Hydrus1D簡明使用手冊

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(zhì)大學(xué)(北京)目錄如何獵取HYDRUS-1D 錯誤!未定義書簽。版權(quán)聲明 錯誤!未定義書簽。參考資料 錯誤!未定義書簽。HYDRUS-1D的WINDOWS界面 錯誤!未定義書簽。設(shè)計模型 錯誤!未定義書簽。使用HYDRUS-1D創(chuàng)立模型 錯誤!未定義書簽。輸入模型把握信息 錯誤!未定義書簽。水流模型——迭代計算參數(shù) 錯誤!未定義書簽。水流模型——土壤水力特性模型 錯誤!未定義書簽。水流模型——土壤水分特征曲線 錯誤!未定義書簽。水流模型——邊界條件 錯誤!未定義書簽。水流模型——定水頭或通量邊界設(shè)置 錯誤!未定義書簽。根系吸水——吸水模型 錯誤!未定義書簽。根系吸水——水分脅迫參數(shù) 錯誤!未定義書簽。輸入可變邊界條件的信息 錯誤!未定義書簽。編輯土壤剖面——使用圖形界面 錯誤!未定義書簽。編輯土壤剖面——使用表格 錯誤!未定義書簽。運行模型 錯誤!未定義書簽。觀看結(jié)果 錯誤!未定義書簽。輸出結(jié)果 錯誤!未定義書簽。HYDRUS-1D和熱運移。本手冊只介紹應(yīng)用HYDRUS1DHYDRUS-1DHYDRUS-1D由位于歐盟捷克的PC-Progress首頁:。為了下載HYDRUS-1DHydrus-1D文件對應(yīng)目前HYDRUS-1D版權(quán)聲明HYDRUS-1DJ.Simunek,DepartmentofEnvironmentalSciences,UniversityofCaliforniaRiverside,Riverside,California,USA.M.Sejna,PCProgress,Prague,CzechRepublic..vanGenuchten,DepartmentofMechanicalEngineering,FederalUniversityofRiodeJaneiro,RiodeJaneiro,Brazil.感謝他們供給了一個如此精巧而又免費使用的專業(yè)軟件，幫助我們從事有關(guān)的科學(xué)和教育工作。當(dāng)你運行解壓文件后，會在您的電腦中產(chǎn)生一個安裝名目，其中包含可執(zhí)行文件。運行這個文件即可安裝HYDRUS-1D當(dāng)您安裝HYDRUS-1D時，象安裝其它軟件一樣，會消滅一個許可協(xié)議，從中可知本共享軟件也受到美國法規(guī)的保護。參考資料HYDRUS-1D安裝之后，在軟件運行名目下有HYDRS-1D文件。從這個文件您可以了解到HYDRUS-1D的一些技術(shù)細(xì)節(jié)，如水流、溶質(zhì)運移、熱流的方程、一些處理特地問題的模型、輸入輸出文件等等。有一個Examples名目，包含大量的模擬算例可供參考。用戶還可以參考以下文獻：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.這些文獻都可以從下載。HYDRUS-1DWINDOWSHYDRUS-1D，可以看到一個Windows2模擬計算前處理工具 后處理工具圖1全部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以以下圖所示。模擬內(nèi)容選項時間信息輸出方式水流——邊界條件溶質(zhì)運移——邊界條件根系吸水——模型可隨時間變化的邊界條件圖2設(shè)計模型在使用HYDRUS-1D之前，您需要對飽和-非飽和水流模擬的根本原理有所了解，并設(shè)計出自己想做的模型，預(yù)備好數(shù)據(jù)。一個剖面水流模型通常包含以下幾個要素：土壤剖面從地面算起的深度，預(yù)備模擬那個時間段的水分變化。土壤分幾層，每層土壤的滲透性參數(shù)和水分特征曲線是怎樣的。根系是怎么分布的。是否已經(jīng)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。是否已經(jīng)確定剖面底部的狀態(tài)屬于哪種類型的邊界條件。3下面是一個參考模型的設(shè)計圖:降水量E0m m 根系層5 11

