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)目录1. 如何获取HYDRUS-1D (2)2. 版权声明 (2)3. 参考资料 (3)4. HYDRUS-1D的WINDOWS界面 (4)5. 设计模型 (6)6. 使用HYDRUS-1D创建模型 (7)7. 输入模型控制信息 (7)8. 水流模型——迭代计算参数 (10)9. 水流模型——土壤水力特性模型 (11)10. 水流模型——土壤水分特征曲线 (11)11. 水流模型——边界条件 (12)12. 水流模型——定水头或通量边界设置 (13)13. 根系吸水——吸水模型 (14)14. 根系吸水——水分胁迫参数 (15)15. 输入可变边界条件的信息 (16)16. 编辑土壤剖面——使用图形界面 (18)17. 编辑土壤剖面——使用表格 (21)18. 运行模型 (22)19. 察看结果 (22)20. 输出结果 (23)HYDRUS-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.exe。

这个文件对应目前HYDRUS-1D的最高版本。

2. 版权声明HYDRUS-1D的作者为:(1) J. Simunek, Department 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-1D Manual.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：?im?nek, J., M. Th. van Genuchten, and M. ?ejna, Development and applications of the HYDRUS and STANMOD software packages, and related codes, Vadose Zone Journal, doi:10.2136/VZJ2007.0077, Special Issue ”Vadose Zon e Modeling”, 7(2), 587-600, 2008.Jacques, D., J. ?im?nek, D. Mallants, and M. Th. van Genuchten, 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 Modeling”, 7(2), 698-711, 2008.?im?nek, J. and M. Th. van Genuchten, Modeling nonequilibrium 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。

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——迭代求解控制参数图 25. 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 36. 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 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Geometry Information ，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，下面简要加以说明：(1) 蒸腾量的每日周期变化 时间模拟30 d 上边界是随时间变自动处理蒸腾量在土壤剖面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T（例如用Pemman公式获取的, cm/d），则p其中T p(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P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Print Information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。

可以确定需要输出30图 98. 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Water Flow- 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。

最多迭代次数增大步长迭代次数最小吸力间距用于生成水分图 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）。

双重介质模吸湿和疏干图 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 Genuchten-Mualem公式处理水分特征曲线，其中?, 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——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）。