Hydrus D簡明使用手冊

1、用HYDRUS-1D模擬剖面變飽和度地下水流（簡明手冊） 王旭升 中國地質大學(北京) 錄目 1. 如何獲取HYDRUS-1D . 2 2. 版權聲明 . 2 3. 參考資料 . 3 4. HYDRUS-1D的WINDOWS界面 . 4 5. 設計模型 . 6 6. 使用HYDRUS-1D創(chuàng)建模型 . 7 7. 輸入模型控制信息 . 7 8. 水流模型迭代計算參數 . 10 9. 水流模型土壤水力特性模型 . 11 10. 水流模型土壤水分特征曲線 . 11 11. 水流模型邊界條件 . 12 12. 水流模型定水頭或通量邊界設置 . 13 13. 根系吸水吸水模型 . 14 14. 根系吸水

2、水分脅迫參數 . 15 15. 輸入可變邊界條件的信息 . 16 16. 編輯土壤剖面使用圖形界面 . 18 17. 編輯土壤剖面使用表格 . 21 18. 運行模型 . 22 19. 察看結果 . 22 20. 輸出結果 . 23 HYDRUS-1D是一個共享專業(yè)軟件，用于模擬一維變飽和度地下水流、根系吸水、溶質運移和熱運移。本手冊只介紹應用HYDRUS1D模擬垂向剖面水流和根系吸水的操作方法。 1. 如何獲取HYDRUS-1D HYDRUS-1D由位于歐盟捷克的PC-Progress工程軟件開發(fā)公司發(fā)行，用戶可以登錄該公司首頁: 。為了下載

3、HYDRUS-1D，應先注冊成 為用戶，然后下載Hydrus-1D的安裝文件：H1D_4_14.exe。這個文件對應目前HYDRUS-1D的最高版本。 2. 版權聲明 HYDRUS-1D的作者為: (1) J. Simunek, Department of Environmental Sciences, University of California Riverside, Riverside, California, USA. (2) M. Sejna, PC Progress, Prague, Czech Republic. (3) M.Th. van Genuchten, Departm

4、ent of Mechanical Engineering, Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil. 感謝他們提供了一個如此精美而又免費使用的專業(yè)軟件，幫助我們從事有關的科學和教育工作。 當你運行H1D_4_14.exe解壓文件后，會在您的電腦中產生一個安裝目錄，其中包含Setup.exe可執(zhí)行文件。運行這個文件即可安裝HYDRUS-1D軟件。 當您安裝HYDRUS-1D時，象安裝其它軟件一樣，會出現(xiàn)一個許可協(xié)議，從中可知本共享軟件也受到美國法規(guī)的保護。 3. 參考資料 HYDRUS-1D安裝之后，在軟件運行目

5、錄下有HYDRS-1D Manual.pdf文件。從這個文件您可以了解到HYDRUS-1D的一些技術細節(jié)，如水流、溶質運移、熱流的方程、一些處理專門問題的模型、輸入輸出文件等等。 有一個Examples目錄，包含大量的模擬算例可供參考。 用戶還可以參考以下文獻： ?im?nek, J., M. Th. van Genuchten, and M. ?ejna, Development and codes, packages, and related HYDRUS applications of the and STANMOD software e Vadose Zone Journal, doi

6、:10.2136/VZJ2007.0077, Special Issue ”Vadose Zon-600, 2008. Modeling”, 7(2), 587 Modeling Genuchten, van D. Mallants, and M. Th. D., Jacques, J. ?im?nek, coupled hydrological and chemical processes: Long-term uranium transport following mineral phosphorus fertilization, Vadose Zone Journal, 6/VZJ200

7、7.0084, Special Issue ”Vadose Zone Modeling”, 7(2), doi:10.213698-711, 2008. ?im?nek, J. and M. Th. van Genuchten, Modeling nonequilibrium flow and transport with HYDRUS, Vadose Zone Journal, doi:10.2136/VZJ2007.0074, 2), 782-797, 2008. Special Issue ”Vadose Zone Modeling”, 7( 下載。 http:/www.pc-progr

8、這些文獻都可以從 4. HYDRUS-1D的WINDOWS界面 運行HYDRUS-1D，可以看到一個Windows的界面如下： 1圖 所有的前后處理在界面中一目了然，左邊是前處理工具，右邊是后處理工具。 其中前處理的各項功能如下圖所示。 模擬內容選項 幾何形狀參數及剖面方式 時間信息 輸出方式 迭代求解控制參數 水流 2圖 設計模型5. 非飽和水流模擬的基本原理有所了解，之前，您需要對飽和-在使用 HYDRUS-1D并設計出自己想做的模型，準備好數據。 一個剖面水流模型通常包含以下幾個要素： 壤剖面從地面算起的深度，準備模擬那個時間段的水分變化。土(1) 壤分幾層，每層土壤的滲透