30d

時間細(xì)砂壤m(xù) 初始潛水面5

中砂m1隔水底板圖3HYDRUS-1D翻開HYDRUS-1D軟件，選擇”File/new”菜單，建一個模型。在name一欄中輸入本模型的名稱”test”，更改模型存放的名目。圖4需要留意的是，HYDRUS-1D放在與模型名稱全都的名目中。本例中，軟件會自動創(chuàng)立一個名稱為”test”的名目，而”C\ATOOLS\HYDR1D\Projects”中除了test名目之外，還有一個文件。這是一個模型工程(project)文件，告知軟件下次到哪里去查找模型。5所以后處理窗口是空白的。4圖5輸入模型把握信息首先，在前處理窗口雙擊MainProcesses，在彈出的對話框中輸入模型的描述:atestmodel.然后在Simulate一欄中選中RootWaterUptake，表示想處理根系吸水問題。電擊OK圖6下一步，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GeometryInformation，在彈出的對話框中輸入如圖7cm300cm圖7接下來輸入時間信息，在前處理窗口雙擊TimeInformatio，會彈出一個對話框〔圖。模擬30d變化時間單位組數(shù)據(jù)，共30組數(shù)據(jù)

信息自動處理蒸騰量在每天24小時內(nèi)的變化5圖8這個對話框中供給了一些靈敏的選項來處理上邊界條件的變化，下面簡要加以說明：蒸騰量的每日周期變化HYDRUS-1D可以使用一個閱歷公式來處理每天24蒸騰量為T 〔例如用Pemman公式獵取,cm/，則ppT(t)是瞬時潛在蒸騰量，t618-241%cm/d。p降水量的周期變化假設(shè)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P是周期?t使用氣象數(shù)據(jù)也可以在HYDRUS-1D中輸入氣象數(shù)據(jù)，它將自動利用這些數(shù)據(jù)計算潛在蒸散量ETpFAO組織推舉的Penman-Monteith公式，也可以選擇Hargreaves射、氣溫、濕度之類的氣象數(shù)據(jù)。模型的另一個把握信息是對模擬結(jié)果的輸出如何進展設(shè)置。在前處理窗口雙擊PrintInformation301些時間點的結(jié)果301圖9水流模型——迭代計算參數(shù)HYDRUS-1D是承受迭代法來處理非線性RichardsWaterFlow-IterationCriteria工具條，彈出一個設(shè)置迭代參數(shù)的對話框〔圖1置具有高度的專業(yè)技術(shù)性，除非特別了解，一般可以使用默認(rèn)值。假設(shè)模擬結(jié)果消滅不收斂6的狀況，需要對最大迭代次數(shù)、迭代精度等參數(shù)進展調(diào)整，但是在缺乏閱歷的狀況下很難操作。最多迭代次數(shù)含水量迭代精度增大步長迭代次數(shù)信號步長增大比例步長縮小比例

曲線的散點值圖10HYDRUS-1D承受自動把握時間步長的方法來處理迭代的收斂性。對于每個時步，假設(shè)迭代次數(shù)太多，就縮小時間步長；假設(shè)沒經(jīng)過幾次迭代就到達收斂精度，則適當(dāng)增大時間步長。水流模型——土壤水力特性模型水分特征曲線是非飽和土壤的重要物理性質(zhì)，HYDRUS-1D供給了幾種方法來處理與之有關(guān)的參數(shù)。在前處理窗口雙擊WaterFlow-SoilHydraulicProperties工具條，彈出一個設(shè)置水力特性模型的對話框〔圖1。單孔介質(zhì)模型雙重孔隙度雙重滲透性

