HydrusD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（ 北京 ）目錄HYDRUS-1星一個共享專業(yè)軟件，用于模擬一維變飽和度地下水流、根系吸水、 溶質(zhì)運移和熱運移。本手冊只介紹應用HYDRUS1D擬垂向剖面水流和根系吸水的操 作方法。1. 如何獲取HYDRUS-1DHYDRUS-1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 HYDRUS-1D應先注冊成為用戶，然后下載 Hydrus-1D 的安裝文件：。這個文件對應目前 HYDRUS-1的最高版本。2. 版權(quán)聲明HYDRUS-1D 的作者為:(1) J. Simunek, De

2、partment of Environmental Sciences, University of California Riverside, Riverside, California, USA.(2) M. Sejna, PC Progress, Prague, Czech Republic.(3) . van Genuchten, Department 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

3、有關(guān)的科學和教育工作。當你運行解壓文件后，會在您的電腦中產(chǎn)生一個安裝目錄，其中包含可執(zhí)行文件。運行這個文件即可安裝 HYDRUS-1DC件。當您安裝HYDRUS-1Dt,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，在軟件運行目錄下有 HYDRS-1D文件。從這個文件您可以 了解到HYDRUS-1D勺一些技術(shù)細節(jié)，如水流、溶質(zhì)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：imnek, J., M. Th. van Ge

4、nuchten, and M. ejna, Development and applications of the HYDRUS and STANMOD softwarepackages, and related codes, Vadose Zone Journal, doi:, Special Issue ” Vadose Zone Modeling” , 7(2), 587-600, 2008.Jacques, D., J. imnek, D. Mallants, and M. Th. van Genuchten, Modelingcoupled hydrological and chem

5、ical processes: Long-term uranium transportfollowing mineral phosphorus fertilization, Vadose Zone Journal, doi:,Special Issue ” Vadose Zone Modeling ” , 7(2), 698-711,2008.imnek, J. and M. Th. van Genuchten, Modeling nonequilibrium flow andtransport with HYDRUSVadose Zone Journal, doi:, Special Iss

6、ue “ Vadose Zone Modeling " ,7(2),782-797, 2008.這些文獻都可以從下載。4. HYDRUS-1D的 WINDOW®面運行HYDRUS-1D可以看到一個 Windows的界面如下：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。 HYDRUS I 口 KOOTIJPTKFile He*：ESfinf. Calcula"icn Eesuli模擬內(nèi)容選項幾何形狀參數(shù)及剖面方式時間信息輸出方式口聞閶川葡國再向工解回 ROOTUrTKPre-pncicesging;Sain P

7、ruesEss Geunjetry tnfoint li 3R:/ Tle InfarmaiiDn標，F(xiàn)rinl InftnoaticnI 叫aiter Flow - lieration CriteriaHH WsiteF Fl酬-Soil Hydrylic Property HodelU3 Water Flm - Soil 品dtaul良 P'ormnetErsC23 W.3l.cr Plw = Bcwiidary CcnditinnsIAd Solule TrujiEjrfiri - G-?n&ral Information.IS21 Sdlutc JriCTfipert

8、- TrankSpcrt Pmaraetcrfi dclui c Trsnspcrt - Rsa-ticn Par awe t ereI Solute TransjHort - Boundary Condit ionsO Maai Waier Ltake - lo-ielfV RlJt WalEj： Intake即aLcl Strch RriJuclicfii.I Ffr) Variable BoLwiary ondi tionu|HFI Soil ft-cfile - Grsphial I di torI iwll Soil Profi-le - SincrarvFor Eklph prew

9、 FI圖25. 設計模型在使用HYDRUS-1比前，您需要對飽和-非飽和水流模擬的基本原理有所了解, 并設計出自己想做的模型，準備好數(shù)據(jù)。一個剖面水流模型通常包含以下幾個要素：(1) 土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。(2) 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。(3)根系是怎么分布的(4)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(5)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。下面是一個參考模型的設計圖：6. 使用HYDRUS-1DU建模型打開HYDRUS-1DC件，選擇" File/new ”菜單，新建一個模型

10、。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莫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" CATOOLSHYDR1DProjects”中除了 test目錄之外，還有 一個文件。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(jié)果，所以后處理窗口是空白的。圖57. 輸入模型控制信息首先，在前處理窗口雙擊 Main

