Hydrus (ソフトウェア)

ハイドラス
開発者	PCの進捗状況
安定版リリース	3.02
オペレーティング·システム	Windows 10、Windows 8、Windows 7、Windows Vista、Windows XP
タイプ	水文学的モデリング
ライセンス	パブリックドメインソフトウェア(Hydrus-1D); プロプライエタリ(HYDRUS 2D/3D)
Webサイト	http://www.pc-progress.com/en/default.aspx?hydrus-3d

Hydrus は、さまざまな飽和度の多孔質媒体 (土壌など) における水の流れ、熱、溶質の移動を解析するために使用できるWindowsベースのモデリングソフトウェアスイートです。HYDRUS ソフトウェアスイートは、データの前処理、土壌プロファイルの離散化、および結果のグラフィック表示のためのインタラクティブなグラフィックベースのインターフェイスによってサポートされています。HYDRUS -1Dは、水の流れ、溶質、熱の移動を 1 次元でシミュレートするパブリックドメインソフトウェアですが、HYDRUS 2D/3D は、シミュレーション機能を 2 次元および 3 次元に拡張し、商用配布されています。

歴史

ハイドラス 1D

^{HYDRUS-1Dは、van Genuchten [1]}^[2]の初期の研究とSUMATRAおよびWORMモデル、およびVogel (1987) ^[3]とKoolとvan Genuchten (1989) ^[4]の後期の研究とそれぞれSWMIおよびHYDRUSモデルにそのルーツをたどることができます。SUMATRAではエルミート3次有限要素数値スキームが使用され、WORMと古いHYDRUSコードでは線形有限要素が水流方程式と溶質輸送方程式の両方の解法に使用されましたが、SWMIでは有限差分を使用して流れ方程式を解きました。

これら4つの初期モデルのさまざまな機能は、最初はDOSベースのSWMI_STモデル（Šimůnekら、1993年）に統合され、その後WindowsベースのHYDRUS-1Dシミュレータ（Šimůnekら、1998年）に統合されました。^[5]バージョン1（16ビットWindows 3.1用）とバージョン2（32ビットWindows 95用）がリリースされた後、次の2つのメジャーアップデート（バージョン3と4）が2005年と2008年にリリースされました。これらの最後の2つのバージョンには、標準のHYDRUSモジュールよりも複雑な生物地球化学反応に適用可能な追加モジュールが含まれていました。

HYDRUS-1D の標準モジュールは、完全に独立している、または連続的な一次分解チェーンに関与している溶質の輸送をシミュレートできますが、2 つの新しいモジュールでは、陽イオン交換や沈殿/溶解など、複数の溶質間の相互作用を考慮することができます。

バージョン 3には、二酸化炭素輸送および主要イオンの多成分輸送をシミュレートする UNSATCHEMモジュール (Suarez and Šimůnek, 1997 ^{[6] ) が含まれていました。UNSATCHEM 主要イオンモジュールは、最近、HYDRUS (2D/3D) のバージョン 2 (Šimůnek et al., 2011}^[7] ) にも追加されました。HYDRUS-1D のバージョン 4 には、UNSATCHEM モジュールだけでなく、 HYDRUS-1D と生物地球化学プログラム PHREEQC ^[9 ] を結合して作成された HP1プログラム (Jacques and Šimůnek, 2005 ^{[8] ) も含まれています。}

ハイドラス 2D/3D

現在のHYDRUS（2D/3D）ソフトウェアスイートとその前身には長い歴史があります。これらのモデルの起源は、パーソナルコンピュータが導入されるはるか以前にイスラエルのハイファにあるイスラエル工科大学テクニオン校の水理工学研究所でUNSATモデルを開発したShlomo Neuman博士と協力者（例、Neuman、1972 ^[10] ）の初期の研究に遡ります。UNSATは、リチャーズ方程式で説明される2次元の可変飽和領域での水の流れをシミュレートする有限要素モデルでした。このモデルではさらに、根の水分吸収と、モデルの幅広い適用性を確保するために必要な一連の関連境界条件も考慮されていました。UNSATは後にアリゾナ大学ツーソン校のDavisとNeuman（1983）^[11]によって修正され、パーソナルコンピュータで実行できるようになりました。

UNSAT のこの最終バージョンは、Vogel (1987) がオランダのワーゲニンゲン大学滞在中に開発した SWMII モデルの基礎となりました。SWMII は UNSAT の機能と使いやすさを大幅に拡張しました。このコードは、2 次元輸送領域で可変飽和水の流れをシミュレートし、van Genuchten 土壌水理関数 (van Genuchten、1980 ^{[12] ) とその修正を実装し、}SWATREモデル (Feddes ら、1978 ^[13] )のいくつかの機能を利用して根の水分吸収を考慮し、不均質土壌での流れのシミュレーションを可能にするスケーリング係数を含めました。このコードでは、流れ領域を任意の程度の局所異方性を持つ不均一な土壌で構成することもできました。SWMII は、後に米国塩分研究所で開発された SWMS_2D モデル (Šimůnek ら、1992 ^[14] ) の直接の前身でした。