問題中使用過程模型圖11在一般狀況下，選擇單孔介質(zhì)模型，并選擇用vanGenuchten-Mualem力特性就可以了。假設(shè)還要模擬溶質(zhì)運移，可能需要考慮雙重介質(zhì)模型。雙重介質(zhì)在同一個點有兩個孔隙度或兩個滲透率，相當(dāng)于兩種介質(zhì)的混雜。雙重介質(zhì)模型能夠模擬這兩種“介質(zhì)”之間的水分和鹽分交換。水流模型——土壤水分特征曲線在前處理窗口雙擊WaterFlow-SoilHydraulicParameters7分特征曲線參數(shù)的對話框〔圖1。本例中選擇vanGenuchten-Mualem其中?,n,l均為把握因子。HYDRUS-1D本例中兩層土壤的參數(shù)直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出：第1層對應(yīng)Sandyloam，其次層對應(yīng)sand。細(xì)砂壤土中砂編號 ?r ?s?(cm1) n Ks(cm/d) l土壤數(shù)據(jù)庫圖12在輸入?yún)?shù)時，請留意參數(shù)的單位。水流模型——邊界條件在前處理窗口雙擊WaterFlow-BoundaryConditions工具條，彈出一個設(shè)置邊界條件的對話框〔圖1。定壓力水頭定水分通量水變水頭下端邊界類型變流量滲出面水平排水

初始條件使用含水量大氣邊界ETpLAI消光系數(shù)圖138上邊界條件有68種類型。邊界類型確實定需要考慮實際條件，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(chǎn)生積水。植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D推舉使用一個閱歷公式來把潛在蒸散量分割為蒸騰潛力和土壤蒸發(fā)潛力：其中ETp為潛在蒸散量〔可以使用Penman-Monteithcm/d，Tp為潛在蒸騰量(cm/d)，Ep(cm/d)，LAIk為消光系數(shù)，取決于太陽角度、植被類型及葉片空間分布特征。SCF是一個中間參數(shù)，即土壤掩蓋度(Soilcoverfraction)。在闊葉植被發(fā)育的狀況下，消光系數(shù)的閱歷值為k=。水流模型——定水頭或通量邊界設(shè)置WaterFlow-ConstantBC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0即可。根系吸水——吸水模型在前處理窗口雙擊RootWaterUptake-Models工具條，彈出一個處理根系吸水模型的對話框〔圖14。水分脅迫模型補償吸水域值〔臨界潮濕度〕圖14HYDRUS-1D為Tp

是潛在蒸騰量(cm/d)，Ta

是實際蒸騰量(cm/d)，S(x)是吸水強度函數(shù)(cm/，留意x坐標(biāo)實際表示深度)，?(h)是水分脅迫函數(shù)，h為土壤壓力水頭(cm)，b(x)是根系吸水安排〔密度函數(shù)，L2Feddes模型和S-ShapeR模型。Feddes模型是一個梯形函數(shù)，只需要知道h值。而S-Shape模型把水分脅迫和葉片氣孔的壓力水頭聯(lián)系起來，需要知道氣孔壓力水頭的數(shù)值h。?9土壤的潮濕度可以表示為

T/Ta p

(h,x)b(x)dxLR但是假設(shè)直接用這種方法來計算實際蒸騰量有確定的問題。植被其實可以調(diào)整不同深度的水分脅迫響應(yīng)特征；某個深度土壤枯燥吸不上水，植被可以加大在比較潮濕的土層的吸水量，以補償缺乏。這種現(xiàn)象稱為補償吸水。為了模擬根系補償吸水，HYDRUS-1D供給了一種簡化的模型，即假設(shè)潮濕度高于某個臨界值(?>c補償機制受到抑制，發(fā)生整體的水分脅迫，根系吸水總量將低于潛在蒸騰量，并正比于潮濕度。假設(shè)不考慮這種補償吸水機制，可以令?c

=1。根系吸水——水分脅迫參數(shù)在前處理窗口雙擊RootWaterUptake-WaterStressReduction理水分脅迫參數(shù)的對話框〔圖1。本算例中直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)入Wheat的閱歷值。(cm/d)=1

r2Hr2L=0P3 P2L P2H Popt P0壓力水頭(pressurehead,cm)兩個臨界吸水強度數(shù)據(jù)庫圖15根系水分脅迫Feddes輸入可變邊界條件的信息在前處理窗口雙擊VariableBoundaryConditions的對話框〔圖1。本算例中，在步驟(11)中已經(jīng)把地面處理大氣邊界，同時又選擇使用消光系數(shù)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(shù)等數(shù)據(jù)。還有一個需要輸入的數(shù)據(jù)是最小壓力水頭值，即地面土壤到達最枯燥狀態(tài)時的壓力水頭。從理論上講，當(dāng)土壤格外枯燥時，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(guān)系，因此有hA

