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Hydrusは、可変飽和多孔質媒体（土壌など）における水の流れ、熱、溶質の輸送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対話型グラフィックベースのインターフェースを備えています。HYDRUS -1Dは、水の流れ、溶質、熱の輸送を一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。
HYDRUS-1D は、van Genuchten [ 1 ] [ 2 ]の初期の研究と、彼の SUMATRA および WORM モデル、そして Vogel (1987) [ 3 ]と Kool および van Genuchten (1989) [ 4 ]による後期の研究と、それぞれの SWMI および HYDRUS モデルにそのルーツがあります。SUMATRA ではエルミート三次有限要素数値スキームが、WORM および古い HYDRUS コードでは線形有限要素が、水の流れと溶質輸送方程式の両方の解法に使用されていましたが、SWMI では有限差分法を使用して流れ方程式を解いていました。
これら4つの初期モデルのさまざまな機能は、最初にMS-DOSベースのSWMI_STモデル（Šimůnek et al., 1993）で、その後WindowsベースのHYDRUS-1Dシミュレータ（Šimůnek et al., 1998）で組み合わされました。[ 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）をリリースした後、次の2つの主要なアップデート（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できる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、完全に独立した溶質、または連続的な一次分解連鎖に関与す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、二酸化炭素輸送と主要イオンの多成分輸送をシミュレートするためのUNSATCHEM モジュール (Suarez および 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 ら、2011 [ 7 ] ) にも含まれました。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 を結合して作成された HP1 プログラム (Jacques および Šimůnek、2005 [ 8 ] ) も含まれています。[ 9 ]
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の登場よりもはるか以前に、イスラエルのハイファにあるテクニオン・イスラエル工科大学の水理工学研究所でUNSATモデルを開発したシュロモ・ニューマン博士とその共同研究者（例えば、ニューマン、1972 [ 10 ] ）の初期の研究に遡ることができます。UNSATは、リチャーズ方程式で記述される2次元可変飽和領域における水の流れをシミュレートする有限要素モデルでした。このモデルは、根の吸水と、モデルの幅広い適用性を確保するために必要なさまざまな関連境界条件も考慮していました。UNSATは後にアリゾナ大学ツーソン校のデイビスとニューマン（1983） [ 11 ]によってパーソナルコンピュータで実行できるように修正されました。
UNSATのこの最終バージョンは、Vogel（1987）がオランダのワーヘニンゲン大学滞在中に開発したSWMIIモデルの基礎となった。SWMIIはUNSATの機能と使いやすさを大幅に拡張した。このコードは、2次元輸送領域における可変飽和水流をシミュレートし、van Genuchten土壌水理関数（van Genuchten、1980 [ 12 ] ）とその修正版を実装し、 SWATREモデル（Feddes et al.、1978 [ 13 ] ）のいくつかの特徴を利用して根の吸水を考慮し、不均質土壌における流れのシミュレートを可能にするスケーリング係数を含めた。また、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質土壌で構成することもできた。 SWMIIは、後に米国塩分研究所で開発されたSWMS_2Dモデル（Šimůnek et al., 1992 [ 14 ] ）の直接の前身である。
SWMS_2D モデル (Šimůnek et al., 1992 [ 15 ] ) は、溶質輸送の規定を含めることで 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 には他にもいくつかの数値的な改善が実装されました。これには、Celia et al. (1990) [ 16 ]が提案したリチャーズ方程式の混合形式の解法が含まれており、これにより水流計算で優れた質量バランスが実現されました。SWMII は水流を 2 次元の垂直面または水平面のいずれかでシミュレートできましたが、SWMS_2D は適用範囲を垂直対称軸の周りの 3 次元軸対称流領域にも拡張しました。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、表面または地下の滴下装置からの浸透などがあります。
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、とりわけ、逐次一次溶質減衰連鎖と熱輸送を含めることにより、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、動粘度、水の密度に対する温度の影響を考慮することによって含まれました。CHAIN_2D の熱輸送方程式は、流れる水による伝導と移流による輸送を考慮しています。溶質輸送方程式は、液相における移流分散輸送と気相における拡散を考慮しています。輸送方程式には、固体相と液体相間の非線形非平衡反応、液体相と気体相間の線形平衡反応、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た。
