HYDRUS 水流和溶质运移模拟软件

HYDRUS是一个运行于Windows系统下的环境模拟软件，主要用于变量饱和多孔介质的水流和溶质运移。HYDRUS包括用于模拟变量饱和多孔介质下的水、热和多溶质运移的二维和三维有限元计算，包括一个参数优化算法，用于各种土壤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，可进行数据前处理、结构化和非结构化的有限元网格生成以及结果的图形展示。

HYDRUS一共五个版本，用户可以选择较适合自己版本。用户可以选择局限于一般功能的二维应用（2D-Standard版本，与之前含有MeshGen-2D的Hydrus-2D功能一致）或者二维和三维应用（如3D-Standard 或3D-Professional）。用户也可以选择相对简单的（二维直角几何图形—3D-Lite, 与之前不含MeshGen-2D的Hydrus-2D功能一致）或三维的几何立体图形– 3D-Lite）或更复杂的几何图形（用于普通二维几何图形的2D-Standard或在二维基础上以及分层三维的3D-Standard，以及用于普通三维几何图形的3D-Professional）。用户也可以选择从低版本升级到高版本。 

标准计算模型 
HYDRUS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较多可考虑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。

HYDRUS可用来分析水质和溶质在非饱和、部分饱和或是饱和多孔介质情况下的运动。HYDRUS可由不规则边界处理水流区域，水流区域本身可能是由非均匀土壤组成具有局部各向异性任意程度。水流和运移可能发生在垂直面，也可能在水平mian，具有径向对称性的垂直轴或三维区域。 
模型的水流部分可以用来处理连续或时变的规定的方向和流量边界，以及由气象条件控制的边界。土壤表面边界条件在模拟从给定的流量到规定的方向类型条件期间可能会发生变化，反之亦然。它还可以通过水域饱和部分的剩余水量和不排水边界条件处理自由面边界。节点排水是由一个简单的模拟实验关系为代表。 

对溶质运移来说，软件既支持连续和变化的规定浓度(Dirichlet或first-type)也支持浓度通量边界(Cauchy或third-type)。弥散张量包含分子扩散和曲折的结果反应影响。 

不饱和土壤水文属性是由以下理论总结出来的，1980年的van Genuchten、1964年的Brooks 和Corey、1994年的Durner、1995年的Kosugi和修正的van Genuchten的型解析函数。这些修正内容对接近饱和状态的水利属性做了进一步的描述。HYDRUS软件包含了由1983年Scott et al.以及1987年Kool 和 Parker引进的结合实证模拟的滞变。 这个模型假定干燥扫描曲线是从主要干燥曲线衍生而来的，湿润扫描曲线是从主要湿润曲线衍生而来的。HYDRUS还包括1991年的Lenhard et al.和1992年Lenhard 和 Parker的滞变模型，它通过跟踪历史逆转点从而消除泵。HYDRUS在给定的土壤环境下可实行缩放过程已达到近似液压变化，通过一组线性标度变化工具，涉及个别土壤水力特性与参考土壤的关系。 

使用应用到三角元素网络中的Galerkin的线性有限元方法来求解控制方程。饱和和不饱和的状态是通过有限差分格式集成实现的。结果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对称矩阵正交较小化方法。额外的措施来提高瞬态问题的求解效率，包括自动时间步调整和确保Courant和 Peclet数字不**过预设水平。使用1990年Celia et al.提出的质量守恒法来评估水的含量。减少数值振荡上行重量作为求解运移方程的选项包含在里面。