11、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。仁后，前處理窗口將增加處理根系吸水的工具條。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7所示的數(shù)據(jù)。土壤剖面接下來輸入時間信息，在前處理窗口雙擊Time Information ,會彈出一個對話框（圖8）上邊界是隨時間變模擬30 d時間自動處理丞 八、F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

12、變化,(1) 蒸騰量的每日周期變化HYDRUS-1D可以使用一個經(jīng)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Tp (例如用Pemman式獲取的,cm/d ),則其中Tp(t)是瞬時潛在蒸騰量，t為時間。模型假設早上6點之前以及晚上18點-24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 o(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-1也可以用一個公式來處理其中P是周期t內(nèi)的平均降雨量(3)使用氣象數(shù)據(jù)也可以在HYDRUS-1前輸入氣象數(shù)據(jù)，它將自動利用這些數(shù)據(jù)計算潛在蒸散量ET6 可以選擇 FAO組織推薦的 Penman

13、-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(shù)據(jù)。模型的另一個控制信息是對模擬結(jié)果的輸出如何進行設置。在前處理窗口雙擊Print Information 工具條，彈出一個對話框。本例中確定輸出30組模擬結(jié)果，每天輸出1組。輸出30可以確定需要圖98 .水流模型一一迭代計算參數(shù)HYDRUS-1Cg采用迭代法來處理非線性Richards方程的。在前處理窗口雙擊Water Flow- Iteration Criteria 工具條，彈出一個設置迭代參數(shù)的對話框(圖10)迭代控制參數(shù)的設置具有高度的專業(yè)技術(shù)性，除非特別了解，一般可以使用默認值0如

14、果模擬結(jié)果出現(xiàn)不收斂的情況，需要對最大迭代次數(shù)、 迭代精度等參數(shù)進行調(diào)整，但是在缺乏經(jīng)驗的情況下很難操作。T ttjrfi t i on Cr i Lorin最多迭代次數(shù)104 uinn link «ar * £ ItdtLeiLf.0 D01t-ilei Craitenl Txilei ul二eU廠ErasiETiirc： rtc.4 T<Jaruiz*ai工Eri增大步長迭代次數(shù)T LTi« Etf?*p:u r匚也Hx中LLover Jp>t mol It arc.Il ml 習皿氧小厘 IpUal Tl-ersstiQn Kai儂Lmyiei

15、Tint St ip NuliLli catari Fuel" l?p, rmt Erp NijIHrL ztion Jieisr最小吸力間距1 e-00(i3vh Lim t tf 加 Tertsiwri Intervil】QRUVppei' L_in 11 «£ th* I tas j mti IntervaJ用于生成水分圖12圖10HYDRUS-1睬用自動控制時間步長的方法來處理迭代的收斂性。對于每個時步, 如果迭代次數(shù)太多，就縮小時間步長；如果沒經(jīng)過幾次迭代就達到收斂精度，則適 當增大時間步長。9 .水流模型一一土壤水力特性模型水分特征曲線是非飽和

16、土壤的重要物理性質(zhì)，HYDRUS-1醍供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Water Flow- Soil Hydraulic Properties工具條，彈出一個設置水力特性模型的對話框（圖 11）。La 阡 1 iiU 匿 lSn i llydraii 1 i c Mode 雙重介質(zhì)模Wydrftnl'jfS afl # F-sraus. by Me日 4li.i* ¥4 IJxUcliliLb - Ftiblrfi廠時勖Lt廳Vdflt點噌EU Li Fa vbt： Gb*t.=rkt 41TlI 即43口匕一匚口£ vyQi)口j上qin訃，&

17、gt;01taLl hi 4utikLiif fMdlx廣 DU-wm/ grTi"EU 2 Gg內(nèi)或-, 口底式一匚ora;it產(chǎn) Gnr'bLLt-LST'oI>:ilerc. tvsh tr-si'sfj?甘 01141-CJiL,fltLI!r (FiGM工露 hU Z” U'li.8!)蕾 V屯以I* In事Iw », saJy f«r «K|i«ri«M«Jr 03”.“回卬 知m詢 2 上一加 r 口3.R05 8曲山。嗚門*； 誨d VwL <3"E

