Hydrus es un conjunto de software de modelado basado en Windows que se puede utilizar para el análisis del flujo de agua, el calor y el transporte de solutos en medios porosos variablemente saturados (p. ej., suelos). El paquete de software HYDRUS está respaldado por una interfaz interactiva basada en gráficos para el preprocesamiento de datos, la discretización del perfil del suelo y la presentación gráfica de los resultados. Mientras que HYDRUS-1D simula el flujo de agua, el transporte de solutos y calor en una dimensión y es un software de dominio público , HYDRUS 2D/3D extiende las capacidades de simulación a la segunda y tercera dimensiones y se distribuye comercialmente.
HYDRUS-1D tiene sus raíces en los primeros trabajos de van Genuchten [1] [2] y sus modelos SUMATRA y WORM, así como en trabajos posteriores de Vogel (1987) [3] y Kool y van Genuchten (1989) [4] y sus modelos SWMI y HYDRUS, respectivamente. Mientras que los esquemas numéricos de elementos finitos cúbicos hermitianos se usaron en SUMATRA y elementos finitos lineales en WORM y el código HYDRUS más antiguo para la solución de las ecuaciones de flujo de agua y transporte de solutos, SWMI usó diferencias finitas para resolver la ecuación de flujo.
Varias características de estos cuatro primeros modelos se combinaron primero en el modelo SWMI_ST basado en DOS (Šimůnek et al., 1993), y más tarde en el simulador HYDRUS-1D basado en Windows (Šimůnek et al., 1998). [5] Después de lanzar las versiones 1 (para Windows 3.1 de 16 bits) y 2 (para Windows 95 de 32 bits), las siguientes dos actualizaciones importantes (versiones 3 y 4) se lanzaron en 2005 y 2008. Estas dos últimas versiones incluyeron actualizaciones adicionales. Módulos aplicables a reacciones biogeoquímicas más complejas que los módulos HYDRUS estándar.
Mientras que los módulos estándar de HYDRUS-1D pueden simular el transporte de solutos que son completamente independientes o están involucrados en las cadenas de degradación secuenciales de primer orden, los dos nuevos módulos pueden considerar interacciones mutuas entre múltiples solutos, como el intercambio catiónico y la precipitación/disolución. .
La versión 3 incluía el módulo UNSATCHEM (Suarez y Šimůnek, 1997 [6] ) para simular el transporte de dióxido de carbono, así como el transporte multicomponente de iones principales. El módulo de iones principales UNSATCHEM se incluyó recientemente también en la versión 2 de HYDRUS (2D/3D) (Šimůnek et al., 2011 [7] ). La versión 4 de HYDRUS-1D incluye ahora no sólo el módulo UNSATCHEM, sino también el programa HP1 (Jacques y Šimůnek, 2005 [8] ), que resultó del acoplamiento de HYDRUS-1D con el programa biogeoquímico PHREEQC. [9]
El actual conjunto de software HYDRUS (2D/3D) y sus predecesores tienen una larga historia. El origen de estos modelos se remonta a los primeros trabajos del Dr. Shlomo Neuman y sus colaboradores (por ejemplo, Neuman, 1972 [10] ), quienes desarrollaron su modelo UNSAT en el Laboratorio de Ingeniería Hidráulica del Technion – Instituto de Tecnología de Israel , en Haifa. , Israel, mucho antes de la introducción de las computadoras personales. UNSAT era un modelo de elementos finitos que simulaba el flujo de agua en dominios bidimensionales de saturación variable como se describe en la ecuación de Richards. El modelo consideró además la absorción de agua de las raíces, así como una variedad de condiciones límite pertinentes necesarias para garantizar una amplia aplicabilidad del modelo. UNSAT fue posteriormente modificado por Davis y Neuman (1983) [11] en la Universidad de Arizona, Tucson, de modo que el modelo pudiera ejecutarse en computadoras personales.
Esta última versión de UNSAT formó la base del modelo SWMII desarrollado por Vogel (1987) durante su estancia en la Universidad de Wageningen , Países Bajos. SWMII amplió significativamente las capacidades y la facilidad de uso de UNSAT. El código simuló un flujo de agua saturado de forma variable en dominios de transporte bidimensionales, implementó las funciones hidráulicas del suelo de van Genuchten (van Genuchten, 1980 [12] ) y sus modificaciones, consideró la absorción de agua por las raíces aprovechando algunas de las características del SWATRE . modelo (Feddes et al., 1978 [13] ), e incluyó factores de escala para permitir simulaciones de flujo en suelos heterogéneos. El código también permitía que la región de flujo estuviera compuesta de suelos no uniformes que tuvieran un grado arbitrario de anisotropía local. SWMII fue un predecesor directo del modelo SWMS_2D (Šimůnek et al., 1992 [14] ) desarrollado posteriormente en el Laboratorio de Salinidad de EE. UU.