SWMS_2Dモデル（Šimůnekら、1992 ^[15]）は、溶質輸送の規定を組み込むことでSWMIIの機能を大幅に拡張しました。溶質輸送は、線形吸着、液相と固相の両方での一次分解、および両相でのゼロ次生成を含む標準的な移流分散方程式を使用して記述されました。当時、SWMS_2Dには他のいくつかの数値的改善も実装されていました。これには、Celiaら（1990）^[16]が提案したRichards方程式の混合形式の解が含まれ、これにより水流計算で優れた質量バランスが得られました。SWMIIは2次元の垂直面または水平面のいずれかで水の流れをシミュレートできましたが、SWMS_2Dは垂直対称軸の周りの3次元の軸対称流れ領域にも適用範囲を拡張しました。例としては、井戸への流れ、表面リングまたは張力ディスク浸透計からの浸透、表面または地下のドリッパーの浸透があります。

SWMS_2Dの最初のメジャーアップグレードは、CHAIN_2Dという名前でリリースされました（Šimůnek et al., 1994b ^[17]）。このモデルは、一連の一次溶質崩壊連鎖や熱輸送などを含めることで、SWMS_2Dの機能を大幅に拡張しました。土壌水理特性の温度依存性は、表面張力、動粘性、および水の密度に対する温度の影響を考慮することによって組み込まれました。CHAIN_2Dの熱輸送方程式は、流水による伝導と移流による輸送を考慮しました。溶質輸送方程式は、液相での移流分散輸送と気相での拡散を考慮しました。輸送方程式には、固相と液相の間の非線形非平衡反応、液相と気相の間の線形平衡反応、ゼロ次生成、および 2 つの一次分解反応 (1 つは他の溶質に依存しない反応、もう 1 つは連続的な一次分解反応に関与する溶質間の結合を提供する反応) に関する規定も含まれていました。

SWMS_2D および CHAIN_2D モデルは、HYDRUS-2D (Šimůnek ら、1999 ^[18] ) のバージョン 1.0 (16 ビット Windows 3.1 用) および 2.0 (32 ビット Windows 95 用) の基礎となりました。HYDRUS-2D のユニークな特徴は、Microsoft Windows ベースのグラフィックスユーザーインターフェイス (GUI) を使用して、プログラムの実行に必要な入力データを管理するだけでなく、ノードの離散化と編集、パラメーターの割り当て、問題の実行、結果の視覚化も行うことです。不規則な境界で区切られた流れ領域だけでなく、垂直軸を中心に放射対称を示す 3 次元領域も処理できます。コードには MeshGen2D メッシュジェネレーターが含まれており、これは特に可変飽和地下流れおよび輸送問題用に設計されています。メッシュジェネレーターは、非常に一般的な領域ジオメトリを定義し、輸送領域を非構造化有限要素メッシュに離散化するために使用できます。 HYDRUS-2D は、以下に説明するように、最近 HYDRUS (2D/3D) に完全に置き換えられました。

HYDRUS (2D/3D) (バージョン1) ソフトウェアパッケージ (Šimůnek et al., 2006; ^[19] Šejna and Šimůnek, 2007 ^{[20] ) は、HYDRUS-2D (バージョン2.0) および SWMS_3D (Šimůnek et al., 1995}^[21] )の拡張および置き換えです。このソフトウェアパッケージは、HYDRUS-2D とその 2 次元および 3 次元ジオメトリの拡張機能を完全に書き直したものです。 HYDRUS-2D および SWMS_3D で利用可能な機能とプロセスに加えて、HYDRUS (2D/3D) の新しい計算モジュールでは、(a) 二重多孔システムにおける水の流れと溶質の輸送を考慮し、マトリックスに水を蓄えながら亀裂やマクロ孔内の優先的な流れを可能にします。また、(b) 補正を伴う根の水分吸収、(c) 空間的な根の分布関数、(d) Kosugi と Durner の土壌水理特性モデル、(e) 付着/分離モデル、濾過理論、ブロッキング関数を使用したウイルス、コロイド、細菌の輸送、(f) 人工湿地モジュール (2D のみ)、(g) 履歴的な反転ポイントを追跡することでポンプを排除する新しいヒステリシスモデル、およびその他の多くのオプションを考慮します。

