Hydrus1D简明使用手册

HYDRUS-1D模拟剖面变饱和度地下水流〔简明手册〕王旭升中国地质大学(北京)目录如何猎取HYDRUS-1D 错误!未定义书签。版权声明 错误!未定义书签。参考资料 错误!未定义书签。HYDRUS-1D的WINDOWS界面 错误!未定义书签。设计模型 错误!未定义书签。使用HYDRUS-1D创立模型 错误!未定义书签。输入模型把握信息 错误!未定义书签。水流模型——迭代计算参数 错误!未定义书签。水流模型——土壤水力特性模型 错误!未定义书签。水流模型——土壤水分特征曲线 错误!未定义书签。水流模型——边界条件 错误!未定义书签。水流模型——定水头或通量边界设置 错误!未定义书签。根系吸水——吸水模型 错误!未定义书签。根系吸水——水分胁迫参数 错误!未定义书签。输入可变边界条件的信息 错误!未定义书签。编辑土壤剖面——使用图形界面 错误!未定义书签。编辑土壤剖面——使用表格 错误!未定义书签。运行模型 错误!未定义书签。观看结果 错误!未定义书签。输出结果 错误!未定义书签。HYDRUS-1D和热运移。本手册只介绍应用HYDRUS1DHYDRUS-1DHYDRUS-1D由位于欧盟捷克的PC-Progress首页:。为了下载HYDRUS-1DHydrus-1D文件对应目前HYDRUS-1D版权声明HYDRUS-1DJ.Simunek,DepartmentofEnvironmentalSciences,UniversityofCaliforniaRiverside,Riverside,California,USA.M.Sejna,PCProgress,Prague,CzechRepublic..vanGenuchten,DepartmentofMechanicalEngineering,FederalUniversityofRiodeJaneiro,RiodeJaneiro,Brazil.感谢他们供给了一个如此精巧而又免费使用的专业软件，帮助我们从事有关的科学和教育工作。当你运行解压文件后，会在您的电脑中产生一个安装名目，其中包含可执行文件。运行这个文件即可安装HYDRUS-1D当您安装HYDRUS-1D时，象安装其它软件一样，会消灭一个许可协议，从中可知本共享软件也受到美国法规的保护。参考资料HYDRUS-1D安装之后，在软件运行名目下有HYDRS-1D文件。从这个文件您可以了解到HYDRUS-1D的一些技术细节，如水流、溶质运移、热流的方程、一些处理特地问题的模型、输入输出文件等等。有一个Examples名目，包含大量的模拟算例可供参考。用户还可以参考以下文献：imnek,J.,M.Th.vanGenuchten,andM.ejna,DevelopmentandapplicationsoftheHYDRUSpackages,andrelatedcodes,VadoseZoneJournal,doi:,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),587-600,2023.Jacques,D.,J.?im?nek,D.Mallants,andM.Th.vanGenuchten,Modelingcoupledhydrologicalandchemicalprocesses:Long-termuraniumtransportfollowingmineralphosphorusfertilization,VadoseZoneJournal,doi:,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),698-711,2023.?im?nek,J.andM.Th.vanGenuchten,ModelingnonequilibriumflowandtransportwithHYDRUS,VadoseZoneJournal,doi:,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),782-797,2023.这些文献都可以从下载。HYDRUS-1DWINDOWSHYDRUS-1D，可以看到一个Windows2模拟计算前处理工具 后处理工具图1全部的前后处理在界面中一目了然，左边是前处理工具，右边是后处理工具。其中前处理的各项功能如以以下图所示。模拟内容选项时间信息输出方式水流——边界条件溶质运移——边界条件根系吸水——模型可随时间变化的边界条件图2设计模型在使用HYDRUS-1D之前，您需要对饱和-非饱和水流模拟的根本原理有所了解，并设计出自己想做的模型，预备好数据。一个剖面水流模型通常包含以下几个要素：土壤剖面从地面算起的深度，预备模拟那个时间段的水分变化。土壤分几层，每层土壤的渗透性参数和水分特征曲线是怎样的。根系是怎么分布的。是否已经确定地面降雨入渗、蒸发蒸腾的信息，特别是它们随时间的变化。是否已经确定剖面底部的状态属于哪种类型的边界条件。3下面是一个参考模型的设计图:降水量E0m m 根系层5 11

30d

时间细砂壤m 初始潜水面5

中砂m1隔水底板图3HYDRUS-1D翻开HYDRUS-1D软件，选择”File/new”菜单，建一个模型。在name一栏中输入本模型的名称”test”，更改模型存放的名目。图4需要留意的是，HYDRUS-1D放在与模型名称全都的名目中。本例中，软件会自动创立一个名称为”test”的名目，而”C\ATOOLS\HYDR1D\Projects”中除了test名目之外，还有一个文件。这是一个模型工程(project)文件，告知软件下次到哪里去查找模型。5所以后处理窗口是空白的。4图5输入模型把握信息首先，在前处理窗口双击MainProcesses，在弹出的对话框中输入模型的描述:atestmodel.然后在Simulate一栏中选中RootWaterUptake，表示想处理根系吸水问题。电击OK图6下一步，是输入模型的几何信息和土层划分信息。在前处理窗口双击GeometryInformation，在弹出的对话框中输入如图7cm300cm图7接下来输入时间信息，在前处理窗口双击TimeInformatio，会弹出一个对话框〔图。模拟30d变化时间单位组数据，共30组数据

