Hydrus1D简明使用手册.docx

1、Hydrus1D简明使用手册用HYDRUS-1D模拟剖面变饱和度地下水流（简明手册）王旭升中国地质人学（北京）1.如何获取 HYDRUS-1D 22.明 23.参考资料 24.HYDRUS-1D 的 WINDOWS 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 5&水流模型一迭代计算参数 69.水流模型土壤水力特性模型 710水流模型一土壤水分特征曲线 711.水流模型边界条件 812.水流模型一定水头或通量边界设置 913.根系吸水 吸水模型 914.根系吸水一水分胁迫参数 1015.输入可变边界条件的信息 1016.编辑土壤剖面一使用图形界面 1117

2、.编辑土壤剖面使用表格 1418.运行模型 1419.察看结果 1520.输出结果 15HYDRUS-1D是一个共享专业软件，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方法。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，用户可以登录该公司 首页：。为了下载HYDRUS-1D,应先注册成为用户，然后下载Hydrus-1D的安装文件： H1D_4_14. exeo这个文件对应目前HYDRUS-1D的最高版本。2.版权声明HTORUS-1D的作者为：(1)J

3、. Simunek, Department of Environmentai Sciences, University of California Riverside, Riverside, California, USA(2)M Sejna, PC Progress, Prague, Czech Republic(3)M Th. van Genuch ten, Depar to f Mechanical Engineering, Federal Universi tyof Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazi1感谢他们提供了一个如此精美而又免费使用的专业

4、软件，帮助我们从事有关的科学和教 育工作。当你运行HlD_4_14.exe解压文件后，会在您的电脑中产生一个安装目录，其中包含 Setup, exe可执行文件。运行这个文件即可安装HYDRUS-1D软件。当您安装HYDRUS-1D时，象安装其它软件一样，会出现一个许可协议，从中可知本共享 软件也受到美国法规的保护。3.参考资料HTORUS-1D安装之后，在软件运行目录卞有HYDRS-lDManual.pdf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、一些处理专门问题 的模型、输入输出文件等等。有一个Examples目录，包含大量的模拟算例可供参

5、考。用户还可以参考以下文献：Simunek, J,Th. van Genuchten, and Sejna, Development and applications of the HYDRUS and STANMOD software packages, and related codes, Vadose Zone Journal, doi:102136/VZJ20070077, Special Issue Vadose Zone Modeling , 7(2), 587-600, 200&Jacques, D,J Simunek, D Mallants, and M Th. van Gen

6、uchten, Modeling coupled hydrological and chemical processes: Long-term uranium transport following mineral phosphorus fertilization, Vadose Zone Journal doi:10. 2136/VZJ2007. 0084, Special Issue ” Vadose Zone ModelingM , 7(2), 698-711, 2008.Simunek, J and Th. van Genuchten, Modeling nonequilibrium

7、flow and transport with HYDRUS, Vadose Zone Journal doi:10. 2136/VZJ2007. 0074, Special Issue ” Vadose Zone Modeling , 7(2), 782-797, 2008.这些文献都可以从下载。4. HYDRUS-1D 的 WINDOWS 界面运行HYDRUS-1D,可以看到一个Windows的界面如卞: HYDRUS ID ROOTUPTKPot: Help, press Fl图1所有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 理的各项功能如下图所示。图25

8、.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了解，并设计出 自己想做的模型，准备好数据。一个剖面水流模型通常包含以下几个要素：(1)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。(2)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。(3)根系是怎么分布的。(4)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。(5)是否已经确定剖面底部的状态属于哪种类型的边界条件。下面是一个参考模型的设计图:1.细砂壤2.中砂隔水底板6.使用HYDRUS-1D创建模型打开HYDRUS-1D软件，选择” File/new”菜单，新建一个模型

