一维有限元模型HYDRUS-1D

HYDRUS是美国农业部盐渍土实验室开发的模拟非饱和土壤中的水、热、溶质运移的软件，它在模拟土壤中水分运动、盐分、污染物(如农药)和养分(如土壤氮素)运移方面得到广泛应用。软件分为1维、2维、3维三种，分别命名维Hydrus-1D、Hydrus-2D、Hydrus-3D。由于非饱和土壤水主要是1维垂向运动的形式，因此Hydrus-1D的应用非常广泛。

HYDRUS-1D GUI 是一个基于 Windows 的建模环境，包含了HYDRUS-1D的计算内核，以及一套图形化界面。用于分析变饱和多孔介质中的水流、热传输和多组分溶质运移。其核心是一维有限元模型 HYDRUS（v7.0），配套图形界面完成前处理（几何/离散/参数）、运行与可视化（剖面/时序/通量等）。ars.usda.gov

页面信息：版本 3.01（2005 年 4 月发布），USSL 提供下载/教程，页面“Last Modified”日期 2020-09-09。ars.usda.gov

介绍

主要能力与物理过程

方程体系：水流采用 Richards 方程；热传输采用基于 Fick 的对流—弥散（含传导与随水对流）；溶质采用液相对流—弥散与气相扩散耦合方程，支持根系吸水（作为汇项）。ars.usda.gov
反应/转化：含非线性与/或非平衡固—液反应、液—气线性平衡、零级生成，以及两类一级降解（含级联反应耦合）。可用于非饱和、部分饱和或饱和条件下的水—溶质联运分析。ars.usda.gov
边界与介质：介质可非均质；流动方向可为垂直、水平或倾斜；支持规定水头/通量、大气控制、自由排水等边界，并允许土表在通量—水头边界间自动切换。ars.usda.gov
土壤水力学：提供 van Genuchten (1980)、Brooks & Corey (1964) 及改进型函数；滞后按 Scott (1983) 与 Kool & Parker (1987) 的经验模型实现；并可通过线性尺度变换表示剖面内的水力变异。ars.usda.gov
作物与胁迫：根系生长按逻辑斯谛函数；水分/盐分胁迫函数可选 Feddes (1978) 或 van Genuchten (1987)。ars.usda.gov

数值与反演

数值实现：采用 Galerkin 线性有限元与隐式（反向）时间离散，提供自适应时间步长并控制 Courant/Péclet 数范围；水含量项按 Celia et al. (1990) 的质量守恒方法计算；并提供减小数值振荡的上风、人工弥散等选项。ars.usda.gov
参数反演：内置 Marquardt–Levenberg 反演，可利用含水量、压力头、浓度、瞬时/累积通量等数据估计土壤水力与溶质反应参数，并可加入先验约束/惩罚函数（贝叶斯）。ars.usda.gov

HYDRUS-1D GUI图形界面

HYDRUS-1D Windows 图形界面（GUI）负责剖分与编辑、参数分配、任务执行、结果可视化。支持在任意深度设置观测点输出水分/压力头/温度/浓度时序；可绘制剖面分布图与边界通量/累积量曲线；内置小型土壤水力性质目录与一组教学算例（含正算与反演）。ars.usda.gov

HYDRUS-1D 获取

页面提供软件下载与手册入口及HYDRUS-1D 教程；该页列示的外壳版本为 3.01（2005 年 4 月），模型内核为 HYDRUS v7.0；作者包括 J. Šimůnek, K. Huang, M. Šejna, M.Th. van Genuchten；页面“Last Modified”日期为 2020-09-09。ars.usda.gov

参考文献：

HYDRUS 模型下载: USDA ARS

HYDRUS 模型：USDA ARS

HYDRUS-1D 教程：USDA ARS