シミュレーションプロセス

HYDRUS モデルは両方とも、可変飽和媒体における水、熱、および複数の溶質の移動をシミュレートするために使用できます。どちらのプログラムも線形有限要素を使用して、飽和-不飽和水流のRichards 方程式と、熱および溶質輸送の両方に対する Fickian ベースの移流分散方程式を数値的に解きます。フロー方程式には、水と塩分ストレスの両方の関数として植物の根による水分吸収を考慮するためのシンク項も含まれます。不飽和土壌の水理特性は、 van Genuchten、Brooks および Corey、修正 van Genuchten、Kosugi、および Durner タイプの解析関数を使用して記述できます。熱輸送方程式は、流水による伝導と移流を考慮します。溶質輸送方程式は、液相では移流分散輸送、気相では拡散を想定します。輸送方程式には、さらに、固相と液相の間の非線形および/または非平衡反応、液相と気相の間の線形平衡反応、ゼロ次生成、および 2 つの一次分解反応 (1 つは他の溶質とは独立しており、もう 1 つは連続的な一次分解反応に関与する溶質間の結合を提供する) に関する規定が含まれています。さらに、物理的な非平衡溶質輸送は、液相を移動領域と不移動領域に分割する 2 領域、二重多孔性タイプの定式化を想定することで説明できます。

HYDRUS モデルは、不飽和、部分飽和、または完全飽和の均質な層状媒体における水と溶質の動きを解析するために使用できます。コードには、乾燥走査曲線が主乾燥曲線から、湿潤走査曲線が主湿潤曲線からスケールされていると仮定してヒステリシスが組み込まれています。根の水分吸収は、水と塩分ストレスの両方の関数としてシミュレートでき、補正することも補正しないこともできます。HYDRUS ソフトウェアパッケージには、測定された過渡的または定常状態の流れや輸送データから土壌の水力学的および/または溶質輸送と反応パラメータを逆推定するためのMarquardt-Levenberg タイプのパラメータ推定手法も実装されています。この目的のために、プログラムは、直接モードで実行できるほとんどすべてのアプリケーションを逆モードで同様に実行できるように記述されているため、モデルのキャリブレーションとパラメータ推定に使用できます。

HYDRUS パッケージは、Microsoft Windows ベースのグラフィカルユーザーインターフェイス (GUI) を使用して、プログラムの実行に必要な入力データ、およびノードの離散化と編集、パラメータの割り当て、問題の実行、結果の視覚化を管理します。さまざまな土壌層、根の水分吸収分布、水、熱、溶質の移動の初期条件などの空間的に分布するすべてのパラメータは、グラフィカル環境で指定されます。プログラムは、事前に選択した時間における地下の圧力ヘッド、水分含有量、水分と溶質のフラックス、根の水分吸収、温度、溶質濃度の分布のグラフを提供します。また、不飽和土壌の水理特性の小さなカタログと、ニューラルネットワークに基づく土壌伝達関数も含まれています。

HYDRUS モデルは両方とも、非平衡の流れと輸送をシミュレートするためのさまざまな規定も考慮しています。後者の目的のための流れ方程式は、水分含有量の一部が移動可能で一部が移動しない二重多孔性型の流れを考慮できます。輸送方程式はさらに、固相への溶質の運動学的付着/脱離プロセス、つまり有限サイズの溶質を考慮できるように変更されました。この付着/脱離機能は、最近、ウイルス、コロイド、細菌の輸送をシミュレートするために多く使用されています。

HYDRUS モデルには、二酸化炭素輸送をシミュレートするモジュール (HYDRUS-1D のみ) と、UNSATCHEM プログラムから採用された主要なイオン化学モジュールも含まれています。したがって、HYDRUS-1D は、全体的な塩分濃度、個々の可溶性陽イオンの濃度、およびナトリウム吸着率と交換可能ナトリウム率を評価するアプリケーションで使用できます。

アプリケーション

HYDRUS-1D と HYDRUS (2D/3D) は、査読済みの学術論文や多くの技術レポートで参照されている数百、あるいは数千のアプリケーションで使用されています。また、両方のソフトウェアパッケージは、土壌物理学、不飽和帯のプロセス、不飽和帯水文学などのコースで多くの大学の教室でも使用されています。両方の HYDRUS ソフトウェアパッケージの数百のアプリケーションの抜粋リストは、次の場所にあります。

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-references

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-references

この Web サイトでは、HYDRUS プロジェクトのライブラリ内の多くの特定のアプリケーションも提供しています。

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-library

http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-applications

HYDRUS ソフトウェアは、特殊なドメインの水の流れと溶質の輸送をシミュレートする機能も提供します。

湿地モジュールの構築

人工湿地（CW）は、自然環境に見られる処理プロセスを最適化する人工水処理システムです。CWは、さまざまな種類の汚染された水を効率的に処理する人気のシステムであり、持続可能で環境に優しいソリューションです。多数の物理的、化学的、生物学的プロセスが同時にアクティブになり、相互に影響を及ぼします。HYDRUSは、2つの生物運動モデル定式化を提供します：（a）CW2Dモジュール（LangergraberとŠimůnek、2005 ^[22]）、および/またはCW M1（人工湿地モデル＃1）生物運動モデル（Langergraberら、2009b ^[23]）。

参考文献

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外部リンク

HYDRUS 1Dホームページ
HYDRUS 2Dホームページ
HYDRUS 2D/3Dホームページ

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