереноса учитывает проводимость, а также адвекцию с текущей водой. Уравнения переноса растворенных веществ предполагают адвективно-дисперсионный перенос в жидкой фазе и диффузию в газообразной фазе. Уравнения переноса также включают положения о нелинейных и/или неравновесных реакциях между твердой и жидкой фазами, реакциях линейного равновесия между жидкой и газообразной фазами, производстве нулевого порядка и двух реакциях 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 растворенных веществ можно объяснить, приняв формулировку двухобластного типа с двойной пористостью, которая разделяет жидкую фазу на подвижную и неподвижную области.
Модели HYDRUS можно использовать 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 из основной кривой сушки, а кривые сканирования смачивания - из основной кривой смачивания. Поглощение воды корнями можно моделировать как функцию стресса, связанного с водой и соленостью, и оно может быть компенсированным или некомпенсированным. Пакеты программного обеспечения HYDRUS дополнительно реализуют метод оценки параметров типа Марквардта-Левенберга для обратной оценки гидравлических параметров почвы и/или переноса растворенных веществ, а также параметров реакций на основе измеренных данных о переходном или установившемся потоке и/или переносе. Программы для этой цели написаны таким образом, что почти любое приложение, которое можно запустить в прямом режиме, можно с таким же успехом запустить и в обратном режиме, и, следовательно, для калибровки модели и оценки параметров.
Пакеты HYDRUS используют графический интерфейс пользователя (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 корневой воды 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 корневой воды, температуры и концентрации растворенных веществ в недрах в заранее выбранное время. Также включен небольшой каталог гидравлических свойств ненасыщенных почв, а также функций педопереноса на основе нейронных сетей.
Обе модели HYDRUS также учитывают различные положения для моделирования неравновесного потока и переноса. Уравнение потока для последней цели может рассматривать поток с двойной пористостью, в котором часть содержащейся воды является подвижной, а часть - неподвижной. Уравнения переноса были дополнительно модифицированы, чтобы обеспечить возможность рассмотрения кинетических процессов присоединения/отсоединения растворенных веществ к твердой фазе и, следовательно, растворенных веществ, имеющих конечный размер. Эта функция прикрепления/отсоединения в последнее время используется многими для моделирования переноса вирусов, коллоидов и бактерий.
Модель HYDRUS дополнительно включает модули для моделирования транспорта углекислого газа (только HYDRUS-1D) и основные модули ионной химии, заимствованные из программы UNSATCHEM. Таким образом, HYDRUS-1D можно использовать для оценки общей солености, концентрации отдельных растворимых катионов, а также коэффициента адсорбции натрия и процента обменного натрия.
Приложения
[ редактировать ]И HYDRUS-1D, и HYDRUS (2D/3D) использовались в сотнях, если не тысячах приложений, на которые есть ссылки в рецензируемых журнальных статьях и во многих технических отчетах. Оба пакета программного обеспечения также используются в аудиториях многих университетов на курсах, посвященных физике почвы, процессам в вадозной зоне или гидрологии вадозной зоны. Избранный список сотен приложений обоих программных пакетов 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 веб-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 моделирования потока воды и транспорта растворенных веществ для специализированных областей.
Построен модуль водно-болотных угодий
[ редактировать ]Искусственные водно-болотные угодья (CW) — это инженерные системы очистки воды, которые оптимизируют процессы очистки, встречающиеся в естественной среде. CW — это популярные системы, которые эффективно очищают различные типы загрязненной воды и, следовательно, представляют собой устойчивые и экологически чистые решения. Большое количество физических, химических и биологических процессов одновременно активны и взаимно влияют друг на друга. HYDRUS предлагает две формулировки биокинетических моделей: (а) модуль CW2D (Лангерграбер и Шимунек, 2005 г.). [22] ) и/или биокинетическая модель CW M1 (Constructed Wetland Model #1) (Langergraber et al., 2009b). [23] ).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ван Генухтен, М.Т. 1978. Массоперенос в насыщенно-ненасыщенных средах: одномерные решения. Исследовательский представитель № 78-WR-11. Программа водных ресурсов. Принстонский университет. Принстон, Нью-Джерси.
- ^ ван Генухтен, М.Т. 1987. Численная модель движения воды и растворенных веществ в корневой зоне и под ней. Отчет об исследовании № 121. Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния.
