Hydrus 是一款用于模擬二維和三維可變飽和介質(zhì)中的水、熱和溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的軟件。它由一個(gè)計(jì)算程序和一個(gè)基于圖形的交互式用戶界面組成，廣泛用于分析多孔介質(zhì)中的水流和溶質(zhì)遷移。Hydrus 提供了有限元模型，可以模擬水、熱和多種溶質(zhì)在可變飽和介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，并包括一個(gè)參數(shù)優(yōu)化算法，用于反向估計(jì)各種土壤水力和/或溶質(zhì)傳輸參數(shù)。
HYDRUS 程序以數(shù)字方式求解可變飽和水流的 Richards 方程和熱量和溶質(zhì)輸送的對(duì)流-擴(kuò)散方程。流動(dòng)方程包含一個(gè)吸收項(xiàng)來解釋植物根部對(duì)水的吸收。熱輸送方程考慮了流動(dòng)水的傳導(dǎo)和對(duì)流輸送。溶質(zhì)輸送方程考慮了液相中的對(duì)流-擴(kuò)散輸送以及氣相中的擴(kuò)散。輸送方程還包括固相和液相之間的非線性非平衡反應(yīng)、液相和氣相之間的線性平衡反應(yīng)、零級(jí)生產(chǎn)和兩個(gè)一級(jí)降解反應(yīng)。此外，物理非平衡溶質(zhì)輸送可以通過假設(shè)兩個(gè)區(qū)域來解釋，雙孔隙型公式將液相劃分為流動(dòng)區(qū)域和不流動(dòng)區(qū)域。此外還包括附著/分離理論（包括過濾理論），以便模擬病毒、膠體和/或細(xì)菌的運(yùn)輸。
HYDRUS 可用于分析非飽和、部分飽和或完全飽和多孔介質(zhì)中的水和溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)。該程序可以處理由不規(guī)則邊界劃定的流動(dòng)區(qū)域。流動(dòng)區(qū)域本身可能由具有任意程度局部各向異性的非均勻土壤組成。流動(dòng)和輸送可以發(fā)生在一維垂直或水平方向、二維垂直或水平平面、圍繞垂直軸呈現(xiàn)徑向?qū)ΨQ的三維區(qū)域或完全三維域中。該程序的標(biāo)準(zhǔn)模塊（不是專門的附加模塊）還包括 Marquardt-Levenberg 型參數(shù)優(yōu)化算法，用于根據(jù)測(cè)量的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)逆向估計(jì)土壤水力和/或溶質(zhì)輸送和反應(yīng)參數(shù)。技術(shù)手冊(cè) [?im?nek et al., 2022] 中提供了 HYDRUS 中包含的各種流程和功能的詳細(xì)信息。
HYDRUS 圖形用戶界面 (GUI) 的主程序單元定義了系統(tǒng)的整體計(jì)算環(huán)境。此主模塊控制程序的執(zhí)行并確定特定應(yīng)用程序所需的其他可選模塊。該模塊包含一個(gè)項(xiàng)目管理器以及預(yù)處理和后處理單元。預(yù)處理單元包括成功運(yùn)行 HYDRUS FORTRAN 代碼所需的所有參數(shù)的規(guī)范、用于相對(duì)簡(jiǎn)單的矩形和六面體傳輸域的網(wǎng)格生成器、適用于相對(duì)復(fù)雜的二維和三維域的非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格的網(wǎng)格生成器、土壤水力特性的小目錄以及用于從土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)生成土壤水力特性的 Rosetta Lite 程序。后處理單元由簡(jiǎn)單的 xy 圖形組成，用于圖形化呈現(xiàn)土壤水力特性，以及選定觀察點(diǎn)處特定變量隨時(shí)間變化的分布，以及特定類型邊界上實(shí)際或累積的水和溶質(zhì)通量。后處理單元還包括通過等高線圖、等值線圖、光譜圖和速度矢量以及/或者使用等高線圖和光譜圖的動(dòng)畫來呈現(xiàn)特定模擬結(jié)果的選項(xiàng)。后處理單元還包括通過輪廓圖、等值線、光譜圖和速度矢量，和/或通過使用輪廓圖和光譜圖的動(dòng)畫來呈現(xiàn)特定模擬結(jié)果的選項(xiàng)。后處理單元還包括通過輪廓圖、等值線、光譜圖和速度矢量，和/或通過使用輪廓圖和光譜圖的動(dòng)畫來呈現(xiàn)特定模擬結(jié)果的選項(xiàng)。
