HYDRUS 1D使用手册-以亭子口水库模拟为例

砂土 粘土 壤土 砂土
Example：如果研究的土壤如上图所示，长度单位选择 cm，则上述 4 个值分 别填入 3；4；1；200。 3、时间信息
时间单位可选择秒、分、小时、天、年。注意:此处选择的时间单位将是以
2m
后所有涉及时间量纲的量的默认长度单位。 时间离散框共有 5 个数值需要填。(1)模拟起始时间、(2)模拟结束时间、(3) 初始时间步长、(4)最小时间步长、(5)最大时间步长。前两项由模拟的需要而定。 后三项是控制迭代计算的时间步长参数，若填入的时间步长过大，很有可能导致 迭代结果不收敛；而填入的时间步长过小，会使得模拟耗费过多的时间。根据土 壤质地的复杂程度填入时间步长，若计算时出现不收敛或运算时间过长等情况， 再进行调整。 有一类边界条件是随时间变化的。 例如要模拟田间蒸发蒸腾条件下的土壤含 水量，就必须输入模拟时间段每天的蒸发量和蒸腾量。若是时变边界条件，需要 将 Time-Variable Boundary Condition 选中， 并填入一共有多少时变的边界条件记 录。 在 2009 年 11 月的 Hydrus-1D 新版本中， 增加了利用气象资料计算腾发量的 模块。可以选择腾发量的计算公式（彭曼-蒙特斯公式和哈格里夫斯公式及表层 能量平衡） ；气象数据可以输入，也可以由 Hydrus-1D 生成。 4、输出和打印选项
输出随时间变化的潜在的、实际的、累计的边界流量信息和水头等信息。具
体看 vertical 坐标的选择。 4、土壤非饱和水力性质(Soil Hydraulic Properties) 如前所述，土壤非饱和水力性质包括土壤负压-含水量的关系和土壤非饱和 水力传导读-负压（含水量）关系。这里横坐标可以选择负压，对数坐标的负压， 含水量；纵坐标可以选择负压，对数坐标的负压，含水量，有效含水量，水力传 导度，有效含水量等。
线不一致。一般选择不考虑滞后。 7、土壤水力参数
不同的水力模型就有不同的水力参数。对于 van Genuchten-Mualem 模型，有 α 、
n 、 θ r 、 θ s 、 K s 、 l 六个参数。其中 l 一般取 0.5。其他参数与土质、土壤结构等有关系。
参数取得是否合理和定解条件（初始条件和边界条件）是模拟是否能反映实 际的关键。 在土壤水力参数很难直接得知的情况下， 需要通过其他方法推求参数， 或是通过模拟结果与实际比较，来调节参数。 Hydrus-1D 自带了 12 种典型土壤的 van Genuchten 模型参数。如果知道了土壤 的质地（如粉砂壤土）就可以大致用自带的水力参数作为起点进行调节。如果知 道了土壤的颗粒分配（即粘粒、粉粒、沙粒各占的比例）和土壤容重，就可以大 致预测该土壤的 van Genuchten 模型参数。 8、上、下边界条件确定
可勾选的项有水流（Water Flow） 、溶质运移(Solute Transport)、热传导(Heat Transport)、根系吸水(Root Water Uptake)、根系生长(Root Growth)、反解(Inverse Solution)6 种计算模块。其中水流模块是计算其他模块的基础，因此是必选的， 也是默认勾选的。根据实际情况和计算的需要勾选计算模块。 2、模拟土壤的几何属性
在打印的选项中， T-level Information 一般是默认选中， 在代码计算的结果中 (后缀名为.out)，有专门存储如平均水头等信息的文件。下面填的数字就是每隔 几个时间步长输出一组这样的信息存在文件中。 Print at Regular Time Interval 是专门指定按固定时间间隔输出信息的。 Screen Out 如果选中，则在代码执行时，DOS 程序框中会快速闪现计算的过 程。 Print Fluxes for Observation Nodes：对设定的观察点输出流量，代替输出温 度。 Hit Enter at End： 选中后， 代码执行完毕，按 Enter 键才会关闭 DOS 计算框。
