Hydrus1D简明使用手册

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-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除Hydrus1D简要使用手册(总16页)用HYDRUS-1D模拟剖面变饱和度地下水流（简要手册）王旭升中国地质大学(北京)目录1.如何获取HYDRUS-1D 22.版权声明 23.参考资料 24.HYDRUS-1D的WINDOWS界面 25.设计模型 36.使用HYDRUS-1D创立模型 47.输入模型控制信息 58.水流模型——迭代计算参数 69.水流模型——土壤水力特性模型 710.水流模型——土壤水分特性曲线 711.水流模型——边界条件 812.水流模型——定水头或通量边界设立 913.根系吸水——吸水模型 914.根系吸水——水分胁迫参数 1015.输入可变边界条件的信息 1016.编辑土壤剖面——使用图形界面 1117.编辑土壤剖面——使用表格 1318.运行模型 1419.察当作果 1420.输出成果 14

HYDRUS-1D是一种共享专业软件，用于模拟一维变饱和度地下水流、根系吸水、溶质运移和热运移。本手册只介绍应用HYDRUS1D模拟垂向剖面水流和根系吸水的操作办法。1.如何获取HYDRUS-1DHYDRUS-1D由位于欧盟捷克的PC-Progress工程软件开发公司发行，顾客能够登录该公司首页:。为了下载HYDRUS-1D，应先注册成为顾客，然后下载Hydrus-1D的安装文献：H1D_4_14.exe。这个文献对应现在HYDRUS-1D的最高版本。2.版权声明HYDRUS-1D的作者为:(1)J.Simunek,DepartmentofEnvironmentalSciences,UniversityofCaliforniaRiverside,Riverside,California,USA.(2)M.Sejna,PCProgress,Prague,(3)M.Th.vanGenuchten,DepartmentofMechanicalEngineering,FederalUniversityofRiodeJaneiro,RiodeJaneiro,Brazil.感谢他们提供了一种如此精美而又免费使用的专业软件，协助我们从事有关的科学和教育工作。当你运行H1D_4_14.exe解压文献后，会在您的电脑中产生一种安装目录，其中包含Setup.exe可执行文献。运行这个文献即可安装HYDRUS-1D软件。当您安装HYDRUS-1D时，象安装其它软件同样，会出现一种许可合同，从中可知本共享软件也受到美国法规的保护。3.参考资料HYDRUS-1D安装之后，在软件运行目录下有HYDRS-1DManual.pdf文献。从这个文献您能够理解到HYDRUS-1D的某些技术细节，如水流、溶质运移、热流的方程、某些解决专门问题的模型、输入输出文献等等。有一种Examples目录，包含大量的模拟算例可供参考。顾客还能够参考下列文献：Šimůnek,J.,M.Th.vanGenuchten,andM.Šejna,DevelopmentandapplicationsoftheHYDRUSandSTANMODsoftwarepackages,andrelatedcodes,VadoseZoneJournal,doi:10.2136/VZJ.0077,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),587-600,.Jacques,D.,J.Šimůnek,D.Mallants,andM.Th.vanGenuchten,Modelingcoupledhydrologicalandchemicalprocesses:Long-termuraniumtransportfollowingmineralphosphorusfertilization,VadoseZoneJournal,doi:10.2136/VZJ.0084,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),698-711,.Šimůnek,J.andM.Th.vanGenuchten,ModelingnonequilibriumflowandtransportwithHYDRUS,VadoseZoneJournal,doi:10.2136/VZJ.0074,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),782-797,.这些文献都能够从下载。4.HYDRUS-1D的WINDOWS界面运行HYDRUS-1D，能够看到一种Windows的界面以下：前解决工具前解决工具后解决工具模拟计算图1全部的前后解决在界面中一目了然，左边是前解决工具，右边是后解决工具。其中前解决的各项功效以下图所示。