9、性參數和水分特征曲線是怎樣的。土(2) 系是怎么分布的。(3) 根 否已經確定地面降雨入滲、蒸發(fā)蒸騰的信息，特別是它們隨時間的變化。是(4) 否已經確定剖面底部的狀態(tài)屬于哪種類型的邊界條件。(5) 是 :下面是一個參考模型的設計圖 圖 3 6. 使用HYDRUS-1D創(chuàng)建模型 打開HYDRUS-1D軟件，選擇”File/new”菜單，新建一個模型。在name一欄中輸入本模型的名稱”test”，更改模型存放的目錄。 圖 4 需要注意的是，HYDRUS-1D模型本身在計算機中就表現(xiàn)為一系列的輸入輸出文件，它們存放在與模型名稱一致的目錄中。本例中，軟件會自動創(chuàng)建一個名稱為”test”的目錄，而”CA

10、TOOLSHYDR1DProjects”中除了test目錄之外，還有一個test.h1d文件。這是一個模型項目(project)文件，告訴軟件下次到哪里去尋找模型。 模型創(chuàng)建之后，會顯示前處理和后處理窗口(圖5)。由于是新模型，還沒有任何模擬結果，所以后處理窗口是空白的。 圖 5 7. 輸入模型控制信息 首先，在前處理窗口雙擊Main Processes，在彈出的對話框中輸入模型的描述: a test model. 然后在Simulate 一欄中選中Root Water Uptake，表示想處理根系吸水問題。電擊OK之后，前處理窗口將增加處理根系吸水的工具條。 圖 6 Geometry 下一步

11、，是輸入模型的幾何信息和土層劃分信息。在前處理窗口雙擊所示的數據。Information，在彈出的對話框中輸入如圖7 土壤剖面 7圖 ，會彈出一個對話 接下來輸入時間信息，在前處理窗口雙擊Time Information。）框（圖8 30 d模擬時間是上邊界自動處理變隨時間蒸騰量在 8圖 下面簡要加以說明：這個對話框中提供了一些靈活的選項來處理上邊界條件的變化， 蒸騰量的每日周期變化 (1) HYDRUS-1D 可以使用一個經驗公式來處理每天24小時潛在蒸騰量的變化，設某天的潛在蒸騰量為（例如用Pemman公式獲取的, cm/d），則T pTtt為時間。模型假設早上6點之前以及晚上18點其中(

12、-24)是瞬時潛在蒸騰量，p點的蒸騰量總和只占全天蒸騰量的1%。注意本例中蒸騰量的單位是 cm/d。 (2) 降水量的周期變化 如果在你的模型中降水量是周期性變化的，HYDRUS-1D也可以用一個公式來處理 其中是周期?t內的平均降雨量。 P (3) 使用氣象數據 也可以在HYDRUS-1D中輸入氣象數據，它將自動利用這些數據計算潛在蒸散量ETp?？梢赃x擇FAO組織推薦的Penman-Monteith公式，也可以選擇Hargreaves公式。這些公式需要輻射、氣溫、濕度之類的氣象數據。 模型的另一個控制信息是對模擬結果的輸出如何進行設置。在前處理窗口雙擊Print Information工具條

13、，彈出一個對話框。本例中確定輸出30組模擬結果，每天輸出1組。 可以確定需要 30輸出 9圖 水流模型迭代計算參數8. 方程的。在前處理窗口雙擊Richards是采用迭代法來處理非線性HYDRUS-1D。10彈出一個設置迭代參數的對話框CriteriaFlow- Water Iteration 工具條，（圖）一般可以使用默認值。除非特別了解，迭代控制參數的設置具有高度的專業(yè)技術性，迭代精度等參數進行調整，需要對最大迭代次數、如果模擬結果出現(xiàn)不收斂的情況，但是在缺乏經驗的情況下很難操作。 最多迭代次數 增大步長迭代次數用于生成水分最小吸力間距 10圖 采用自動控制時間步長的方法來處理迭代的收斂性

14、。對于每個時步，HYDRUS-1D 如果迭代次數太多，就縮小時間步長；如果沒經過幾次迭代就達到收斂精度，則適當增大時間步長。 水流模型土壤水力特性模型9. 提供了幾種方法來處水分特征曲線是非飽和土壤的重要物理性質，HYDRUS-1DWater Flow- Soil Hydraulic Properties理與之有關的參數。在前處理窗口雙擊。工具條，彈出一個設置水力特性模型的對話框（圖）11 雙重介質模主要在溶質吸濕和疏干 11圖 公式處理van Genuchten-Mualem在一般情況下，選擇單孔介質模型，并選擇用土壤的水力特性就可以了。 雙重介質在同一個點有兩如果還要模擬溶質運移，可能需要