El modelo SWMS_2D (Šimůnek et al., 1992 [15] ) amplió considerablemente las capacidades de SWMII al incluir disposiciones para el transporte de solutos. El transporte de solutos se describió utilizando la ecuación estándar de advección-dispersión que incluía sorción lineal, degradación de primer orden tanto en la fase líquida como sólida, y producción de orden cero en ambas fases. En ese momento también se implementaron otras mejoras numéricas en SWMS_2D. Estos incluyeron la solución de la forma mixta de la ecuación de Richards como lo sugieren Celia et al. (1990), [16] proporcionando así excelentes equilibrios de masa en los cálculos del flujo de agua. Si bien SWMII podía simular el flujo de agua en planos bidimensionales verticales u horizontales, SWMS_2D amplió la gama de aplicaciones también a dominios de flujo axisimétricos tridimensionales alrededor de un eje de simetría vertical. Algunos ejemplos son el flujo hacia un pozo, la infiltración desde un infiltrómetro de anillo de superficie o de disco de tensión y la infiltración desde un gotero de superficie o subterráneo.
La primera actualización importante de SWMS_2D se lanzó con el nombre CHAIN_2D (Šimůnek et al., 1994b [17] ). Este modelo amplió enormemente las capacidades de SWMS_2D al incluir, entre otras cosas, cadenas secuenciales de desintegración de solutos de primer orden y transporte de calor. La dependencia de la temperatura de las propiedades hidráulicas del suelo se incluyó considerando los efectos de la temperatura sobre la tensión superficial, la viscosidad dinámica y la densidad del agua. La ecuación de transporte de calor en CHAIN_2D consideró el transporte debido a conducción y advección con agua en movimiento. Las ecuaciones de transporte de solutos consideraron el transporte advectivo-dispersivo en fase líquida, así como la difusión en fase gaseosa. Las ecuaciones de transporte también incluían disposiciones para reacciones no lineales de desequilibrio entre las fases sólida y líquida, reacciones de equilibrio lineal entre las fases líquida y gaseosa, producción de orden cero y dos reacciones de degradación de primer orden: una que era independiente de otros solutos y otra que proporcionó el acoplamiento entre los solutos involucrados en las reacciones secuenciales de desintegración de primer orden.
Los modelos SWMS_2D y CHAIN_2D formaron las bases de las versiones 1.0 (para Windows 3.1 de 16 bits) y 2.0 (para Windows 95 de 32 bits) de HYDRUS-2D (Šimůnek et al., 1999 [18 ] ). Una característica única de HYDRUS-2D fue que utilizaba una interfaz gráfica de usuario (GUI) basada en Microsoft Windows para administrar los datos de entrada necesarios para ejecutar el programa, así como para la discretización y edición de nodos, asignación de parámetros, ejecución de problemas y visualización. de resultados. Podría manejar regiones de flujo delineadas por límites irregulares, así como regiones tridimensionales que exhiben simetría radial alrededor del eje vertical. El código incluye el generador de malla MeshGen2D, que fue diseñado específicamente para problemas de transporte y flujo subterráneo de saturación variable. El generador de malla se puede utilizar para definir geometrías de dominio muy generales y para discretizar el dominio de transporte en una malla de elementos finitos no estructurada. HYDRUS-2D ha sido recientemente reemplazado por completo por HYDRUS (2D/3D) como se describe a continuación.
El paquete de software HYDRUS (2D/3D) (versión 1) (Šimůnek et al., 2006; [19] Šejna y Šimůnek, 2007 [20] ) es una extensión y reemplazo de HYDRUS-2D (versión 2.0) y SWMS_3D (Šimůnek et al., 1995 [21] ). Este paquete de software es una reescritura completa de HYDRUS-2D y sus extensiones para geometrías bidimensionales y tridimensionales. Además de las características y procesos disponibles en HYDRUS-2D y SWMS_3D, los nuevos módulos computacionales de HYDRUS (2D/3D) consideran (a) el flujo de agua y el transporte de solutos en un sistema de doble porosidad, permitiendo así un flujo preferencial en fracturas o macroporos. mientras se almacena agua en la matriz, (b) la absorción de agua por las raíces con compensación, (c) las funciones de distribución espacial de las raíces, (d) los modelos de propiedades hidráulicas del suelo de Kosugi y Durner, (e) el transporte de virus, coloides y/ o bacterias usando un modelo de unión/desprendimiento, teoría de filtración y funciones de bloqueo, (f) un módulo de humedal artificial (solo en 2D), (g) el nuevo modelo de histéresis para eliminar el bombeo mediante el seguimiento de los puntos de reversión históricos, y muchos otros opciones.