基于 Microsoft Windows 的圖形用戶界面 (GUI) 管理運(yùn)行 HYDRUS 所需的輸入，以及網(wǎng)格設(shè)計(jì)和編輯、參數(shù)分配、問題執(zhí)行和結(jié)果可視化。該程序包括一組控件，允許用戶構(gòu)建流動(dòng)和傳輸模型，并即時(shí)執(zhí)行圖形分析?？梢允褂每臻g或橫截面視圖和線圖檢查輸入和輸出。HYDRUS圖形用戶界面的主程序單元定義系統(tǒng)的整體計(jì)算環(huán)境。此主模塊控制程序的執(zhí)行并確定特定應(yīng)用程序所需的其他可選工具。該模塊包含項(xiàng)目管理器以及預(yù)處理和后處理單元。預(yù)處理單元包括成功運(yùn)行 HYDRUS FORTRAN 代碼所需的所有參數(shù)的規(guī)范、相對(duì)簡(jiǎn)單的矩形和六面體傳輸域的網(wǎng)格生成器、復(fù)雜二維和三維域的非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格的網(wǎng)格生成器、土壤水力特性的小目錄以及用于從土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)生成土壤水力特性的 Rosetta Lite 程序。
數(shù)據(jù)預(yù)處理包括指定具有由折線、圓弧和樣條線界定的任意連續(xù)形狀的二維流動(dòng)區(qū)域、域邊界的離散化以及隨后生成非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格。HYDRUS（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別）帶有一個(gè)可選的網(wǎng)格生成程序 Meshgen，該程序可為二維域生成非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格。該程序基于 Delaunay 三角剖分，無縫集成到 HYDRUS 環(huán)境中。在沒有 Meshgen 程序的情況下，HYDRUS GUI 提供了一個(gè)自動(dòng)構(gòu)建簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（精簡(jiǎn)級(jí)別）的選項(xiàng)。第三維是在精簡(jiǎn)版和標(biāo)準(zhǔn)版中開發(fā)的通過添加指定數(shù)量的相同或不同厚度的層來增加層數(shù)。HYDRUS 3D-Professional帶有三維網(wǎng)格生成程序（GENEX 和 T3D），它們可以為一般三維域生成非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格。
輸出圖形包括水頭、水含量、速度、濃度和溫度的空間或橫截面視圖中的 2D 輪廓（等值線或色譜）。輸出還包括速度矢量圖、顏色邊緣、顏色點(diǎn)、連續(xù)時(shí)間步驟的圖形顯示動(dòng)畫以及選定邊界或內(nèi)部部分的線圖。后處理單元還包括簡(jiǎn)單的 xy 圖形，用于圖形表示土壤水力特性，以及諸如選定觀察點(diǎn)處特定變量隨時(shí)間分布的輸出，以及特定類型邊界上實(shí)際或累積的水和溶質(zhì)通量。感興趣的區(qū)域可以放大，垂直比例可以放大以查看橫截面視圖。網(wǎng)格可以顯示邊界和三角形編號(hào)，邊緣和點(diǎn)?？梢栽诰W(wǎng)格中的任何位置添加觀察點(diǎn)。使用高分辨率彩色或灰度級(jí)，可以方便地查看網(wǎng)格和/或空間分布的結(jié)果（壓力頭、水含量、速度、濃度和溫度）。界面中有一個(gè)廣泛且上下文相關(guān)的在線幫助。
為了簡(jiǎn)化復(fù)雜傳輸幾何體的工作，可以將它們劃分為更簡(jiǎn)單的部分，稱為“截面”。只有這些更簡(jiǎn)單的部分才能顯示在視圖窗口中，而其余部分可以隱藏。存在兩種類型的截面：幾何對(duì)象的截面和 FE 網(wǎng)格的截面?？梢酝瑫r(shí)顯示多個(gè)截面。可以使用各種命令從視圖窗口中切斷和隱藏傳輸域中不需要的（要顯示的）部分。
HYDRUS 有多個(gè)不同版本（版本/級(jí)別），因此用戶可以只獲取最適合其應(yīng)用的軟件部分。用戶可以選擇僅限于一維應(yīng)用的軟件（1D 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別）、一般二維應(yīng)用的軟件（2D 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別，與之前的 Hydrus-2D 和 MeshGen-2D 相對(duì)應(yīng)）或二維和三維應(yīng)用的軟件（即3D 標(biāo)準(zhǔn)或3D 專業(yè)版）。用戶還可以選擇相對(duì)簡(jiǎn)單的軟件（二維矩形幾何圖形 - 2D-Lite ）[與沒有 MeshGen-2D 的舊 Hydrus-2D 相對(duì)應(yīng)] 或三維六面體幾何 - 3D-Lite）或更復(fù)雜的幾何（即，用于一般二維幾何的2D-Standard 、用于可使用一般二維基礎(chǔ)和分層第三維定義的問題的3D-Standard或用于具有一般三維幾何的應(yīng)用程序的3D-Professional）。用戶可以從較低級(jí)別升級(jí)到更高級(jí)別，也可以從較低版本（例如版本 1.x）升級(jí)到更高版本（例如版本 2（以及更高版本 - 將來））。
