Hydrus1D簡明使用手冊

HYDRUS-1D簡明手冊PAGEPAGE17HYDRUS-1D簡明手冊用HYDRUS-1D模擬剖面變飽和度地下水流（簡明手冊）目錄1.如何獲取HYDRUS-1D 22.版權(quán)聲明 23.參考資料 24.HYDRUS-1D的WINDOWS界面 25.設(shè)計模型 36.使用HYDRUS-1D創(chuàng)建模型 47.輸入模型控制信息 58.水流模型——迭代計算參數(shù) 69.水流模型——土壤水力特性模型 710.水流模型——土壤水分特征曲線 711.水流模型——邊界條件 812.水流模型——定水頭或通量邊界設(shè)置 913.根系吸水——吸水模型 914.根系吸水——水分脅迫參數(shù) 1015.輸入可變邊界條件的信息 1016.編輯土壤剖面——使用圖形界面 1117.編輯土壤剖面——使用表格 1318.運行模型 1419.察看結(jié)果 1420.輸出結(jié)果 14

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(zhì)運移和熱運移。本手冊只介紹應(yīng)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-1DHYDRUS-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HYDRUS-1D，應(yīng)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(yīng)目前HYDRUS-1D的最高版本。2.版權(quán)聲明HYDRUS-1D的作者為:(1)J.Simunek,DepartmentofEnvironmentalSciences,UniversityofCaliforniaRiverside,Riverside,California,USA.(2)M.Sejna,PCProgress,Prague,CzechRepublic.(3)M.Th.vanGenuchten,DepartmentofMechanicalEngineering,FederalUniversityofRiodeJaneiro,RiodeJaneiro,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(guān)的科學(xué)和教育工作。當(dāng)你運行H1D_4_14.exe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Setup.exe可執(zhí)行文件。運行這個文件即可安裝HYDRUS-1D軟件。當(dāng)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，在軟件運行目錄下有HYDRS-1DManual.pdf文件。從這個文件您可以了解到HYDRUS-1D的一些技術(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：?im?nek,J.,M.Th.vanGenuchten,andM.?ejna,DevelopmentandapplicationsoftheHYDRUSandSTANMODsoftwarepackages,andrelatedcodes,VadoseZoneJournal,doi:10.2136/VZJ2007.0077,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),587-600,2008.Jacques,D.,J.?im?nek,D.Mallants,andM.Th.vanGenuchten,Modelingcoupledhydrologicalandchemicalprocesses:Long-termuraniumtransportfollowingmineralphosphorusfertilization,VadoseZoneJournal,doi:10.2136/VZJ2007.0084,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),698-711,2008.?im?nek,J.andM.Th.vanGenuchten,ModelingnonequilibriumflowandtransportwithHYDRUS,VadoseZoneJournal,doi:10.2136/VZJ2007.0074,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7(2),782-797,2008.這些文獻都可以從下載。4.HYDRUS-1D的WINDOWS界面運行HYDRUS-1D，可以看到一個Windows的界面如下：前處理工具前處理工具后處理工具模擬計算圖1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(nèi)容選項模擬內(nèi)容選項幾何形狀參數(shù)及剖面方式時間信息輸出方式水流——迭代求解控制參數(shù)水流——土壤水分特征模型水流——土壤水分特征曲線參數(shù)水流——邊界條件溶質(zhì)運移——一般信息溶質(zhì)運移——運移參數(shù)溶質(zhì)運移——化學(xué)反應(yīng)參數(shù)溶質(zhì)運移——邊界條件根系吸水——模型根系吸水——水分脅迫函數(shù)可隨時間變化的邊界條件土壤剖面——圖形界面土壤剖面——數(shù)據(jù)列表圖25.設(shè)計模型在使用HYDRUS-1D之前，您需要對飽和-非飽和水流模擬的基本原理有所了解，并設(shè)計出自己想做的模型，準(zhǔn)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，準(zhǔn)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。下面是一個參考模型的設(shè)計圖:時間時間E0降水量根系層1.細砂壤土30d2.中砂初始潛水面隔水底板1m1.5m1.5m1m圖36.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”C\ATOOLS\HYDR1D\Projects”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(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之后，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)。模型有2個土層模型有2個土層長度單位是cm土壤剖面的深度是300cm圖7接下來輸入時間信息，在前處理窗口雙擊TimeInformation，會彈出一個對話框（圖8）。時間單位時間單位時間步長信息模擬30d內(nèi)的變化上邊界是隨時間變化的，每天一組數(shù)據(jù)，共30組數(shù)據(jù)自動處理蒸騰量在每天24小時內(nèi)的變化圖8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，下面簡要加以說明：(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(shè)某天的潛在蒸騰量為（例如用Pemman公式獲取的,cm/d），則其中Tp(t)是瞬時潛在蒸騰量，t為時間。模型假設(shè)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。(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(nèi)的平均降雨量。(3)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(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(shè)置。在前處理窗口雙擊PrintInformation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組結(jié)果，每天1組輸出30組結(jié)果，每天1組可以確定需要輸出哪些時間點的結(jié)果圖98.水流模型——迭代計算參數(shù)HYDRUS-1D是采用迭代法來處理非線性Richards方程的。在前處理窗口雙擊WaterFlow-IterationCriteria工具條，彈出一個設(shè)置迭代參數(shù)的對話框（圖10）。迭代控制參數(shù)的設(shè)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。如果模擬結(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。最多迭代次數(shù)最多迭代次數(shù)含水量迭代精度壓力水頭迭代精度增大步長迭代次數(shù)信號縮小步長的迭代次數(shù)信號步長增大比例步長縮小比例最小吸力間距最大吸力間距用于生成水分特征曲線的散點值圖10HYDRUS-1D采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(dāng)增大時間步長。