9、。在name 栏中输入本模 型的名称” test,更改模型存放的目录。图4需要注意的是，HYDRUS-1D模型本身在计算机中就表现为一系列的输入输出文件，它们存 放在与模型名称一致的目录中。本例中，软件会自动创建一个名称为” test”的目录， 而CATOOLSHYDRlDProjectsn 中除了 test 目录之外,还有一个 test. hid 文件。这是一 个模型项目（project）文件，告诉软件下次到哪里去寻找模型。模型创建之后，会显示前处理和后处理窗1（图5）o由于是新模型，还没有任何模拟结果,所以后处理窗I I是空白的。7.输入模型控制信息首先，在前处理窗I I双击Main Pr

10、ocesses,在弹出的对话框中输入模型的描述：a test model.然后在Simulate 一栏中选中Root Water Uptake表示想处理根系吸水问题。电击 0K之后，前处理窗II将增加处理根系吸水的工具条。Inverse Solutionng：|a test nodelSinulftta7 Wat ar FlovI Vapor Flow| Sx.urt- XycroLogy Solute TrasportA General SoluteIcn Chemistry r KFI (PHIEEQC)Heat Iransrcrt7 鈿ot er Vpt ctke：Root Srovih

11、032 Iranzport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1丨双击Geometry Information,在弹出的对话框中输入如图7所示的数据。图7接卜来输入时间信息，在前处理窗I I双击Time Information,会弹出一个对话框（图8）。图8这个对话框中提供了一些灵活的选项来处理上边界条件的变化，卜面简要加以说明：（1）蒸腾量的每日周期变化HTORUS-1D可以使用一个经验公式来处理每天24小时潜在蒸腾量的变化，设某天的潜在 蒸腾量为打（例如用Pemman公式获取的，cm/d）,则其中&）是瞬时潜在蒸腾量，F为时间。模型假设早上6点之前以及晚上18点-24点的

12、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/do（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也可以用一个公式来处理其中戸是周期At内的平均降雨量。（3）使用气象数据也口I以在HTORUS-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ETp。可以 选择FAO组织推荐的Penman-Monteith公式，也可以选择Hargreaves公式。这些公式需要辐 射、气温.湿度之类的气彖数据。模型的另一个控制信息是对模拟结果的输出如何进行设置。在前处理窗II双击Print Information工具条，弹出一个对话框。本例中确定输出30组模拟

13、结果，每天输出1组。8.水流模型迭代计算参数HTORUS-1D是采用迭代法来处理非线性Richards方程的。在前处理窗I I双击Water Flo Iteration Criteria工具条,弹出一个设置迭代参数的对话框（图10）。迭代控制参数的设 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。如果模拟结果出现不收敛的情况，需要对最人迭代次数、迭代精度等参数进行调整，但是在缺乏经验的情况下很难操 作。Iteration Criteria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。对于每个时步，如果迭 代次数太多，就缩小时间步长；如果没经过几次迭代就达到收

14、敛精度，则适当增人时间步长。9.水流模型一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提供了几种方法来处理与之有关 的参数。在前处理窗I I双击Water Flow Soil Hydraulic Properties工具条，弹出一个设 置水力特性模型的对话框（图11）。； Loclmp Tables吸湿和疏卡滞后过程模型冷 3k hystere总C |ystir*K)s g ratantioa curwQ liystrasis io. rtouUa curw owi ggdactRityC fcttresds do. retentioo. curve (o.o p

15、wpiiuL Bob LLird) r Tn. tidily 也yEg lotC K：tidily 讥we rjrve图11在一般情况下，选择单孔介质模型，并选择用van Genuchten-Mualem公式处理土壤的水 力特性就可以了。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。10.水流模型土壤水分特征曲线在前处理窗I I双击Water Flow Soil Hydraulic Parameters工具条，弹出一个设置水分特征曲线参数的对话框（图12）o本例中选择