模拟内容选项模拟内容选项几何形状参数及剖面方式时间信息输出方式水流——迭代求解控制参数水流——土壤水分特性模型水流——土壤水分特性曲线参数水流——边界条件溶质运移——普通信息溶质运移——运移参数溶质运移——化学反映参数溶质运移——边界条件根系吸水——模型根系吸水——水分胁迫函数可随时间变化的边界条件土壤剖面——图形界面土壤剖面——数据列表图25.设计模型在使用HYDRUS-1D之前，您需要对饱和-非饱和水流模拟的基本原理有所理解，并设计出自己想做的模型，准备好数据。一种剖面水流模型普通包含下列几个要素：土壤剖面从地面算起的深度，准备模拟那个时间段的水分变化。土壤分几层，每层土壤的渗入性参数和水分特性曲线是如何的。根系是怎么分布的。与否已经拟定地面降雨入渗、蒸发蒸腾的信息，特别是它们随时间的变化。与否已经拟定剖面底部的状态属于哪种类型的边界条件。下面是一种参考模型的设计图:时间时间E0降水量根系层1.细砂壤土30d2.中砂初始潜水面隔水底板1m1.5m1.5m1m图36.使用HYDRUS-1D创立模型打开HYDRUS-1D软件，选择”File/new”菜单，新建一种模型。在name一栏中输入本模型的名称”test”，更改模型寄存的目录。图4需要注意的是，HYDRUS-1D模型本身在计算机中就体现为一系列的输入输出文献，它们寄存在与模型名称一致的目录中。本例中，软件会自动创立一种名称为”test”的目录，而”C\ATOOLS\HYDR1D\Projects”中除了test目录之外，尚有一种test.h1d文献。这是一种模型项目(project)文献，告诉软件下次到哪里去寻找模型。模型创立之后，会显示前解决和后解决窗口(图5)。由于是新模型，还没有任何模拟成果，因此后解决窗口是空白的。图57.输入模型控制信息首先，在前解决窗口双击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，表达想解决根系吸水问题。电击OK之后，前解决窗口将增加解决根系吸水的工具条。图6下一步，是输入模型的几何信息和土层划分信息。在前解决窗口双击GeometryInformation，在弹出的对话框中输入如图7所示的数据。模型有2个土层模型有2个土层长度单位是cm土壤剖面的深度是300图7接下来输入时间信息，在前解决窗口双击TimeInformation，会弹出一种对话框（图8）。时间时间单位时间步长信息模拟30d内的变化上边界是随时间变化的，每天一组数据，共30组数据自动解决蒸腾量在每天24小时内的变化图8这个对话框中提供了某些灵活的选项来解决上边界条件的变化，下面简要加以阐明：(1)蒸腾量的每日周期变化HYDRUS-1D能够使用一种经验公式来解决每天24小时潜在蒸腾量的变化，设某天的潜在蒸腾量为（例如用Pemman公式获取的,cm/d），则其中Tp(t)是瞬时潜在蒸腾量，t为时间。模型假设早上6点之前以及晚上18点-24点的蒸腾量总和只占全天蒸腾量的1%。注意本例中蒸腾量的单位是cm/d。(2)降水量的周期变化如果在你的模型中降水量是周期性变化的，HYDRUS-1D也能够用一种公式来解决其中是周期t内的平均降雨量。(3)使用气象数据也能够在HYDRUS-1D中输入气象数据，它将自动运用这些数据计算潜在蒸散量ETp。能够选择FAO组织推荐的Penman-Monteith公式，也能够选择Hargreaves公式。这些公式需要辐射、气温、湿度之类的气象数据。模型的另一种控制信息是对模拟成果的输出如何进行设立。在前解决窗口双击PrintInformation工具条，弹出一种对话框。本例中拟定输出30组模拟成果，每天输出1组。输出30构成果，每天1组输出30构成果，每天1组能够拟定需要输出哪些时间点的成果图98.水流模型——迭代计算参数HYDRUS-1D是采用迭代法来解决非线性Richards方程的。在前解决窗口双击WaterFlow-IterationCriteria工具条，弹出一种设立迭代参数的对话框（图10）。迭代控制参数的设立含有高度的专业技术性，除非特别理解，普通能够使用默认值。如果模拟成果出现不收敛的状况，需要对最大迭代次数、迭代精度等参数进行调节，但是在缺少经验的状况下很难操作。最多迭代次数最多迭代次数含水量迭代精度压力水头迭代精度增大步长迭代次数信号缩小步长的迭代次数信号步长增大比例步长缩小比例最小吸力间距最大吸力间距用于生成水分特性曲线的散点值图10HYDRUS-1D采用自动控制时间步长的办法来解决迭代的收敛性。对于每个时步，如果迭代次数太多，就缩小时间步长；如果没通过几次迭代就达成收敛精度，则适宜增大时间步长。9.水流模型——土壤水力特性模型水分特性曲线是非饱和土壤的重要物理性质，HYDRUS-1D提供了几个办法来解决与之有关的参数。在前解决窗口双击WaterFlow-SoilHydraulicProperties工具条，弹出一种设立水力特性模型的对话框（图11）。单孔介质模型单孔介质模型双重介质模型双重孔隙度双重渗入性吸湿和疏干滞后过程模型重要在溶质运移问题中使用图11在普通状况下，选择单孔介质模型，并选择用vanGenuchten-Mualem公式解决土壤的水力特性就能够了。如果还要模拟溶质运移，可能需要考虑双重介质模型。双重介质在同一种点有两个孔隙度或两个渗入率，相称于两种介质的混杂。