9.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提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WaterFlow-SoilHydraulicProperties工具條，彈出一個設(shè)置水力特性模型的對話框（圖11）。單孔介質(zhì)模型單孔介質(zhì)模型雙重介質(zhì)模型雙重孔隙度雙重滲透性吸濕和疏干滯后過程模型主要在溶質(zhì)運移問題中使用圖11在一般情況下，選擇單孔介質(zhì)模型，并選擇用vanGenuchten-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(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。10.水流模型——土壤水分特征曲線在前處理窗口雙擊WaterFlow-SoilHydraulicParameters工具條，彈出一個設(shè)置水分特征曲線參數(shù)的對話框（圖12）。本例中選擇vanGenuchten-Mualem公式處理水分特征曲線，其中,n,l均為控制因子。HYDRUS-1D軟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(yīng)Sandyloam，第二層對應(yīng)sand。編號編號rs(cm1)nKs(cm/d)l土壤數(shù)據(jù)庫細砂壤土中砂圖12在輸入?yún)?shù)時，請注意參數(shù)的單位。11.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13）。地面邊界類型地面邊界類型定壓力水頭定水分通量大氣邊界,可積水大氣邊界,產(chǎn)流變水頭變水頭和通量初始條件使用壓力水頭使用含水量下端邊界類型定壓力水頭定水分通量變地下水位變流量自由下滲排水滲出面水平排水大氣邊界基于ETp和LAI消光系數(shù)最大積水厚度圖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)生積水。植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D推薦使用一個經(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(Soilcoverfraction)。在闊葉植被發(fā)育的情況下，消光系數(shù)的經(jīng)驗值為k=0.5-0.75。12.水流模型——定水頭或通量邊界設(shè)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WaterFlow-ConstantBC工具條，彈出一個設(shè)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）。水分脅迫模型水分脅迫模型鹽分脅迫模型根系吸鹽模型補償吸水域值（臨界濕潤度）圖14HYDRUS-1D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/(cm.d)，注意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(2.22)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(yīng)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水，HYDRUS-1D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RootWaterUptake-WaterStressReduction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。PP3P2LP2HPoptP0壓力水頭(pressurehead,cm)=1=0r2Hr2L數(shù)據(jù)庫吸水強度(cm/d)脅迫函數(shù)兩個臨界吸水強度圖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理窗口雙擊VariableBoundaryConditions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(dāng)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，Hr為空氣絕對濕度，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。一般情況下，取飽和水汽濕度是可取的，因為2cm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-1D中需要輸入的是最小壓力水頭的絕對值，缺省值為hCritA=|hA|=106cm=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)該至少比殘余含水量大0.005，在模擬根系吸水的情況下，hA還應(yīng)該低于圖15中的P3。否則（hA>P3），當(dāng)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(dǎo)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)LAI100.51000002.11600.41000002.1200.61000002.11700.61000000.3300.41000002.21800.71000000.3400.51000002.21900.71000000.3500.51000002.22000.71000000.3600.51000002.22100.71000000.3700.31000002.32200.61000000.380.70.11000002.32300.51000000.3900.41000002.3240.30.21000000.31000.51000002.3252.30.11000000.31100.61000002.2261.10.11000000.31200.41000002.2270.50.11000000.31330.11000002.22800.41000000.31400.51000002.12900.71000000.3150.50.21000002.13000.71000000.3數(shù)據(jù)可以先在Excel中準(zhǔn)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——使用圖形界面在前處理窗口雙擊SoilProfile-GraphicalEditor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3m，我們希望節(jié)點間距達到1cm，因此需要301個節(jié)點。選擇菜單Conditions/ProfileDiscretization，在下拉工具條中把Number修改為301。土壤剖面分成31個節(jié)點，則節(jié)點間距為10cm土壤剖面分成31個節(jié)點，則節(jié)點間距為10cmConditionsProfileDiscretizationMaterialDistributionRootDistributionScalingfactorInitialConditionsSubregionsObservationPointsConditions菜單剖分節(jié)點土壤巖性分層根系分布尺度因子初始條件子區(qū)分布觀察點修改節(jié)點數(shù)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/MaterialDistribution，在下拉工具條中使用Editcondition，把下部土壤層設(shè)置index=2，這個土層編號為2，實際上就是圖12中的中砂層。設(shè)置2層設(shè)置2層土壤巖性編號1.點擊工具條2.在剖面底部點擊鼠標(biāo)左鍵再放開，從下往上移動鼠標(biāo)，選定土層范圍，然后再點擊鼠標(biāo)左鍵，修改土層編號修改節(jié)點數(shù)右下角是鼠標(biāo)所在的z坐標(biāo)高度ConditionsMaterialDistribution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1m，假設(shè)根系分布函數(shù)為線性，并有,x1容易證明上式滿足積分為1的條件。設(shè)置方法為，選擇菜單Conditions/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，底部數(shù)值設(shè)置為2，讓程序自動進行線性差值。根系分布函數(shù)根系分布函數(shù)使用工具條ConditionsRootDist