信息自动处理蒸腾量在每天24小时内的变化5图8这个对话框中供给了一些灵敏的选项来处理上边界条件的变化，下面简要加以说明：蒸腾量的每日周期变化HYDRUS-1D可以使用一个阅历公式来处理每天24蒸腾量为T 〔例如用Pemman公式猎取,cm/，则ppT(t)是瞬时潜在蒸腾量，t618-241%cm/d。p降水量的周期变化假设在你的模型中降水量是周期性变化的，HYDRUS-1D也可以用一个公式来处理P是周期?t使用气象数据也可以在HYDRUS-1D中输入气象数据，它将自动利用这些数据计算潜在蒸散量ETpFAO组织推举的Penman-Monteith公式，也可以选择Hargreaves射、气温、湿度之类的气象数据。模型的另一个把握信息是对模拟结果的输出如何进展设置。在前处理窗口双击PrintInformation301些时间点的结果301图9水流模型——迭代计算参数HYDRUS-1D是承受迭代法来处理非线性RichardsWaterFlow-IterationCriteria工具条，弹出一个设置迭代参数的对话框〔图1置具有高度的专业技术性，除非特别了解，一般可以使用默认值。假设模拟结果消灭不收敛6的状况，需要对最大迭代次数、迭代精度等参数进展调整，但是在缺乏阅历的状况下很难操作。最多迭代次数含水量迭代精度增大步长迭代次数信号步长增大比例步长缩小比例

曲线的散点值图10HYDRUS-1D承受自动把握时间步长的方法来处理迭代的收敛性。对于每个时步，假设迭代次数太多，就缩小时间步长；假设没经过几次迭代就到达收敛精度，则适当增大时间步长。水流模型——土壤水力特性模型水分特征曲线是非饱和土壤的重要物理性质，HYDRUS-1D供给了几种方法来处理与之有关的参数。在前处理窗口双击WaterFlow-SoilHydraulicProperties工具条，弹出一个设置水力特性模型的对话框〔图1。单孔介质模型双重孔隙度双重渗透性

问题中使用过程模型图11在一般状况下，选择单孔介质模型，并选择用vanGenuchten-Mualem力特性就可以了。假设还要模拟溶质运移，可能需要考虑双重介质模型。双重介质在同一个点有两个孔隙度或两个渗透率，相当于两种介质的混杂。双重介质模型能够模拟这两种“介质”之间的水分和盐分交换。水流模型——土壤水分特征曲线在前处理窗口双击WaterFlow-SoilHydraulicParameters7分特征曲线参数的对话框〔图1。本例中选择vanGenuchten-Mualem其中?,n,l均为把握因子。HYDRUS-1D本例中两层土壤的参数直接从数据库中调出：第1层对应Sandyloam，其次层对应sand。细砂壤土中砂编号 ?r ?s?(cm1) n Ks(cm/d) l土壤数据库图12在输入参数时，请留意参数的单位。水流模型——边界条件在前处理窗口双击WaterFlow-BoundaryConditions工具条，弹出一个设置边界条件的对话框〔图1。定压力水头定水分通量水变水头下端边界类型变流量渗出面水平排水

初始条件使用含水量大气边界ETpLAI消光系数图138上边界条件有68种类型。边界类型确实定需要考虑实际条件，在本算例中，上边界选择大气边界条件，在降雨量很大时地表可以产生积水。植被蒸腾量和土壤蒸发量分开处理，HYDRUS-1D推举使用一个阅历公式来把潜在蒸散量分割为蒸腾潜力和土壤蒸发潜力：其中ETp为潜在蒸散量〔可以使用Penman-Monteithcm/d，Tp为潜在蒸腾量(cm/d)，Ep(cm/d)，LAIk为消光系数，取决于太阳角度、植被类型及叶片空间分布特征。SCF是一个中间参数，即土壤掩盖度(Soilcoverfraction)。在阔叶植被发育的状况下，消光系数的阅历值为k=。水流模型——定水头或通量边界设置WaterFlow-ConstantBC本算例模型中，下边界为定流量边界，实际上就是隔水边界，因此直接输入0即可。根系吸水——吸水模型在前处理窗口双击RootWaterUptake-Models工具条，弹出一个处理根系吸水模型的对话框〔图14。水分胁迫模型补偿吸水域值〔临界潮湿度〕图14HYDRUS-1D为Tp

是潜在蒸腾量(cm/d)，Ta

是实际蒸腾量(cm/d)，S(x)是吸水强度函数(cm/，留意x坐标实际表示深度)，?(h)是水分胁迫函数，h为土壤压力水头(cm)，b(x)是根系吸水安排〔密度函数，L2Feddes模型和S-ShapeR模型。Feddes模型是一个梯形函数，只需要知道h值。而S-Shape模型把水分胁迫和叶片气孔的压力水头联系起来，需要知道气孔压力水头的数值h。?9土壤的潮湿度可以表示为

