Hydrus1D简明使用手册

1、。变饱和度地下水流剖面的HYDRUS-1D模拟(简明手册)王旭升中国地质大学(北京)内容1.如何获得HYDRUS-1D22.版权声明23.参考文献24.1D海德拉斯视窗界面25.设计模型36.使用HYDRUS-1D创建模型47.输入模型控制信息58.流量模型迭代计算参数69.流量模型土壤水力特性模型710.流动模型土壤水分特征曲线711.流动模型边界条件812.流量模型 9的固定水头或流量边界设置13.根吸水吸水模型914.根系吸水水分胁迫参数1015.输入可变边界条件的信息1016.使用图形界面11编辑土壤剖面17.使用表13编辑土壤剖面18.运营模式1419.观察结果1420.产出结果14

2、HYDRUS-1D是一个共享的专业软件，用于模拟一维可变饱和地下水流、根系吸水、溶质运移和热量运移。本手册仅介绍HYDRUS1D模拟垂直剖面水流和根系吸水的操作方法。1.如何获得1DHYDRUS-1D是由捷克的PC-Progress工程软件开发公司发行的。用户可以登录该公司的主页： 。要下载Hydrus-1D，你应该先注册为用户，然后下载HYDRUS-1D的安装文件：H1D_4_14.exe。2.版权声明HYDRUS-1D的作者是：(1)希穆尼克，美国加州大学河滨分校环境科学系。(2)捷克共和国布拉格，个人电脑发展部，塞吉纳先生。(3)巴西里约

3、热内卢，里约热内卢联邦大学机械工程系，范根希登硕士。感谢他们提供了如此精致和免费的专业软件来帮助我们从事相关的科学和教育工作。当您运行H1D_4_14.exe提取文件时，将在您的计算机中生成一个安装目录，其中包含Setup.exe可执行文件。运行此文件安装HYDRUS-1D软件。当你安装HYDRUS-1D，像其他软件一样，一个许可协议将出现，这表明这个共享软件也受美国法规保护。3.参考HYDRS-1D安装后，软件运行目录中有Hydrs-1D Manual.pdf文件。从这份文件中，你可以了解到HYDRUS-1D的一些技术细节，如水流、溶质运移、热流方程、一些处理特殊问题的模型、输入和输出文件等

4、。有一个示例目录，其中包含大量的模拟示例供参考。用户还可以参考以下文档：j . m . th . imnek。van Genuchten和m . ejna，HYDRUS和STANMOD软件包的开发和应用，以及相关代码，渗流区杂志，do :10.2136/VZJ 2007.0077，特刊“渗流区建模”，7(2)，587-600，2008。雅克，d，j . imnek，d .马兰茨和M. Th。van Genuchten，模拟水文和化学耦合过程：矿物磷施肥后的长期铀迁移，包气带杂志，do :10.2136/VZJ 2007.0084，特刊“包气带模拟”，7(2)，698-711，2008。imne

5、k，j .和M. Th。van Genuchten，用HYDRUS模拟非平衡流动和运输，渗流区杂志，do :10.2136/VZJ 2007.0074，特刊“渗流区模拟”，7(2)，782-797，2008。这些文件可以从下载。4.1D海德拉斯视窗界面运行HYDRUS-1D，您可以看到如下窗口界面：预处理工具后处理工具模拟计算图1所有的预处理和后处理在界面上都是清晰的。左边是预处理工具，右边是后处理工具。预处理的功能如下图所示。模拟内容选项几何形状参数和截面模式时间信息输出方式流程迭代求解控制参数水流土壤水分特征模型水流土壤水分特征曲线参数水流

6、边界条件溶质运输的一般信息溶质传输传输参数溶质迁移的化学反应参数溶质迁移的边界条件根系吸水模型根系吸水的水分胁迫功能可以随时间变化的边界条件土壤剖面图图形界面土壤剖面数据表图25.设计模型在使用HYDRUS-1D之前，你需要了解饱和-非饱和流动模拟的基本原理，并设计你自己的模型来准备数据。剖面流模型通常包括以下要素：(1)土壤剖面距地面的深度，以模拟该期间的水分变化。(2)土壤分为几层。每层土壤的渗透参数和水分特征曲线是什么？(3)根系是如何分布的？(4)是否确定了地表降雨入渗和蒸散的信息，特别是它们随时间的变化。(5)是否已确定该段底部的状态属于哪种边界条件。以下是参考模型的设计图：时间E0

7、沉淀根层1.细砂壤土30天2.中砂初始潜水面防水底板1米1.5米1.5米1米图36.使用HYDRUS-1D创建模型打开HYDRUS-1D软件，选择“文件/新建”菜单，并创建一个新模型。在“名称”栏中输入该模型的“测试”名称，以更改存储该模型的目录。图4应当注意，HYDRUS-1D模型本身在计算机中表示为一系列输入和输出文件，这些文件存储在与模型名称一致的目录中。在本例中，软件将自动创建一个名为“test”的目录，“c atools hydra1d projects”除了测试目录外，还将有一个test.h1d文件。这是一个模型项目文件，告诉软件下次在哪里寻找模型。创建模型后，将显示预处理和后处理

