Hydrus1D简明使用手册.docx
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Hydrus1D简明使用手册
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
中国地质大学(北京)
RiodeJaneiro,RiodeJaneiro,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-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
HYDRUS-1D安装之后,在软件运行目录下有HYDRS-1DManual.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考。
用户还可以参考以下文献:
∙Šimůnek,J.,M.Th.vanGenuchten,andM.Šejna,DevelopmentandapplicationsoftheHYDRUSandSTANMODsoftwarepackages,andrelatedcodes,VadoseZoneJournal,doi:
10.2136/VZJ2007.0077,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7
(2),587-600,2008.
∙Jacques,D.,J.Šimůnek,D.Mallants,andM.Th.vanGenuchten,Modelingcoupledhydrologicalandchemicalprocesses:
Long-termuraniumtransportfollowingmineralphosphorusfertilization,VadoseZoneJournal,doi:
10.2136/VZJ2007.0084,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7
(2),698-711,2008.
∙Šimůnek,J.andM.Th.vanGenuchten,ModelingnonequilibriumflowandtransportwithHYDRUS,VadoseZoneJournal,doi:
10.2136/VZJ2007.0074,SpecialIssue”VadoseZoneModeling”,7
(2),782-797,2008.
这些文献都可以从http:
//www.pc-下载。
4.HYDRUS-1D的WINDOWS界面
运行HYDRUS-1D,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。
图2
5.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:
图3
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。
在name一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”C\ATOOLS\HYDR1D\Projects”中除了test目录之外,还有一个test.h1d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5
7.输入模型控制信息
首先,在前处理窗口双击MainProcesses,在弹出的对话框中输入模型的描述:
atestmodel.然后在Simulate一栏中选中RootWaterUptake,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GeometryInformation,在弹出的对话框中输入如图7所示的数据。
图7
接下来输入时间信息,在前处理窗口双击TimeInformation,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,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(例如用Pemman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-1D也可以用一个公式来处理
其中是周期∆t内的平均降雨量。
(3)使用气象数据
也可以在HYDRUS-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PrintInformation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。
图9
8.水流模型——迭代计算参数
HYDRUS-1D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-IterationCriteria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。
图10
HYDRUS-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敛精度,则适当增大时间步长。
9.水流模型——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。
在前处理窗口双击WaterFlow-SoilHydraulicProperties工具条,弹出一个设置水力特性模型的对话框(图11)。
图11
在一般情况下,选择单孔介质模型,并选择用vanGenuchten-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
在前处理窗口双击WaterFlow-SoilHydraulicParameters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vanGenuchten-Mualem公式处理水分特征曲线,
其中α,n,l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Sandyloam,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——边界条件
在前处理窗口双击WaterFlow-BoundaryConditions工具条,弹出一个设置边界条件的对话框(图13)。
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,上边界选择大气边界条件,在降雨量很大时地表可以产生积水。
植被蒸腾量和土壤蒸发量分开处理,HYDRUS-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:
其中ETp为潜在蒸散量(可以使用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,k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(Soilcoverfraction)。
在阔叶植被发育的情况下,消光系数的经验值为k=0.5-0.75。
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,则在前处理窗口双击WaterFlow-ConstantBC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
在前处理窗口双击RootWaterUptake-Models工具条,弹出一个处理根系吸水模型的对话框(图14)。
图14
HYDRUS-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
其中Tp是潜在蒸腾量(cm/d),Ta是实际蒸腾量(cm/d),S(x)是吸水强度函数(cm/(cm.d),注意x坐标实际表示深度),α(h)是水分胁迫函数,h为土壤压力水头(cm),b(x)是根系吸水分配(密度)函数,LR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h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hφ。
土壤的湿润度可以表示为
(2.22)
但是如果直接用这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,植被可以加大在比较湿润的土层的吸水量,以补偿不足。
这种现象称为补偿吸水。
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(ω>ωc),植被根系可以通过补偿机制充分吸水达到潜在蒸腾量。
如果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ωc=1。
14.根系吸水——水分胁迫参数
在前处理窗口双击RootWaterUptake-WaterStressReduction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Wheat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
在前处理窗口双击Variabl
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