HydrusD简明使用手册

1、用HYDRUS-1D模拟剖面变饱和度地下水流(简明手册)王旭升中国地质大学(北京)1. 如何获取 HYDRUS-1.D2. 版权声明3. 参考资料4. HYDRUS-1D的 WINDOWS面5. 设计模型6. 使用HYDRUS-1创建模型7. 输入模型控制信息8. 水流模型一一迭代计算参数 9. 水流模型一一土壤水力特性模型 10. 水流模型一一土壤水分特征曲线 11. 水流模型边界条件 12. 水流模型一一定水头或通量边界设置 13. 根系吸水一一吸水模型 14. 根系吸水水分胁迫参数 15. 输入可变边界条件的信息 16. 编辑土壤剖面一一使用图形界面 17. 编辑土壤剖面一一使用表格 1

2、8. 运行模型19. 察看结果20. 输出结果 HYDRUS-1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 HYDRUS1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-1 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-1,D应先注册成为用户，然后下载 Hydrus-1D的安装文件： H1D_4_14.exe=这个文件对应目前 HYDRUS-1的最高版本。2. 版权声明HYDRUS-1D的作者为:(1) J. Simunek, Depar

3、tment of Environmental Sciences, University of California Riverside, Riverside, California, USA.(2) M. Sejna, PC Progress, Prague, Czech Republic.(3) M.Th. van Genuchten, Department of Mechanical Engineering, Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.感谢他们提供了一个如此精美而又免费使用的专业软件，帮助我们从

4、事有关的科学和 教育工作。当你运行H1D_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-1软件。当您安装HYDRUS-1D寸，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HYDRUS-1D安装之后，在软件运行目录下有 HYDRS-1D Manual.pdf文件。从这个文件 您可以了解到HYDRUS-1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考。用户还可以参考

5、以下文献： ?im?nek, J., M. Th. van Genuchten, and M. ?ejna. Development and applications of the HYDRUS and STANMOD software pac kages, and related codes, Vadose Zone Journal, doi:10.2136/VZJ2007.0077, Special Issue” VadoseZone Modeling ” , 7(2), 587-600, 2008. Jacques, D., J. ?im?nek, D. Mallants,and M.

6、Th. van Genuchten, Modeling coupled hydrological and chemicalprocesses: Long-term uranium transport following mineral phosphorus fertilization, Vadose Zone Journal, doi:10.2136/VZJ2007.0084, Special Issue ” Vadose Zone Modeling ” , 7(2), 698-711,2008. ?im?nek, J. and M. Th. van Genuchten, Modeling n

7、onequilibrium flow and transport with HYDRUS, VadoseZone 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 WINDOW界面运行HYDRUS-1,D可以看到一个Windows的界面如下: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。1IYDRUS-1D - ROOTU卩TKD|嘲=l 列电旧|

8、E| *|蜒问|E.ile View Pre-process i ng Calculation Results ROOTUPTKFre-ro cegsing Main Processed gX Georoetry InformationTime Infornjo.tiM.胃# Print Information 匚二1 Water Flow It era tian CrileriaWater Flow - Soil Hydraulic Property Model EZ2I Water Flew - Sail Hydraulic Pairame-ters I I Water Flow - Bo

9、undary ConditionsSolute Transport - General Inf口ErnsticinIW1 Solute Transport - Transport PararetersSolute Transport - Reaction Par Meters 呼回 Solute Transport Boundary Conditions 堂 Root Water Uptake 一 Models 觀 Root Water Uptake Water Stress ReductionVariable Boundary ConditionsI空I Eail Prafile Graph

10、ical Editor 1切 Soil Profile 一 Summary 模拟内容选项几何形状参数及剖面方式时间信息 输出方式 水流 水流 水流 水流 溶质运移 溶质运移 溶质运移 溶质运移 根系吸水 根系吸水迭代求解控制参数 土壤水分特征模型 土壤水分特征曲线参数 边界条件一般信息运移参数 化学反应参数 边界条件模型 水分胁迫函数可随时间变化的边界条件 土壤剖面图形界面 k 土壤剖面一一数据列表For Kelp, pre-s Fl图25. 设计模型在使用HYDRUS-1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