- ^ Фогель, Т. 1987. SWMII - Численная модель двумерного течения в пористой среде переменной насыщенности. Научно-исследовательское представительство № 87. Кафедра гидравлики и гидрологии водосбора. Сельскохозяйственный университет, Вагенинген, Нидерланды.
- ^ Кул, Дж.Б. и М.Т. ван Генухтен. 1989. HYDRUS, Одномерная модель потока и переноса с переменной насыщенностью, включая гистерезис и поглощение воды корнями. Версия 3.2. Руководство пользователя. Hydrogeologic Inc., Херндон, Вирджиния, 116 стр.
- ^ Шимунек, Дж., М. Шейна и М.Т. ван Генухтен. 1998. Пакет программ HYDRUS-1D 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, 186 стр.
- ^ Суарес, Д.Л. и Дж. Шимунек. 1997. UNSATCHEM: Модель переноса ненасыщенной воды и растворенных веществ с учетом равновесия и кинетической химии. Почвоведение. Соц. Являюсь. Дж., 61: 1633–1646.
- ^ Шимунек, Дж., 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, ПК «Прогресс», Прага, Чехия, стр. 258.
- ^ Жак Д. и Дж. Шимунек. 2005. Руководство пользователя многокомпонентной модели переменно-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.
- ^ Паркхерст, DL и CAJ Appelo. 1999. Руководство пользователя по PHREEQC (Версия 2): компьютерная программа для видообразования, пакетных реакций, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Вода-Ресурсы. Инвестируйте. Реп. 99-4259. Геологическая служба США, Денвер, Колорадо.
- ^ Нойман, С.П. 1972. Компьютерные программы конечных элементов для течения в насыщенных-ненасыщенных пористых средах. Второй годовой отчет, проект № A10-SWC-77, Лаборатория гидротехники, Технион, Хайфа, Израиль.
- ^ Дэвис, Лос-Анджелес, и С.П. Нойман. 1983. Документация и руководство пользователя: UNSAT2 – Модель потока с переменной насыщенностью. Окончательный вариант, WWL/TM-1791-1, Water, Waste & Land, Inc., Ft. Коллинз, Колорадо.
- ^ ван Генухтен, М.Т. 1980. Уравнение замкнутой формы для прогнозирования гидравлической проводимости ненасыщенных почв. Почвоведение. Соц. Являюсь. Дж., 44:892898.
- ^ Феддес, Р.А., П.Дж. Ковалик и Х. Зарадный. 1978. Моделирование полевого использования воды и урожайности. Джон Уайли и сыновья, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
- ^ 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, отчет об исследовании № 126, Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния.
- ^ 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, отчет об исследовании № 126, Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния.
- ^ Селия, Массачусетс, и Э.Т. Буутас, Р.Л. Зарба. 1990. Общее численное решение с сохранением массы для уравнения ненасыщенного потока. Водный ресурс. Рез., 26:1483-1496.
- ^ Шимунек, Дж. и М.Т. ван Генухтен. 1994. Код CHAIN_2D для моделирования двумерного движения потока воды, тепла и нескольких растворенных веществ в пористых средах с переменной насыщенностью. Версия 1.1, Отчет об исследовании № 136, Лаборатория солености США, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния.
- ^ Шимунек, Дж., М. Шейна и М.Т. ван Генухтен. 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 подземных вод, Горная школа Колорадо, Голден, Колорадо, 251 стр.
- ^ Шимунек, Дж., 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.
- ^ Шейна, М. и Дж. Шимунек. 2007. HYDRUS (2D/3D): графический интерфейс пользователя для программного пакета HYDRUS, моделирующего двухмерное и трехмерное движение воды, тепла и нескольких растворенных веществ в средах с переменной насыщенностью, опубликовано на сайте www.-pc-progress.cz. , ПК-Прогресс, Прага, Чехия.
- ^ Шимунек, Дж., К. Хуанг и М.Т. 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, Министерство сельского хозяйства США, ARS, Риверсайд, Калифорния, 155 стр.
- ^ Лангерграбер Г. и Дж. Шимунек, Моделирование потока воды с переменной насыщенностью и многокомпонентного реактивного переноса в построенных водно-болотных угодьях, Vadose Zone J., 4 (4), 924–938, 2005.
- ^ Лангерграбер, Г., Д. Руссо, Х. Гарсиа и Дж. Мена, CWM1 - Общая модель для описания биокинетических процессов в водно-болотных угодьях, построенных подземным потоком, Water Sci. Technol., 59(9), 1687-1697, 2009.
Внешние ссылки
[ редактировать ]| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