16、van GenuchtenMua 1 em公式处理水分特征曲线,(2.28)/0(2.29)其中G n, /均为控制因子。HYDRUS-1D软件中提供了一组土壤经验参数库，可供用户参考。 本例中两层土壤的参数直接从数据库中调出：第1层对应Sandy loam,第二层对应sand。图12在输入参数时，请注意参数的单位。11.水流模型一一边界条件在前处理窗I I双击Water Flow- Boundary Conditions工具条，弹出一个设置边界条件 的对话框（图。图13上边界条件有6种类型，下边界条件有8种类型。边界类型的确定需要考虑实际条件， 在本算例中，上边界选择人气边界条件，在降雨量很

17、人时地表可以产生积水。植被蒸腾量和 土壤蒸发量分开处理，HTORUS-1D推荐使用一个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：T=ETA-肛3 已丁 SCFP P 7 P (2.75)Ep = 二 7(1 SCF)其中ETp为潜在蒸散量(口J以使用Penman-Monteith公式处理气象数据得到，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，R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，即土壤覆盖度(Soil cover fraction) o在阔叶植被发育的情况下，消光系数的经验值为

18、卍05-075。12.水流模型定水头或通量边界设置如果边界条件中包含定水头或定通量的边界，则在前处理窗I I双击Water Flow Constant BC工具条，弹出一个设置边界数据的对话框。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。13.根系吸水吸水模型在前处理窗I I双击Root Water Uptake- Models工具条，弹出一个处理根系吸水模型的 对话框(图14)。水分胁迫模型盐分胁迫模型根系吸盐模型补偿吸水域值+(临界湿润度)图14HYDRUS-1D使用水分胁迫和盐分胁迫模型处理根系的吸水。对于水分胁迫模型，计算公式 为Ta - .|s(以胪)/

19、： (力九(2.19)L Lr其中7；是潜在蒸腾量(cm/d), 7；是实际蒸腾量(cm/d), SCO是吸水强度函数(cm/(cm. d),注 意用坐标实际表示深度)，从力)是水分胁迫函数，力为土壤压力水头(cm),方(是根系吸水分 配(密度)函数，厶为根系层的深度。水分胁迫函数有2种经验表示方法，即Feddes模型和 S-Shape模型。Feddes模型是一个梯形函数，只需要知道力值。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加。土壤的湿润度可以表示为co = T（l/Tp = J a（/?, x）bx）dx （2. 22）LR但是如果直接用这

20、种方法来计算实际蒸腾量有一定的问题。植被其实可以调节不同深度的水 分胁迫响应特征；某个深度土壤干燥吸不上水，植被可以加人在比较湿润的土层的吸水量， 以补偿不足。这种现彖称为补偿吸水。为了模拟根系补偿吸水，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（。纵），植被根系可以通过补偿机制充分吸水达到潜在蒸腾量。如呆湿润度低于这个临界 值，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 湿润度。如果不考虑这种补偿吸水机制，可以令型二1。14.根系吸水一水分胁迫参数在前处理窗I I双击Root Water Uptake- Water Stress R

21、eduction工具条，弹出一个处 理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Whst的经验值。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处理窗I I双击Variable Boundary Conditions T具条，弹出一个处理时间序列数据 的对话框（图16）。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，即地面土壤达到最干燥状态时的压力水头。 从理论上讲，当土壤十分干燥时，吸力很人，而液态孔隙水的

22、压强很小，与空气湿度保持平 衡关系，因此有(2.72)其中九为最小压力水头，忆为空气绝对湿度，RT/Mg为空气的摩尔气体常数。空气湿度虽然可 以通过气彖数据得到，但这里公式需要的是近地面的空气湿度。一般情况下，取饱和水汽湿 度是可取的，因为2 cm深度以下土壤空气的湿度往往都是饱和的，只不过随温度发生变化。因此，可以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=|=106 cm=10, m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该至少比

23、残余含水量大0. 005,在模拟根系吸水的情况下,九还应该低于图15中的P3。否则(QP3), 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(Q 满足时，会导致回流 (inflow)现彖，这是不合理的。除非存在特别干燥的情况，模型一般不需要仔细处理这些问题。图16时间(d)降水fit(cm/d)ETp(cm./ d)hCritA(cm):时间(d)降水量(cm/d)ETp(czn/d)hCritA(cm)LAI100.51000002100.41000002. 1200.61000002100.61000000.3300. 11000002.21800.71000000.3100