SWMS_2D および CHAIN_2D モデルは、HYDRUS-2D (Šimůnek et al., 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) の基盤を形成しました。HYDRUS-2D のユニークな特徴は、プログラムの実行に必要な入力データの管理、節点離散化と編集、パラメータ割り当て、問題の実行、および結果の可視化に 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) を使用したことです。不規則な境界で区切られた流れ領域や、垂直軸に関して放射状対称性を示す 3 次元領域を処理できました。コードには、可変飽和地下流れおよび輸送問題用に特別に設計された MeshGen2D メッシュ ジェネレータが含まれています。メッシュジェネレータは、非常に一般的な領域形状を定義したり、輸送領域を非構造化有限要素メッシュに離散化したり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 ] )の拡張および代替です。このソフトウェア パッケージは、HYDRUS-2D および 2 次元および 3 次元形状用のそ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) 二重多孔質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貯蔵しながら亀裂またはマクロポアでの優先流を可能にし、(b) 補償を伴う根の吸水、(c) 空間的な根の分布関数、(d) 小杉とダーナーの土壌水理特性モデル、(e) 付着/剥離モデル、濾過理論、および遮断関数を使用したウイルス、コロイド、および/または細菌の輸送、(f) 人工湿地モジュール (2D のみ)、(g) 履歴反転点を追跡して揚水を排除する新しいヒステリシスモデル、およびその他多くのオプションを考慮しています。
HYDRUSモデルはどちらも、飽和度が異なる媒体における水、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、線形有限要素法を使用して、飽和・不飽和水流に関するリチャーズ方程式と、熱および溶質輸送に関するフィックの法則に基づく移流分散方程式を数値的に解きます。流れ方程式には、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の吸収を考慮するためのシンク項も含まれています。不飽和土壌の水理特性は、van Genuchten、Brooks and Corey、修正van Genuchten、Kosugi、およびDurner型の解析関数を使用して記述できます。熱輸送方程式は、流れる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、気相では拡散を仮定しています。輸送方程式には、固体相と液体相間の非線形および／または非平衡反応、液体相と気体相間の線形平衡反応、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す。さらに、物理的な非平衡溶質輸送は、液体相を可動領域と不動領域に分割する2領域二重多孔性型の定式化を仮定することで考慮できます。
HYDRUS モデルは、不飽和、部分飽和、または完全飽和の均質または層状媒体における水と溶質の移動を解析するために使用できます。このコードは、乾燥スキャン曲線が主乾燥曲線から、湿潤スキャン曲線が主湿潤曲線からスケーリングされると仮定することで、ヒステリシスを組み込んでいます。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、補償ありまたは補償なしを選択できます。HYDRUS ソフトウェア パッケージにはさらに、測定された過渡的または定常的な流れおよび/または輸送データから土壌の水理および/または溶質輸送および反応パラメータを逆推定するためのMarquardt–Levenberg 型のパラメータ推定手法が実装されています。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ぼすべてのアプリケーションを逆モードでも同様に実行できるように記述されており、モデルの較正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ース（GUI）を使用して、プログラムの実行に必要な入力データの管理、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、および結果の視覚化を行います。さまざまな土壌層、根の吸水分布、水、熱、溶質の移動の初期条件など、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。このプログラムは、あらかじめ選択された時間における、地中の圧力ヘッド、含水量、水と溶質のフラックス、根の吸水量、温度、溶質濃度の分布を示すグラフを提供します。また、不飽和土壌の水分特性の小規模なカタログと、ニューラルネットワークに基づく土壌特性変換関数も含まれています。
HYDRUSモデルはいずれも、非平衡流と輸送をシミュレートするための様々な機能を備えています。後者の目的のための流れ方程式では、水分含有量の一部が移動可能で、一部が不動である二重多孔性型の流れを考慮することができます。さらに、輸送方程式は、溶質が固体相に付着／脱離する動的プロセス、ひいては有限サイズの溶質を考慮できるように修正されました。この付着／脱離機能は、近年、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の研究者によって利用されています。
HYDRUSモデルには、二酸化炭素輸送シミュレーションモジュール（HYDRUS-1Dのみ）と、UNSATCHEMプログラムから採用された主要イオン化学モジュールも含まれています。そのため、HYDRUS-1Dは、総塩分濃度、個々の可溶性陽イオン濃度、ナトリウム吸着比、および交換性ナトリウム率を評価する用途に使用できます。
HYDRUS-1DとHYDRUS（2D/3D）は、査読付き学術誌の記事や多くの技術報告書で引用されているように、数百、いや数千ものアプリケーションで使用されています。これらのソフトウェアパッケージは、土壌物理学、不飽和帯におけるプロセス、または不飽和帯水文学を扱う多くの大学の講義でも使用されています。HYDRUSソフトウェアパッケージの数百ものアプリケーションの中から厳選されたリストは、以下に掲載されています。
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-references
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-references
ウェブサイトでは、HYDRUSプロジェクトのライブラリに多くの具体的な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、特定の分野における水の流れや溶質の輸送をシミュレーションする機能も提供しています。
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ように設計された水処理システムです。CW は、さまざまな種類の汚染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活動し、互いに影響し合います。HYDRUS は、2 つのバイオキネティック モデル定式化を提供します。(a) CW2D モジュール (Langergraber および Šimůnek、2005 [ 22 ] )、および/または CW M1 (人工湿地モデル #1) バイオキネティック モデル (Langergraber ら、2009b [ 23 ] )。