18、63;iUjelii4k :m吸濕和疏干主要在溶質(zhì)Ifcrs-ttrei寫G In廣it ri.d«-巧力1vgx n. r 9 L*=.l i.csi vh*爨 vn i rc：dnc± lve, ty也 n& i tL t Lwal Lv*. 廿!p |llbb'll at LaHtfiaJr圖11在一般情況下，選擇單孔介質(zhì)模型，并選擇用van Genuchten-Mualem公式處理土壤的水力特性就可以了。如果還要模擬溶質(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，相當于兩種介質(zhì)的混雜。雙重介質(zhì)模型能夠模擬這兩種 “介

19、質(zhì)”之間的水分和鹽分交換。10 .水流模型一一土壤水分特征曲線在前處理窗口雙擊Water Flow- Soil Hydraulic Parameters工具條，彈出一個設置水分特征曲線參數(shù)的對話框（圖12）。本例中選擇van Genuchten-Mualem公式處理水分特征曲線，其中，n, l均為控制因子。HYDRUS-1DC件中提供了一組土壤經(jīng)驗參數(shù)庫，可供用戶參考。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Sandy loam,第 二層應sand。在輸入?yún)?shù)時，請注意參數(shù)的單位11 .水流模型一一邊界條件在前處理窗口雙擊 Water Flow- Boundary Conditio

20、ns 工具條，彈出一個設置邊界條件的對話框（圖13）。地面邊界類Ipper Bouiidury ConditionCdnttiri.t Fl-A3£Atrnicspheri c R 二 witL Surf ice LaverAirmespheric DC with Surfi.ce 單in Iff 廣 Vjr; aVla Fracture Kood 廠 Vur: t¥ls Pressur# lGs*dLF：ux下端邊界類LflvsrCond: t i m C£n't曲t Pr*55ur專Ke4d& Cg壯曲七Fl UE JuriaKle Prtss

21、urfr Ke&dC ¥。融工匕FIjki： Free Srainase Deep' 生口.鏟 Fas; hMorizwtftl JrainsTai I x al. Coeidx 七； Ici PreEsurt MeadsIn. W.ter C<mL>eii.l5A/onplwric tCM Input FET u-d U0 39初始條件大氣邊界Water Flow Boundary Condi.定壓力水頭圖13上邊界條件有6種類型，下邊界條件有 8種類型。邊界類型的確定需要考慮實 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

22、水。植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D隹薦使用一個經(jīng)驗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-Monteith公式處理氣象數(shù)據(jù)得到，cm/d）, Tp為潛在蒸騰量（cm/d） , Ep為土壤潛在蒸發(fā)量（cm/d） , LAI是葉面積指數(shù)，k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)，即土壤覆蓋度(Soil cover fraction)。在闊葉植被發(fā)育的情況下，消光系數(shù)的經(jīng)驗 值為k=012 .水流模型一一定水頭或通量邊界設置如果邊界條件中包含定水頭或定通量的邊界，則在前處理窗口雙擊 Wa

23、ter FlowConstant BC工具條，彈出一個設置邊界數(shù)據(jù)的對話框。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。13 .根系吸水吸水模型在前處理窗口雙擊 Root Water Uptake- Models 工具條，彈出一個處理根系吸 水模型的對話框(圖14)。Root Water and Splute Uptake * .圖14HYDRUS-1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,計算公式為其中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/,注意 x 坐標實際表示深度) ， ( h)

24、 是水分脅迫函數(shù)，h 為土壤壓力水頭(cm)， b(x) 是根系吸水分配(密度)函數(shù)，Lr為根系層的深度。水分脅迫函數(shù)有2種經(jīng)驗表示方法，即 Feddes 模型和 S-Shape 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。土壤的濕潤度可以表示為Ta/Tp(h,x)b(x)dxLR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(diào)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。為了模擬根系補償吸

25、水，HYDRUS-1提供了一種簡化的模型，即如果濕潤度高于某個臨界值(> c) ，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c =1 。14 . 根系吸水水分脅迫參數(shù)在前處理窗口雙擊Root Water Uptake- Water Stress Reduction 工具條，彈出一個處理水分脅迫參數(shù)的對話框(圖15) 。本算例中直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)入Wheat的經(jīng)驗值。脅圖15 根系水分脅迫Feddes模型參數(shù)15 .輸入可變邊界條件的信息在前處