15、考慮雙重介質模型?！敖殡p重介質模型能夠模擬這兩種相當于兩種介質的混雜。個孔隙度或兩個滲透率，質”之間的水分和鹽分交換。 水流模型土壤水分特征曲線10. 工具條，彈出一個Flow- Soil Hydraulic Parameters在前處理窗口雙擊Water 。12）設置水分特征曲線參數的對話框（圖 公式處理水分特征曲線，本例中選擇van Genuchten-Mualem ln?軟件中提供了一組土壤經驗參數庫，可供用, 均為控制因子。HYDRUS-1D其中, ，第戶參考。本例中兩層土壤的參數直接從數據庫中調出：第1層對應Sandy loam。二層對應sand 12圖 在輸入參數時，請注意參數的單

16、位。 水流模型邊界條件11. 工具條，彈出一個設置Water Flow- Boundary Conditions在前處理窗口雙擊。13邊界條件的對話框（圖） 地面邊界類型 下端邊界初始條 型大氣邊 定壓力水頭 13圖 種類型。邊界類型的確定需要考慮實上邊界條件有6種類型，下邊界條件有8際條件，在本算例中，上邊界選擇大氣邊界條件，在降雨量很大時地表可以產生積推薦使用一個經驗公式來把潛水。植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D在蒸散量分割為蒸騰潛力和土壤蒸發(fā)潛力： ，）cm/dETp為潛在蒸散量（可以使用Penman-Monteith公式處理氣象數據得到, 其中k為消是葉面積指數，LA

17、I為土壤潛在蒸發(fā)量為潛在蒸騰量Tp(cm/d)，Ep(cm/d)SCF是一個中間參數，光系數，取決于太陽角度、植被類型及葉片空間分布特征。在闊葉植被發(fā)育的情況下，消光系數的經驗fraction)cover 即土壤覆蓋度(Soil k。值為=0.5-0.75 水流模型定水頭或通量邊界設置12. Flow- 則在前處理窗口雙擊如果邊界條件中包含定水頭或定通量的邊界，Water 工具條，彈出一個設置邊界數據的對話框。Constant BC 0本算例模型中，下邊界為定流量邊界，實際上就是隔水邊界，因此直接輸入 即可。 根系吸水吸水模型13. 工具條，彈出一個處理根系吸在前處理窗口雙擊Root Wate

18、r Uptake- Models。水模型的對話框（圖14） 補償吸水域 14圖 使用水分脅迫和鹽分脅迫模型處理根系的吸水。對于水分脅迫模型，HYDRUS-1D計算公式為 xSTT是吸水強度函數()是實際蒸騰量(cm/d)，其中是潛在蒸騰量(cm/d)，aphxh?為土壤壓力水頭)(cm/(cm.d)，注意坐標實際表示深度)，(是水分脅迫函數，Lb2(cm)，(x)是根系吸水分配（密度）函數，為根系層的深度。水分脅迫函數有R模型是一個梯形函數，F(xiàn)eddes模型和S-Shape模型。Feddes種經驗表示方法，即h模型把水分脅迫和葉片氣孔的壓力水頭聯(lián)系起來，需只需要知道值。而S-Shapeh。要知

19、道氣孔壓力水頭的數值 ?土壤的濕潤度可以表示為 (2.22)?dxx),(hx)b(/?TT? paLR但是如果直接用這種方法來計算實際蒸騰量有一定的問題。植被其實可以調節(jié)不同深度的水分脅迫響應特征；某個深度土壤干燥吸不上水，植被可以加大在比較濕潤的土層的吸水量，以補償不足。這種現(xiàn)象稱為補償吸水。 提供了一種簡化的模型，即如果濕潤度高于為了模擬根系補償吸水，HYDRUS-1D?，植被根系可以通過補償機制充分吸水達到潛在蒸騰量。如果濕某個臨界值()c潤度低于這個臨界值，補償機制受到抑制，發(fā)生整體的水分脅迫，根系吸水總量將?。 =1低于潛在蒸騰量，并正比于濕潤度。如果不考慮這種補償吸水機制，可以令

20、 c根系吸水水分脅迫參數14. 工具條，彈Root Water Uptake- Water Stress Reduction在前處理窗口雙擊Wheat15出一個處理水分脅迫參數的對話框（圖）。本算例中直接從數據庫中調入的經驗值。 吸水強度脅P2L P3 圖 15 根系水分脅迫Feddes模型參數 15. 輸入可變邊界條件的信息 在前處理窗口雙擊Variable Boundary Conditions工具條，彈出一個處理時間序列數據的對話框（圖16）。 本算例中，在步驟(11)中已經把地面處理大氣邊界，同時又選擇使用消光系數法劃分植被蒸騰和土面蒸發(fā)，因此需要輸入每天的降水、潛在蒸散量、葉面積指數