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。10.水流模型——土壤水分特性曲线在前解决窗口双击WaterFlow-SoilHydraulicParameters工具条，弹出一种设立水分特性曲线参数的对话框（图12）。本例中选择vanGenuchten-Mualem公式解决水分特性曲线，其中,n,l均为控制因子。HYDRUS-1D软件中提供了一组土壤经验参数库，可供顾客参考。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，第二层对应sand。编号编号rs(cm1)nKs(cm/d)l土壤数据库细砂壤土中砂图12在输入参数时，请注意参数的单位。11.水流模型——边界条件在前解决窗口双击WaterFlow-BoundaryConditions工具条，弹出一种设立边界条件的对话框（图13）。地面边界地面边界类型定压力水头定水分通量大气边界,可积水大气边界,产流变水头变水头和通量初始条件使用压力水头使用含水量下端边界类型定压力水头定水分通量变地下水位变流量自由下渗排水渗出面水平排水大气边界基于ETp和LAI消光系数最大积水厚度图13上边界条件有6种类型，下边界条件有8种类型。边界类型的拟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能够产生积水。植被蒸腾量和土壤蒸发量分开解决，HYDRUS-1D推荐使用一种经验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（能够使用Penman-Monteith公式解决气象数据得到,cm/d），Tp为潜在蒸腾量(cm/d)，Ep为土壤潜在蒸发量(cm/d)，LAI是叶面积指数，k为消光系数，取决于太阳角度、植被类型及叶片空间分布特性。SCF是一种中间参数，即土壤覆盖度(Soilcoverfraction)。在阔叶植被发育的状况下，消光系数的经验值为k=0.5-0.75。12.水流模型——定水头或通量边界设立如果边界条件中包含定水头或定通量的边界，则在前解决窗口双击WaterFlow-ConstantBC工具条，弹出一种设立边界数据的对话框。本算例模型中，下边界为定流量边界，事实上就是隔水边界，因此直接输入0即可。13.根系吸水——吸水模型在前解决窗口双击RootWaterUptake-Models工具条，弹出一种解决根系吸水模型的对话框（图14）。水分胁迫模型水分胁迫模型盐分胁迫模型根系吸盐模型赔偿吸水域值（临界湿润度）图14HYDRUS-1D使用水分胁迫和盐分胁迫模型解决根系的吸水。对于水分胁迫模型，计算公式为其中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/(cm.d)，注意x坐标实际表达深度)，(h)是水分胁迫函数，h为土壤压力水头(cm)，b(x)是根系吸水分派（密度）函数，LR为根系层的深度。水分胁迫函数有2种经验表达办法，即Feddes模型和S-Shape模型。Feddes模型是一种梯形函数，只需要懂得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，需要懂得气孔压力水头的数值h。土壤的湿润度能够表达为(2.22)但是如果直接用这种办法来计算实际蒸腾量有一定的问题。植被其实能够调节不同深度的水分胁迫响应特性；某个深度土壤干燥吸不上水，植被能够加大在比较湿润的土层的吸水量，以赔偿局限性。这种现象称为赔偿吸水。为了模拟根系赔偿吸水，HYDRUS-1D提供了一种简化的模型，即如果湿润度高于某个临界值(>c)，植被根系能够通过赔偿机制充足吸水达成潜在蒸腾量。如果湿润度低于这个临界值，赔偿机制受到克制，发生整体的水分胁迫，根系吸水总量将低于潜在蒸腾量，并正比于湿润度。如果不考虑这种赔偿吸水机制，能够令c=1。14.根系吸水——水分胁迫参数在前解决窗口双击RootWaterUptake-WaterStressReduction工具条，弹出一种解决水分胁迫参数的对话框（图15）。本算例中直接从数据库中调入Wheat的经验值。PP3P2LP2HPoptP0压力水头(pressurehead,cm)=1=0r2Hr2数据库吸水强度(cm/d)胁迫函数两个临界吸水强度图15根系水分胁迫Feddes模型参数15.输入可变边界条件的信息在前解决窗口双击VariableBoundaryConditions工具条，弹出一种解决时间序列数据的对话框（图16）。本算例中，在环节(11)中已经把地面解决大气边界，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。尚有一种需要输入的数据是最小压力水头值，即地面土壤达成最干燥状态时的压力水头。从理论上讲，当土壤十分干燥时，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，因此有其中hA为最小压力水头，Hr为空气绝对湿度，RT/Mg为空气的摩尔气体常数。