26、理窗口雙擊 Variable Boundary Conditions 工具條，彈出一個處理時間 序列數(shù)據(jù)的對話框（圖16）。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(guān)系，因此有其中hA為最小壓力水頭，H為空氣絕對濕度，RT/Mg為空氣的摩爾氣體常數(shù)。空氣 濕度雖然可以通過氣象數(shù)據(jù)得到，但這里公式需要的是近地面的空氣濕度

27、。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(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），再換算成壓力水頭。HYDRUS-1中需要輸入的是最小壓 力水頭的絕對值，缺省值為hCritA=| hA|=10 6 cm=104 m這個數(shù)值只會對土壤蒸發(fā)起作用。HYDRUS-1DI議：hCritA 所對應的土壤含水量應該至少比殘余含水量大，在模擬根系吸水的情況下，hA還應該低于圖15中的P3。否則（hA>P3）,當根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 （hA） 滿足時，會導致回流（i

28、nflow）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時間(d)降水量（cm/d）ETp(cm/d)hCritA(cm)LAI時間(d)降水量（cm/d）ETp(cm/d)hCritA(cm)LAI101000001601000002010000017010000030100000180100000401000001901000005010000020010000060100000210100000701000002201000008100000230100000901000002410000010010000025100000110100000261

29、000001201000002710000013310000028010000014010000029010000015100000300100000數(shù)據(jù)可以先在Excel中準備好，如表1。這些數(shù)據(jù)可以拷貝到圖16的電子表格 中。這些數(shù)據(jù)顯示的降水量、蒸散潛力和葉面積指數(shù)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(shù)大幅度下降。16 .編輯土壤剖面一一使用圖形界面在前處理窗口雙擊 Soil Profile- Graphical Editor 工具條，程序?qū)棾鲆粋€ 處理土壤剖面的軟件（圖 17）。這個圖形軟件的使用比較簡單，我們需要注意的是 在Conditions菜單下面有很多子

30、菜單，包含處理各種問題的功能菜單。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3 m,我們希望節(jié)點間距達到 1 cm,因此需要301個節(jié)點。選擇菜單Conditions/ Profile Discretization ,在下拉工具條中把 Number修改為301。ConditionsProfile菜單Conditions土壤剖面分成31剖分節(jié)點圖17接下來，確定土層的分布，本模型有2個土層。缺省的土層編號為index=1 ,就是圖12中的細砂壤土層。選擇菜單 Conditions/ Material Distribution ,在下 拉工具條中使用Edit con

31、dition ,把下部土壤層設置index=2 ,這個土層編號為2, 實際上就是圖12中的中砂層。HydriiEs-!I) - Pr口file .O |X斯 丁.Conditions2.在剖面底部點擊鼠標左鍵此如3 J右"卜角是鼠標圖18再就是確定根系隨深度的分布，根系分布函數(shù)b(x)是一個很特殊的函數(shù)，它滿足以下條件其中LR為根系層厚度，x是深度；z是節(jié)點間距，bn是每個間距中的根系分布函數(shù) 值，M是根系層占節(jié)點數(shù)。本算例中根系層的厚度為1 m,假設根系分布函數(shù)為線性， 并有b(x) 2x,x1容易證明上式滿足積分為1的條件。設置方法為，選擇菜單Conditions/ RootDi

32、stribution ,在在下拉工具條中使用Edit condition ,劃定根系層范圍(100 cm),把頂部數(shù)值設置為0,底部數(shù)值設置為2,讓程序自動進行線性差值Conditions川TiQ圖19下一步處理初始條件，選擇菜單 Conditions/ Initial Condition 。本算例中初 始地下水位高于底板100 cm,假設土壤剖面初始狀態(tài)是靜力平衡態(tài)，則模型底部的 壓力水頭為+100 cm,地面的壓力水頭為 200 cm。使用Edit Condition 工具條，分 別設置頂部和底部的壓力水頭，并讓程序自動插值形成初始條件。最后，選擇菜單 Conditions/ Observation Points ,使用Insert 工具條添加若 干觀察點，有必要在靠近模型底部的位置加一個觀察點以判斷地下水位的變化。關(guān) 閉圖形程序退回主程序。17 .編輯土壤剖面一一使用表格在前處理窗口雙擊 Soil Profile- Summary 工具條，程序?qū)棾鲆粋€表格（圖 20）。在這個表格中可以進一步修改土壤剖面數(shù)據(jù)。圖2018 . 運行模型我們已經(jīng)把所