為最小壓力水頭，Hr

為空氣確定濕度，RT/Mg為空氣的摩爾氣體常數(shù)?？諝鉂穸入m然可以通過氣象數(shù)據(jù)得到，但這里公式需要的是近地面的空氣濕度。一般狀況下，取飽和水汽濕2cm10因此，可以依據(jù)近地面氣溫的變化來推算地表土壤的空氣濕度〔飽和水汽濕度力水頭。HYDRUS-1DhCritA=|h|=106A

cm=104m這個數(shù)值只會對土壤蒸發(fā)起作用。HYDRUS-1D建議：hCritA所對應(yīng)的土壤含水量應(yīng)當(dāng)至少比剩余含水量大，在模擬根系吸水的狀況下，hA

還應(yīng)當(dāng)?shù)陀趫D15中的P。否則h>P，當(dāng)根A系吸水的臨界值壓力水頭(P3)和地面蒸發(fā)的最小壓力水頭(h)滿足時,會導(dǎo)致回流(inflow)A現(xiàn)象，這是不合理的。除非存在特別枯燥的狀況，模型一般不需要認(rèn)真處理這些問題。3.532.5量 2

LAIETp(cm/d)通1.510.501 5 9 13 17 21 25 29Time(d)圖161時間降水量ETphCritALAI時間降水量ETphCritALAI(d)(cm/d)(cm/d)(cm)(d)(cm/d)(cm/d)(cm)101000001601000002010000017010000030100000180100000401000001901000005010000020010000060100000210100000701000002201000008100000230100000901000002410000010010000025100000110100000261000001201000002710000013310000028010000014010000029010000015100000300100000Excel11616右圖所示。在第17日由于莊稼收割，葉面及指數(shù)大幅度下降。編輯土壤剖面——使用圖形界面在前處理窗口雙擊SoilProfile-GraphicalEditor剖面的軟件〔圖17。這個圖形軟件的使用比較簡潔，我們需要留意的是在Conditions菜單下面有很多子菜單，包含處理各種問題的功能菜單。11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。本算例土壤模型深度為3m，我們期望節(jié)點間距到達1cm301個節(jié)點。選擇菜單Conditions/ProfileDiscretization，在下拉工具條中把Number301。ConditionsProfileDiscretizationMaterialDistributionRootDistributionScalingfactorInitialConditionsSubregionsObservationPointsConditions菜單剖分節(jié)點根系分布尺度因子初始條件子區(qū)分布觀看點

修改節(jié)點數(shù)

土壤剖面分則節(jié)點間距為10cm圖172個土層。缺省的土層編號為index=1，就是圖12中的細(xì)砂壤土層。選擇菜單Conditions/MaterialDistribution，在下拉工具條中使用Editcondition，把下部土壤層設(shè)置index=22，12中的中砂層。ConditionsMaterialDistribution點擊工具條

修改節(jié)點數(shù)

號在剖面底部點擊鼠左鍵，修改土層編號

z12圖18再就是確定根系隨深度的分布，根系分布函數(shù)b(x)是一個很特別的函數(shù)，它滿足以下條件LRb(x)dx1M0 n1

bznLRx是深度；?z是節(jié)點間距，b是每個間距中的根系分布函數(shù)值，Mn根系層占節(jié)點數(shù)。本算例中根系層的厚度為1m，假設(shè)根系分布函數(shù)為線性，并有b(x)2x,x?11Conditions/RootDistribution，在在下拉工具條中使用Editcondition，劃定根系層范圍(100cm)，把頂部數(shù)值設(shè)置為0，2，讓程序自動進展線性差值。ConditionsRootDistribution函數(shù)使用工具條圖19下一步處理初始條件，選擇菜單Conditions/Initia