Ambos modelos HYDRUS se pueden utilizar para simular el movimiento de agua, calor y múltiples solutos en medios variablemente saturados. Ambos programas utilizan elementos finitos lineales para resolver numéricamente la ecuación de Richards para el flujo de agua saturada-insaturada y las ecuaciones de dispersión por advección basadas en Fickian para el transporte de calor y solutos. La ecuación de flujo también incluye un término de sumidero para tener en cuenta la absorción de agua por las raíces de las plantas en función del estrés hídrico y salino. Las propiedades hidráulicas del suelo insaturado se pueden describir utilizando funciones analíticas tipo van Genuchten, Brooks y Corey, van Genuchten modificadas, Kosugi y Durner. La ecuación del transporte de calor considera tanto la conducción como la advección con agua que fluye. Las ecuaciones de transporte de solutos suponen transporte advectivo-dispersivo en fase líquida y difusión en fase gaseosa. Las ecuaciones de transporte incluyen además disposiciones para reacciones no lineales y/o de no equilibrio entre las fases sólida y líquida, reacciones de equilibrio lineal entre las fases líquida y gaseosa, producción de orden cero y dos reacciones de degradación de primer orden: una que es independiente de otros solutos, y uno que proporciona el acoplamiento entre solutos involucrados en reacciones secuenciales de desintegración de primer orden. Además, el transporte de solutos fuera del equilibrio físico puede explicarse suponiendo una formulación de dos regiones y de doble porosidad que divide la fase líquida en regiones móviles e inmóviles.
Los modelos HYDRUS se pueden utilizar para analizar el movimiento de agua y solutos en medios homogéneos en capas insaturados, parcialmente saturados o completamente saturados. Los códigos incorporan histéresis asumiendo que las curvas de escaneo de secado se escalan a partir de la curva de secado principal y las curvas de escaneo de humectación de la curva de humectación principal. La absorción de agua por las raíces se puede simular en función del estrés hídrico y salino, y se puede compensar o no. Los paquetes de software HYDRUS implementan adicionalmente una técnica de estimación de parámetros tipo Marquardt-Levenberg para la estimación inversa de los parámetros hidráulicos y/o de transporte de solutos y reacción del suelo a partir de datos de flujo y/o transporte medidos en estado transitorio o estacionario. Para ello, los programas están escritos de tal manera que casi cualquier aplicación que pueda ejecutarse en modo directo pueda ejecutarse igualmente en modo inverso y, por tanto, para la calibración del modelo y la estimación de parámetros.
Los paquetes HYDRUS utilizan una interfaz gráfica de usuario (GUI) basada en Microsoft Windows para administrar los datos de entrada necesarios para ejecutar el programa, así como para la discretización y edición de nodos, asignación de parámetros, ejecución de problemas y visualización de resultados. Todos los parámetros distribuidos espacialmente, como los de varios horizontes del suelo, la distribución de la absorción de agua por las raíces y las condiciones iniciales para el movimiento de agua, calor y solutos, se especifican en un entorno gráfico. El programa ofrece gráficos de las distribuciones de la carga de presión, el contenido de agua, los flujos de agua y solutos, la absorción de agua de las raíces, la temperatura y las concentraciones de solutos en el subsuelo en momentos preseleccionados. También se incluye un pequeño catálogo de propiedades hidráulicas de suelos no saturados, así como funciones de pedotransferencia basadas en redes neuronales.
Ambos modelos HYDRUS también consideran varias disposiciones para simular el flujo y el transporte en desequilibrio. La ecuación de flujo para este último propósito puede considerar un flujo de tipo porosidad dual con una fracción del contenido de agua móvil y una fracción inmóvil. Además, las ecuaciones de transporte se modificaron para permitir la consideración de procesos cinéticos de unión/desprendimiento de solutos a la fase sólida y, por tanto, de solutos que tienen un tamaño finito. Esta función de unión/desconexión ha sido utilizada recientemente por muchos para simular el transporte de virus, coloides y bacterias.
El modelo HYDRUS incluye además módulos para simular el transporte de dióxido de carbono (solo HYDRUS-1D) y módulos de química de iones principales, adoptados del programa UNSATCHEM. Por lo tanto, HYDRUS-1D se puede utilizar en aplicaciones que evalúan la salinidad general, la concentración de cationes solubles individuales, así como la relación de adsorción de sodio y el porcentaje de sodio intercambiable.
Tanto HYDRUS-1D como HYDRUS (2D/3D) se han utilizado en cientos, si no miles, de aplicaciones a las que se hace referencia en artículos de revistas revisadas por pares y en muchos informes técnicos. Ambos paquetes de software también se utilizan en las aulas de muchas universidades en cursos que cubren Física del Suelo, Procesos en la Zona Vadosa o Hidrología de la Zona Vadosa. Se proporciona una lista seleccionada de cientos de aplicaciones de ambos paquetes de software HYDRUS en:
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-references
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-references
El sitio web también proporciona muchas aplicaciones específicas en las bibliotecas de proyectos HYDRUS en:
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h1d-library
http://www.pc-progress.com/en/Default.aspx?h3d-applications
El software HYDRUS también proporciona capacidades para simular el flujo de agua y el transporte de solutos para dominios especializados.
Los humedales artificiales (CW) son sistemas de tratamiento de agua diseñados que optimizan los procesos de tratamiento que se encuentran en entornos naturales. Los CW son sistemas populares que tratan eficientemente varios tipos de agua contaminada y, por lo tanto, son soluciones sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Un gran número de procesos físicos, químicos y biológicos están activos simultáneamente y se influyen mutuamente. HYDRUS ofrece dos formulaciones de modelos biocinéticos: (a) el módulo CW2D (Langergraber y Šimůnek, 2005 [22] ), y/o el modelo biocinético CW M1 (Constructed Wetland Model #1) (Langergraber et al., 2009b [23] ) .