No. of Print Times：在指定时间专门输出水头、含水量等详细信息的个数。 具体的时间点可以选择。默认的有均匀分布时间点（default）和对数分布时间点 （default log） 。 5、迭代步长 此处主要涉及一些迭代控制的信息，一般不需要更改，按默认的值即可。
6、土壤非饱和wenku.baidu.com力模型
5、运行时间信息(Run-Time Information)
输出时间步长、迭代次数、累计迭代次数随计算时间变化的曲线。 6、均衡信息(Mass Balance Information)
判断进出控制体的流量等要素是否均衡。不是需要的结果，而作为判断计算 是否正确的一个手段。 （四）技巧提示 1. 软件中自带数个案例，可以参考。 2．前处理输入数据不清楚时，可以点击该对话框的 Help，有帮助说明；做
长度单位可以选择 mm，cm 或 m。注意:此处选择的长度单位将是以后所有 涉及长度量纲的量的默认长度单位。 输入项包含 4 个参数：
(1)土壤质地的种类； (2)土壤分层的数目； (3)土壤表层的倾斜程度，取值在 0 到 1 之间。 （土壤表层与水平面夹角的余 弦函数值。例如表层是水平时，取值为 1。 ） ； (4)所模拟土壤的厚度。
11、初始条件 通过表格设置的初始条件和根系分布比较精细。
12、模型运行
点击手形工具栏或者菜单栏上的 Calculation，出现上图所示对话框，点击 OK
便可以计算。计算时，会出现带有计算信息的 DOS 窗口。计算结束后，便可查看结果。
（三）运行结果 1、观察点信息（Observation Points）
三、使用指南
（一）初始界面 打开软件后的开始界面如图所示：
1 2
5
4 3
第一个图中是第一次打开软件的界面，还没有打开工程，仅有菜单栏(1)和 工具栏(2)；第二个图是打开了工程后的界面,其中工程的名字如图中(5)所示，并 增加了前处理(3) 和后处理(4)的界面。在前处理中按照提示一步一步输入数据； 在后处理中查看模拟结果，并相应生成图表。 （二）数据输入及运行 1、选择计算模块
其中，如前所述，有些边界条件是时变边界，需要输入时变的记录。 9、上、下边界条件数据输入
则上边界需要输入不同时刻的水 此例代表上下边界均选择变水头边界条件， 头；下边界需要输入不同时刻的地下水位（实际也是水头） 。 加入选择的是定水头或定流量等边界，则仅需要输入水头或流量的值。特别 的，隔水边界是一种流量为 0 的边界。 有些边界带有模型参数，如 Deep Drainage 边界。 10、土壤剖面-图像编辑器 剖面-图像编辑器可将模拟土层的离散划分、土壤质地划分、土壤亚区划分、 土壤初始的含水量（负压）等条件进行编辑，并用图像的形式显现出来。 在此步骤中选择菜单栏中的 condition，其下有 6 个选项。 Material Distribution 剖面离散 Root Distribution 根系分布 Scaling Factors 尺度因素 Initial Conditions 初始条件（初始的负压含水量分布等） Subregion Distribution 子区划分 Observation Nodes 设置观察点 其中在 2.模拟土壤的几何属性中，已经输入了土质的种类、土壤亚区的划分 数目等，这里还要指定土壤整个剖面中，亚区的起止范围及对应的质地。点击 Edit condition，然后在所示土柱中拖动鼠标进行编辑。 剖面离散这一项根据自己的需要，将土壤划分有限元计算单元。里面对 Edit Node 进行编辑，可以编辑节点数目，节点划分密度等。 设置观察点时，直接用鼠标在土柱需要观察的点进行左击。 设置初始条件和根系分布时，需要设定范围边界和边界点的值，再使值线性 分布。此处设置往往比较麻烦，一般下一步还可以设置。
目录
一、软件介绍 二、安装指南 三、使用指南