21、等數據。 還有一個需要輸入的數據是最小壓力水頭值，即地面土壤達到最干燥狀態(tài)時的壓力水頭。從理論上講，當土壤十分干燥時，吸力很大，而液態(tài)孔隙水的壓強很小，與空氣濕度保持平衡關系，因此有 hH為空氣絕對濕度，RT/Mg為最小壓力水頭，為空氣的摩爾氣體常數?？諝馄渲衦A濕度雖然可以通過氣象數據得到，但這里公式需要的是近地面的空氣濕度。一般情況下，取飽和水汽濕度是可取的，因為2 cm深度以下土壤空氣的濕度往往都是飽和的，只不過隨溫度發(fā)生變化。因此，可以根據近地面氣溫的變化來推算地表土壤的空氣濕度（飽和水汽濕度），再換算成壓力水頭。HYDRUS-1D中需要輸入的是最小壓力水頭的絕對值，缺省值為 64h

22、m|=10 cm=10hCritA=| A這個數值只會對土壤蒸發(fā)起作用。HYDRUS-1D建議：hCritA 所對應的土壤含水量應h中的15在模擬根系吸水的情況下，0.005該至少比殘余含水量大，還應該低于圖 Ahh) (當根系吸水的臨界值壓力水頭(P3)否則（和地面蒸發(fā)的最小壓力水頭P3），P3。AA滿足時,會導致回流(inflow)現(xiàn)象，這是不合理的。除非存在特別干燥的情況，模型一般不需要仔細處理這些問題。 圖 16 表1降水ETp hCritA hCritA 降水ETp LALA(cm/d(cm/d(cm/d(cm/d(cm(cm(d(d0.100002.10.100002.0.1000

23、02.10.100000.0.100002.10.100000. 400.51000002.21900.71000000.3 500.51000002.22000.71000000.3 600.51000002.22100.71000000.3 700.31000002.3220 80.70.11000002.3230 900.41000002.3240.3 00.51000002.3 00.61000001.1 00.41000000.5 30.11000000 00.51000000 0.50.21000000 Conditions 部在底剖面鍵標左擊鼠Conditions 后處理 觀察點

24、結果 2.325 2.226 2.227 2.228 2.129 2.130 10 11 12 13 14 15 2.點0.100000.0.100000.0.100000.0.100000.0.100000.0.100000.0.100000.0.100000.0.100000. 數據可以先在Excel中準備好，如表1。這些數據可以拷貝到圖16的電子表格中。這些數據顯示的降水量、蒸散潛力和葉面積指數變化特征如圖16右圖所示。在第17日由于莊稼收割，葉面及指數大幅度下降。 16. 編輯土壤剖面使用圖形界面 工具條，程序將彈出一個在前處理窗口雙擊Soil Profile- Graphical E

25、ditor。這個圖形軟件的使用比較簡單，我們需要注意的是17）處理土壤剖面的軟件（圖菜單下面有很多子菜單，包含處理各種問題的功能菜單。在Conditions 首先要做的事情，是確定把土壤剖面離散化為多少個節(jié)點。本算例土壤模型深 Conditions/ 選擇菜單因此需要301個節(jié)點。，度為3 m我們希望節(jié)點間距達到 1 cm，。Number修改為301Profile Discretization，在下拉工具條中把 Conditions Profile Conditions土壤剖面菜單 31分成剖分節(jié)點 17圖 ，2個土層。缺省的土層編號為index=1 接下來，確定土層的分布，本模型有，在下Co

26、nditions/ Material Distribution12就是圖中的細砂壤土層。選擇菜單，2，這個土層編號為，把下部土壤層設置拉工具條中使用Edit conditionindex=2中的中砂層。實際上就是圖12 2設置 右下角是鼠標 18圖 xb是一個很特殊的函數，它滿)(再就是確定根系隨深度的分布，根系分布函數足以下條件 bxz是每個間距中的根系分布函數其中LR為根系層厚度, 是深度；?是節(jié)點間距，n假設根系分布函數為線性，M值，是根系層占節(jié)點數。本算例中根系層的厚度為1 m并有 x?1, x)b(x?2 Conditions/ Root 1的條件。設置方法為，選擇菜單容易證明上式滿足積分為，劃定根系層范圍(100 cm)condition，在在下拉工具條中使用DistributionEdit ，讓程序自動進行線性差值。0把頂部數值設置為，底部數值設置為2 系 19圖 。本算例中初Conditions/ Initial Condition下一步處理初始條件，選擇菜單，假設土壤剖面初始狀態(tài)是靜力平衡態(tài)，則模型底部的100 cm始地下水位高于底板工具條，分。使用Edit Condition，地面的壓力水頭為壓力水頭為+100 cm?200 cm別設置頂部