T/Ta p

(h,x)b(x)dxLR但是假设直接用这种方法来计算实际蒸腾量有确定的问题。植被其实可以调整不同深度的水分胁迫响应特征；某个深度土壤枯燥吸不上水，植被可以加大在比较潮湿的土层的吸水量，以补偿缺乏。这种现象称为补偿吸水。为了模拟根系补偿吸水，HYDRUS-1D供给了一种简化的模型，即假设潮湿度高于某个临界值(?>c补偿机制受到抑制，发生整体的水分胁迫，根系吸水总量将低于潜在蒸腾量，并正比于潮湿度。假设不考虑这种补偿吸水机制，可以令?c

=1。根系吸水——水分胁迫参数在前处理窗口双击RootWaterUptake-WaterStressReduction理水分胁迫参数的对话框〔图1。本算例中直接从数据库中调入Wheat的阅历值。(cm/d)=1

r2Hr2L=0P3 P2L P2H Popt P0压力水头(pressurehead,cm)两个临界吸水强度数据库图15根系水分胁迫Feddes输入可变边界条件的信息在前处理窗口双击VariableBoundaryConditions的对话框〔图1。本算例中，在步骤(11)中已经把地面处理大气边界，同时又选择使用消光系数法划分植被蒸腾和土面蒸发，因此需要输入每天的降水、潜在蒸散量、叶面积指数等数据。还有一个需要输入的数据是最小压力水头值，即地面土壤到达最枯燥状态时的压力水头。从理论上讲，当土壤格外枯燥时，吸力很大，而液态孔隙水的压强很小，与空气湿度保持平衡关系，因此有hA

为最小压力水头，Hr

为空气确定湿度，RT/Mg为空气的摩尔气体常数。空气湿度虽然可以通过气象数据得到，但这里公式需要的是近地面的空气湿度。一般状况下，取饱和水汽湿2cm10因此，可以依据近地面气温的变化来推算地表土壤的空气湿度〔饱和水汽湿度力水头。HYDRUS-1DhCritA=|h|=106A

cm=104m这个数值只会对土壤蒸发起作用。HYDRUS-1D建议：hCritA所对应的土壤含水量应当至少比剩余含水量大，在模拟根系吸水的状况下，hA

还应当低于图15中的P。否则h>P，当根A系吸水的临界值压力水头(P3)和地面蒸发的最小压力水头(h)满足时,会导致回流(inflow)A现象，这是不合理的。除非存在特别枯燥的状况，模型一般不需要认真处理这些问题。3.532.5量 2

LAIETp(cm/d)通1.510.501 5 9 13 17 21 25 29Time(d)图161时间降水量ETphCritALAI时间降水量ETphCritALAI(d)(cm/d)(cm/d)(cm)(d)(cm/d)(cm/d)(cm)101000001601000002010000017010000030100000180100000401000001901000005010000020010000060100000210100000701000002201000008100000230100000901000002410000010010000025100000110100000261000001201000002710000013310000028010000014010000029010000015100000300100000Excel11616右图所示。在第17日由于庄稼收割，叶面及指数大幅度下降。编辑土壤剖面——使用图形界面在前处理窗口双击SoilProfile-GraphicalEditor剖面的软件〔图17。这个图形软件的使用比较简洁，我们需要留意的是在Conditions菜单下面有很多子菜单，包含处理各种问题的功能菜单。11首先要做的事情，是确定把土壤剖面离散化为多少个节点。本算例土壤模型深度为3m，我们期望节点间距到达1cm301个节点。选择菜单Conditions/ProfileDiscretization，在下拉工具条中把Number301。ConditionsProfileDiscretizationMaterialDistributionRootDistributionScalingfactorInitialConditionsSubregionsObservationPointsConditions菜单剖分节点根系分布尺度因子初始条件子区分布观看点

修改节点数

土壤剖面分则节点间距为10cm图172个土层。缺省的土层编号为index=1，就是图12中的细砂壤土层。选择菜单Conditions/MaterialDistribution，在下拉工具条中使用Editcondition，把下部土壤层设置index=22，12中的中砂层。ConditionsMaterialDistribution点击工具条

修改节点数

号在剖面底部点击鼠左键，修改土层编号

z12图18再就是确定根系随深度的分布，根系分布函数b(x)是一个很特别的函数，它满足以下条件LRb(x)dx1M0 n1

bznLRx是深度；?z是节点间距，b是每个间距中的根系分布函数值，Mn根系层占节点数。本算例中根系层的厚度为1m，假设根系分布函数为线性，并有b(x)2x,x?11Conditions/RootDistribution，在在下拉工具条中使用Editcondition，划定根系层范围(100cm)，把顶部数值设置为0，2，让程序自动进展线性差值。ConditionsRootDistribution函数使用工具条图19下一步处理初始条件，选择菜单Conditions/Initia