（一）初始界面 （二）数据输入及运行 （三）运行结果 （四）技巧提示
四、案例应用
（一）背景介绍 （二）模型校验(Model Validation) （三）保水方案分析（报告作业内容）
Hydrus 是美国盐土实验室开发的系列软件，用于计算模拟饱和-非饱和带的 水分运动和溶质运移。 系列软件分为 1 维、 2 维、 3 维三种， 分别命名维 Hydrus-1D、 Hydrus-2D、Hydrus-3D。 由于非饱和土壤水主要是 1 维垂向运动的形式， 因此 Hydrus-1D 的应用非常 广泛；加上学习 Hydrus-1D 的界面之后，再学习 Hydrus-2D、Hydrus-3D，符合 由易变难的学习规律。所以，本课程将重点放在 Hydrus-1D 的水分运动模拟上。对于
由于 Richards 方程中涉及含水量 θ 、负压 h ，非饱和水力传导度 K 这三个未 知量，所以必须补充两个关系式。由于负压 h 和饱和水力传导度 K 都是含水量 θ 的函数，有很多的模型来描述这两个关系。 模型分为两大类，单孔模型和多孔模型。最常用的是单孔模型中的 van
Genuchten-Mualem 模型。Hysteresis 表示滞后现象，即吸水和脱水并不是的负压-含水量曲
Hydrus-1D 使用手册
——以亭子口水库保水科学试验为应用案例
查元源 武汉大学水利水电学院 2009 年 12 月 12 日 作者邮箱：zhayuan87@126.com
参考文献：查元源，刘洁颖，伍靖伟，等. 亭子口水利枢纽低地垫高农田防护工程保水性能研究 ,长江科学院院报，2010, 27(4):1-5.
溶质运移及 Hydrus-2D、Hydrus-3D，同学们可在此基础上自学。
一、软件介绍
Hydrus-1D 是美国盐土实验室开发的，计算包气带水分、溶质运移规律的软 件， 用它可以计算在不同边界条件和初始条件下的数学模型。若将坐标原点选在 地面，取 z 轴向下为正，则一维饱和—非饱和带水分运移基本方程为：
如果设置了观察点， 则便可以输出观察点的水头、含水量等随模拟时间变化 的曲线。图中所示便是 5 个观察点的水头随时间变化的曲线。
2、剖面水头、含水率等计算结果（Basic Profile Information）
输出某几个指定时刻（由前面 Print time 设置）的水头、含水量等沿着 剖面的变化规律。如上图便是 4 个不同时刻的负压剖面。 3、边界流量水头信息（Boundary Water Fluxs and Pressure Heads）
边界条件的选取对模拟的结果的影响也非常关键。一共有如下边界：
上边界 Constant pressure head Constant flux Atmospheric boundary condition with surface layer Atmospheric boundary condition with surface run off Variable Pressure Head Variable Pressure Head/Flux 下边界 Constant pressure head Constant flux Variable pressure head Variable flux Free drainage Deep drainage Seepage face Horizontal drains 定水头 定流量 大气边界 带径流大气边界 变水头 变水头/流量 定水头 定流量 变水头 变流量 自由排水 深层排水 渗漏面 水平排水
∂θ ∂ ∂h = K (θ ) ( − 1) − S ∂t ∂z ∂z
(1)
式中：θ 为含水率；h 为负压水头；S 为植物根系吸水量，对裸露区为 0。
二、安装指南
第一步：安装界面； 第二步： 选择安装目录 （若以后不记得所建工程存放的目录， 可以打开软件， 选择 options 菜单寻找。 ） 第三步：修改存放名称； 第四步：安装进度显示条； 第五步：完成安装。