11、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：51Vm51-E)降水量30 d根系层1.细砂二时间初始潜水面2.中砂隔水底图36.使用HYDRUS-1创建模型打开HYDRUS-1软件，选择” File/new ”菜单，新建一个模型。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，HY

12、DRUS-1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” CATOOLSHYDR1DProjectS中除了 test目录之外，还有一个 test.hld 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口(图5)。由于是新模型，还没有任何模拟结果，所以后处理窗口是空白的。图57输入模型控制信息首先，在前处理窗口双击Main Processes，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

13、选中Root Water Uptake，表示想处理根系吸水问题。电 击OK之后，前处理窗口将增加处理根系吸水的工具条。图6下一步，是输入模型的几何信息和土层划分信息。在前处理窗口双击GeometryIn formation ，在弹出的对话框中输入如图 7所示的数据。模型有2个土层长度单位是 cm +土壤剖面的深寸度是300 cm图7接下来输入时间信息，在前处理窗口双击Time In formation ，会弹出一个对话框(图8)。时间步长信息模拟30 d内的变化时间单位卅自动处理蒸 腾量在每天 24小时内的 变化上边界是随时间 变化的，每天一 组数据，共30组数据图8这个对话框中提供了一些灵活

14、的选项来处理上边界条件的变化，下面简要加以说明：(1) 蒸腾量的每日周期变化HYDRUS-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Tp (例如用Pemma公式获取的,cm/d ),则其中Tp(t)是瞬时潜在蒸腾量，t为时间。模型假设早上6点之前以及晚上18点-24点的蒸 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/d。(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-1也可以用一个公式来处理其中P是周期1内的平均降雨量。(3) 使用气象数据也可以在HYDRUS-1中输入气象数据，它将自动利用这些数据计算潜在蒸散

15、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、湿度之类的气象数据。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。在前处理窗口双击PrintIn formation 工具条，弹出一个对话框。本例中确定输出30组模拟结果，每天输出1组。Pr i nt Inf ormaticinPrint OptionsPrint 蓮l RegularTine Inltrval： It 两 Ser+tii| Print Fluxes gmtwcl oE Top) for DberTition Jfcd.es Hl!ki

16、Eitd?可以确定需要输岀哪些时间点的结果输出30组结号果，每天1组Fr ust TintsFrini tmitsPrint Tir)4i图98.水流模型一一迭代计算参数HYDRUS-1是采用迭代法来处理非线性Richards方程的。在前处理窗口双击 WaterFlow- 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，需要对最大迭代次数、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。I terat i on Cri ter i a最多迭代

17、次数含水量迭代精度压力水头迭代精度Iter at ii-on Cr a tar i taiKifhWh Humber 巾E I teruli Oils0 WI!e Head TLeranceTifii Slej Control就 Optimal倉电ILower Time VlqlUpliFast or1OTD0Upper Limi I of Ih电 Tensi Interval最小吸力间距 最大吸力间距增大步长迭代次数信号 缩小步长的迭代次数信号 步长增大比例 步长缩小比例tfppa-r Optimal Iter b.1 i on RaifUpper Time Step Hulliipli c

18、atian FactorIn.-t4rn.bJL Int ifiiTp ol at i qti TablE1 -0Q6Limi t q tK*1 qtl 瓏tEE门用于生成水分特征曲线的散点值图10HYDRUS-1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敛精度，则适当增大时间9.水流模型一一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-1提供了几种方法来处理与之有关的参数。在前处理窗口双击 Water Flow- Soil Hydraulic Properties工具条，弹出一个设置水力特

19、性模型的对话框（图 11）。Soil Hydiaulic Model单孔介质模型双重介质模型 双重孔隙度 双重渗透性if fe 4*4 rvi 旺拿神i Brooks-Coerty 厂 CEUi LorTianiiLD-Qil-Porosi ty/Ihwl-FEni-tftbLli 切 Modelsf DtidJ-pdtbELly CDuyii.4!f3 晶U. V-Ui rUULth.t#Ti III址心女旺i r DmlTor &5.i ty Gioibi le*i mbiil#, mler c. rikss tr-uisfft 广 Dl-pgr vii tyl3Jil for N.pet

