Hydrus (software)

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 en SUMATRA se utilizaron esquemas numéricos de elementos finitos cúbicos hermitianos y en WORM y el código HYDRUS más antiguo se utilizaron elementos finitos lineales para la solución de las ecuaciones de flujo de agua y transporte de solutos, SWMI utilizó 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 MS-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 módulos adicionales aplicables a reacciones biogeoquímicas más complejas que los módulos HYDRUS estándar.

Si bien los módulos estándar de HYDRUS-1D pueden simular el transporte de solutos que son totalmente independientes o que participan en 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 incluyó 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 también se incluyó recientemente en la versión 2 de HYDRUS (2D/3D) (Šimůnek et al., 2011 ^{[ 7 ]} ). La versión 4 de HYDRUS-1D ahora incluye no solo 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 paquete de software HYDRUS (2D/3D) y sus predecesores tienen una larga historia. El origen de estos modelos se remonta al trabajo inicial del Dr. Shlomo Neuman y colaboradores (p. ej., Neuman, 1972 ^{[ 10 ]} ), quienes desarrollaron su modelo UNSAT en el Laboratorio de Ingeniería Hidráulica del Technion – Instituto Tecnológico 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 con saturación variable, como se describe con la ecuación de Richards. El modelo también consideraba la absorción de agua por las raíces, así como una serie de condiciones de contorno pertinentes necesarias para garantizar una amplia aplicabilidad del modelo. Posteriormente, Davis y Neuman (1983) ^{[ 11 ]} modificaron UNSAT en la Universidad de Arizona , Tucson, de manera que el modelo pudiera ejecutarse en computadoras personales.

Esta última versión de UNSAT constituyó 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 simulaba el flujo de agua variablemente saturada en dominios de transporte bidimensionales, implementaba las funciones hidráulicas del suelo de van Genuchten (van Genuchten, 1980 ^{[ 12 ]} ) y sus modificaciones, consideraba la absorción de agua por las raíces aprovechando algunas de las características del modelo SWATRE (Feddes et al., 1978 ^{[ 13 ]} ), e incluía factores de escala para permitir simulaciones de flujo en suelos heterogéneos. El código también permitía que la región de flujo estuviera compuesta por suelos no uniformes con 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 en las fases líquida y sólida, y producción de orden cero en ambas fases. En ese momento también se implementaron otras mejoras numéricas en SWMS_2D. Estas incluían la solución de la forma mixta de la ecuación de Richards como sugirieron Celia et al. (1990), ^{[ 16 ]} proporcionando así excelentes balances de masa en los cálculos de flujo de agua. Mientras que SWMII podía simular el flujo de agua en planos verticales u horizontales bidimensionales, SWMS_2D extendió el rango de aplicaciones también a dominios de flujo axisimétricos tridimensionales alrededor de un eje vertical de simetría. Ejemplos son el flujo hacia un pozo, la infiltración desde un anillo superficial o un infiltrómetro de disco de tensión , y la infiltración desde un gotero superficial o subsuperficial.

La primera actualización importante de SWMS_2D se publicó con el nombre de CHAIN_2D (Šimůnek et al., 1994b ^{[ 17 ]} ). Este modelo amplió considerablemente las capacidades de SWMS_2D al incluir, entre otras cosas, cadenas de descomposición de solutos de primer orden secuenciales y transporte de calor. La dependencia de la temperatura de las propiedades hidráulicas del suelo se incluyó al considerar 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 la conducción y la advección con el agua en movimiento. Las ecuaciones de transporte de solutos consideraron el transporte advectivo-dispersivo en la fase líquida, así como la difusión en la fase gaseosa. Las ecuaciones de transporte también incluyeron disposiciones para reacciones de no equilibrio no lineales entre las fases sólida y líquida, reacciones de equilibrio lineales entre la fase 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 proporcionaba el acoplamiento entre los solutos involucrados en las reacciones de descomposición de primer orden secuenciales.

Los modelos SWMS_2D y CHAIN_2D constituyeron la base 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 era que utilizaba una interfaz gráfica de usuario (GUI) basada en Microsoft Windows para gestionar los datos de entrada necesarios para ejecutar el programa, así como para la discretización y edición de nodos, la asignación de parámetros, la ejecución del problema y la visualización de resultados. Podía manejar regiones de flujo delimitadas por límites irregulares, así como regiones tridimensionales que presentaban simetría radial alrededor del eje vertical. El código incluye el generador de mallas MeshGen2D, diseñado específicamente para problemas de flujo y transporte en el subsuelo con saturación variable. El generador de mallas puede utilizarse 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 reemplazado recientemente 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, lo que permite 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 utilizando un modelo de adhesión/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 puntos de inversión históricos y muchas otras opciones.

Los humedales artificiales (HA) son sistemas de tratamiento de agua diseñados que optimizan los procesos de tratamiento que se encuentran en los entornos naturales. Los HA 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 (Modelo de Humedal Artificial n.° 1) (Langergraber et al., 2009b ^{[ 23 ]} ).