24、.51000002.21900.71000000.3500.51000002.22000.71000000.3600.51000002.22100.71000000.3700.31000002.32200.61000000.380.70. 11000002.32300.51000000.3900. 11000002.3240.30.21000000.31000.51000002.3252.30.11000000.31100.61000002.2261.10.11000000.31200. 11000002.20.50.11000000.31330.11000002.22800.41000000

25、.31100.5100000212900.71000000.3150.50.2100000213000.71000000.3数据可以先在Excel中准备好，如表lo这些数据可以拷贝到图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征如图16右图所示。在第17 口由于庄稼 收割，叶面及指数大幅度下降。16.编辑土壤剖面一一使用图形界面在前处理窗I 1双击Soil Profile- Graphical Editor T具条，程序将弹出一个处理土壤 剖面的软件(图17)。这个图形软件的使用比较简单，我们需要注意的是在Conditions菜单下面有很多子菜单，包含处理各种问题的功

26、能菜单。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3 m, 我们希望节点间距达到1 cm,因此需要301个节点。选择菜单Conditions/ Profile Discretization,在卜拉工具条中把Number修改为301。ConditionsProfile Discretization Material Distribution Root Distribution Scaling factor Initial Conditions SubregionsConditions 菜单 剖分节点 土壤岩性分层 根系分布 尺度因子 初始条件 子区分布 观察点图17

27、接下来，确定土层的分布，本模型有2个土层。缺省的土层编号为index二1,就是图12 中的细砂壤土层。选择菜单Conditions/ Material Distribution,在下拉工具条中使用Edit condition,把下部土壤层设置index=2,这个土层编号为2,实际上就是图12中的中砂层。图18再就是确定根系随深度的分布，根系分布函数b(x)是一个很特殊的函数，它满足以下条 件心皿=1 =工佔w=i其中LR为根系层厚度，x是深度；Az是节点间距，人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1 m,假设根系分布函数为线性，并有b(x) = 2x 9

28、Ml容易证明上式满足积分为1的条件。设置方法为，选择菜单Conditions/ Root Distribution, 在在下拉工具条中使用Edit condition,划定根系层范围(100 cm),把顶部数值设置为0, 底部数值设置为2,让程序自动进行线性差值。OK图19卜一步处理初始条件，选择菜单Conditions/ Initial Condition。本算例中初始地卜zK 位高于底板100 cm,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+100 cm, 地面的压力水头为-200 cm。使用Edit Condition!具条，分别设置顶部和底部的压力水头, 并让程序自动插

29、值形成初始条件。最后，选择菜单Conditions/ Observation Points,使用Insert工具条添加若干观察点, 有必要在靠近模型底部的位置加一个观察点以判断地下水位的变化。关闭图形程序退回主程 序。17.编辑土壤剖面使用表格在前处理窗I I双击Soil Profile- Summary工具条，程序将弹出一个表格（图20）。在这 个表格中可以进一步修改土壤剖面数据。18.运行模型我们已经把所有需要的数据都输入了模型中，下面就可以运行模拟计算程序了。选择菜 Y1- Calculation/Execute Hydrus,在弹出的对话框中选择0K,则会进入模拟计算模块。软件 将调用

30、HYDRUS-1D的核心程序进行计算，并输出有关的信息，见图21。图21一般情况下，如果迭代计算的收敛性较好，模拟时期又不是很长，将很快计算完毕。但 是，一旦出现难以收敛的情况，则可能等待很长时间才有结果，或者非正常中断。本算例模型在很短的时间内就能够完成计算。19.察看结果模拟运算完毕之后，模拟结果可以通过后处理窗II中的各个工具条来察看，见图22。*!t |1 ! 1nt BC耕 Koot Water Uptake 一 Models 卷 Root Water Uptake - Water Stre F Variable Boundary ConditionsFor Help, press Fl图22模型模拟的结果包扌