空气湿度即使能够通过气象数据得到，但这里公式需要的是近地面的空气湿度。普通状况下，取饱和水汽湿度是可取的，由于2cm深度下列土壤空气的湿度往往都是饱和的，只但是随温度发生变化。因此，能够根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），再换算成压力水头。HYDRUS-1D中需要输入的是最小压力水头的绝对值，缺省值为hCritA=|hA|=106cm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最少比残存含水量大0.005，在模拟根系吸水的状况下，hA还应当低于图15中的P3。否则（hA>P3），当根系吸水的临界值压力水头(P3)和地面蒸发的最小压力水头(hA)满足时,会造成回流(inflow)现象，这是不合理的。除非存在特别干燥的状况，模型普通不需要认真解决这些问题。图16表1时间(d)降水量(cm/d)ETp(cm/d)hCritA(cm)LAI时间(d)降水量(cm/d)ETp(cm/d)hCritA(cm)LAI100.51000002.11600.41000002.1200.61000002.11700.61000000.3300.41000002.21800.71000000.3400.51000002.21900.71000000.3500.51000002.22000.71000000.3600.51000002.22100.71000000.3700.31000002.32200.61000000.380.70.11000002.32300.51000000.3900.41000002.3240.30.21000000.31000.51000002.3252.30.11000000.31100.61000002.2261.10.11000000.31200.41000002.2270.50.11000000.31330.11000002.22800.41000000.31400.51000002.12900.71000000.3150.50.21000002.13000.71000000.3数据能够先在Excel中准备好，如表1。这些数据能够拷贝到图16的电子表格中。这些数据显示的降水量、蒸散潜力和叶面积指数变化特性如图16右图所示。在第17日由于庄稼收割，叶面及指数大幅度下降。16.编辑土壤剖面——使用图形界面在前解决窗口双击SoilProfile-GraphicalEditor工具条，程序将弹出一种解决土壤剖面的软件（图17）。这个图形软件的使用比较简朴，我们需要注意的是在Conditions菜单下面有诸多子菜单，包含解决多个问题的功效菜单。首先要做的事情，是拟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，我们但愿节点间距达成1cm，因此需要301个节点。选择菜单Conditions/ProfileDiscretization，在下拉工具条中把Number修改为301。土壤剖面分成31个节点，则节点间距为土壤剖面分成31个节点，则节点间距为10cmConditionsProfileDiscretizationMaterialDistributionRootDistributionScalingfactorInitialConditionsSubregionsObservationPointsConditions菜单剖分节点土壤岩性分层根系分布尺度因子初始条件子分辨布观察点修改节点数图17接下来，拟定土层的分布，本模型有2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，把下部土壤层设立index=2，这个土层编号为2，事实上就是图12中的中砂层。设立2层土壤岩性编号设立2层土壤岩性编号1.点击工具条2.在剖面底部点击鼠标左键再放开，从下往上移动鼠标，选定土层范畴，然后再点击鼠标左键，修改土层编号修改节点数右下角是鼠标所在的z坐标高度ConditionsMaterialDistribution图18再就是拟定根系随深度的分布，根系分布函数b(x)是一种很特殊的函数，它满足下列条件其中LR为根系层厚度,x是深度；z是节点间距，bn是每个间距中的根系分布函数值，M是根系层占节点数。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,x1容易证明上式满足积分为1的条件。设立办法为，选择菜单Conditions/RootDistribution，在在下拉工具条中使用Editcondition，划定根系层范畴(100cm)，把顶部数值设立为0，底部数值设立为2，让程序自动进行线性差值。根系分布函数根系分布函数使用工具条ConditionsRootDistribution图19下一步解决初始条件，选择菜单Conditions/InitialCondition。本算例中初始地下水位高于底板100cm，假设土壤剖面初始状态是静力平衡态，则模型底部的压力水头为+