8、窗口(图5)。由于这是一个新模型，并且没有仿真结果，因此后处理窗口是空白的。图57.输入模型控制信息首先，在预处理窗口中双击主进程，并在弹出的对话框中输入： a测试模型的描述。然后在“模拟”栏中选择“根吸水”，以指示您要处理根吸水。电击正常后，预处理窗口将增加一个处理根系吸水的工具栏。图6下一步是输入模型的几何信息和土层划分信息。在预处理窗口中双击几何信息，并在弹出的对话框中输入如图7所示的数据。该模型有两个土层长度单位是厘米土壤剖面的深度为300厘米图7接下来，输入时间信息，双击预处理窗口中的时间信息，将弹出一个对话框(图8)。时间单位时间步长信息在30天内模拟变化上限随时间变化，每天一组数

9、据，总共30组数据。自动处理每天24小时内的蒸腾变化图8该对话框提供了一些灵活的选项来处理上边界条件的变化，下面将对此进行简要描述：(1)蒸腾作用的日周期变化HYDRUS-1D可以用一个经验公式来处理一天24小时的潜在蒸腾量的变化，并把某一天的潜在蒸腾量设定为(例如，由Pemman公式获得的cm/d)，然后其中Tp(t)是瞬时潜在蒸腾作用，t是时间。该模型假设上午6点之前和下午18点至24点之间的总蒸腾量仅占全天总蒸腾量的1%。注意，这个例子中的蒸腾单位是厘米/天。(2)降水的周期性变化如果你的模型中降水周期性地变化，HYDRUS-1D也可以用一个公式来处理Dt期间的平均降雨量是多少？(3)利

10、用气象数据气象数据也可以输入HYDRUS-1D，HYDRUS-将自动使用这些数据计算潜在蒸散量ETp。你可以选择联合国粮农组织推荐的彭曼-蒙特斯公式或哈格里夫斯公式。这些公式需要辐射、温度和湿度等气象数据。模型的另一个控制信息是如何设置仿真结果的输出。双击预处理窗口中的打印信息工具栏，弹出对话框。在该示例中，确定每天输出30组模拟结果和1组。输出30组结果，每天1组可以确定需要输出哪个时间点的结果。图98.流量模型的迭代计算参数HYDRUS-1D用迭代法处理非线性Richards方程。双击预处理窗口中的水流-迭代条件工具栏，弹出设置迭代参数的对话框(图10)。迭代控制参数的设置是高度专业和技术

11、性的，并且通常可以使用默认值，除非特别理解。如果仿真结果不收敛，需要调整最大迭代次数和迭代精度等参数，但没有经验很难操作。最大迭代次数含水量迭代精度压头的迭代精度增加步长迭代次数的信号步长减小的迭代次数信号步长增加比率步长缩减率最小吸入间距最大吸入间距用于生成水分特征曲线的分散值图10HYDRUS-1D采用自动控制时间步长的方法来处理迭代的收敛性。对于每个时间步，如果迭代次数太多，减少时间步；如果在没有几次迭代的情况下达到收敛精度，时间步长应该适当增加。9.流量模型土壤水力特性模型水分特征曲线是非饱和土的一个重要物理性质。HYDRUS-1D提供了几种处理相关参数的方法。双击预处理窗口中的水流-

12、土壤水力特性工具条，弹出设置水力特性模型的对话框(图11)。单孔介质模型双介质模型双重孔隙度和渗透率吸湿排汗滞后过程模型主要用于溶质运移问题图11在正常情况下，选择单孔介质模型并使用van Genuchten-Mualem公式来处理土壤的水力特性就足够了。如果要模拟溶质运移，可能需要考虑双重介质模型。双重介质在同一点上有两个孔隙度或两个渗透率，相当于两种介质的混合物。双介质模型可以模拟水和盐在两种“介质”之间的交换。10.水流模型土壤水分特征曲线双击预处理窗口中的水流-土壤水力参数工具条，弹出设置水特征曲线参数的对话框(图12)。在本例中，选择van Genuchten-Mualem公式来处理

13、水特征曲线。其中a，n，l都是控制因素。HYDRUS-1D软件提供了一套土壤经验参数库供用户参考。在本例中，两层土壤的参数直接从数据库中检索：第一层对应于砂壤土，第二层对应于砂。数量qr qs a (cm-1) n Ks (cm/d) l土壤数据库细砂壤土中砂图12输入参数时，请注意参数的单位。11.流动模型边界条件双击预处理窗口中的水流-边界条件工具栏，弹出设置边界条件的对话框(图13)。地面边界类型恒压头恒定水通量大气边界，会积聚水分大气边界可变水头可变水头和流量初始条件使用压头使用含水量下边界类型恒压头恒定水通量改变地下水位异形流动自由渗透排水渗漏表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有6种上边界条件和8种下边界条件。边界类型的确定需要考虑实际情况。在本例中，选择大气边界条件作为上边界，当降雨量大时，大气边界条件会在地表产生积水。植被蒸腾和土壤蒸发是分开处理的。HYDRUS-1D建议使用经验公式将潜在蒸散量分为蒸腾潜力和土壤蒸发潜力：ETp是潜在蒸散量(通过使用Penma