20、f L ACLCAdC Oail-pcrnei.Ei 1 l ty iiiirati c ave jtixubti on)C DttAlBpdtikA-kl!& 1 l ty *rkt utdGwiuaehl網 1993) L厂 Leakr-ap TabLea-Krdr kuL l cvktl twjch.t tai _ Mualwil With iitf-Entr?of 2 tn主要在溶质运移 问题中使用吸湿和疏干滞后过程模型KysttrisisC Hy5ttrEi5 iiiL 电tmti.辺 curve Kyst ett;15 in ret tnii curv-e md! iandacli

21、i tyi KEsimni m rvtm-|;ii curve Mapint P嘗I L心crr r图11在一般情况下，选择单孔介质模型，并选择用van Gen uchte n-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.水流模型一一土壤水分特征曲线在前处理窗口双击 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）。本例中选择van Ge

22、nuchten-Mualem公式处理水分特征曲线， 其中：，n, I均为控制因子。HYDRUS-1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细砂壤土中砂图12在输入参数时，请注意参数的单位。11. 水流模型边界条件在前处理窗口双击 Water Flow- Boundary Conditions工具条，弹出一个设置边界条件的对话框（图13）。Water Flow Boundary Condi. . .地面边界类型定压力水头定水分通量大气边界，可积水大气边界，产流变水头变水头和通量下端边界类型定压力水头

23、定水分通量变地下水位变流量自由下渗排水渗出面水平排水Lew er Boundary Condi ti oa 厂 Courtstant Pressm-e Keai (* Consunt FluxV：=Lt i able Pres sure HeadVari atle FluxFree DrainageDeep Drainage tpFast: h1- Kori zuntal DrainsUpper BDundary Conidi lionPressore Head1- Constant FluxP3),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(hA)满足时,会 导致回流(inf

24、low)现象，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)降水量(cm/d)ETp(cm/d)hCritA(cm)LAI时间(d)降水量(cm/d)ETp(cm/d)hCritA(cm)LAI100.51000002.11600.41000002.1200.61000002.11700.61000000.3300.41000002.21800.71000000.3400.51000002.21900.71000000.3500.51000002.22000.71000000.3600.51000002.22100.71000000.3700.3100

25、0002.32200.61000000.380.70.11000002.32300.51000000.3900.41000002.3240.30.21000000.31000.51000002.3252.30.11000000.31100.61000002.2261.10.11000000.31200.41000002.2270.50.11000000.31330.11000002.22800.41000000.31400.51000002.12900.71000000.3150.50.21000002.13000.71000000.3数据可以先在Excel中准备好，如表1。这些数据可以拷贝到

26、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日由于庄稼收割，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口双击 Soil Profile- Graphical Editor工具条，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3m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/ ProfileDis

27、cretization，在下拉工具条中把Numbe修改为301。ConditionsProfile DiscretizationMaterial DistributionRoot DistributionScaling factorInitial Conditions SubregionsObservation PointsConditions 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* 盯；F Condi11 Uydrusl） Prof i le130EditIjiE4t fiMtd土壤剖面分 成31个节点， 则节点间距为 10 cm图17接下来，确定土层的分布，本模型

28、有 2个土层。缺省的土层编号为index=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。ConditionsMaterial Distribution1.点击工具条2.在剖面底部点击鼠 标左键再放开，从下往 上移动鼠标，选定土层 范围，然后再点击鼠标 左键，修改土层编号z坐标高度设置2层土 壤岩性编图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，它满足以下条件其中LR为根系层厚

29、度，x是深度；：z是节点间距，bn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 , x ：1容易证明上式满足积分为1的条件。设置方法为，选择菜单Con ditio ns/RootDistribution，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。ConditionsRoot Distribution使用工具条Kcot E lilLAGir dll 5卩ITop waIuciBoltonrUtt top 也“ f

30、ur bMhC Eirical图19_ ItixXConditionS=口Hydrus-ID Prof ile InfDma.i ion根系分布 函数EHii GQpfca sib 出Pa ul-iti h nlf t a a k k /|q|下一步处理初始条件，选择菜单 Conditions/ InitialCondition。本算例中初始地下水位高于底板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工具条，分别设置顶部和底部的压力水头，并让程序自动插值形成初始条件。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. 编辑土壤剖面一一使用表格在前处理窗口双击 Soil Profil