HYDRUS-1D 软件应用

马文翠

软件简介

HYDRUS-1D 是美国农业部盐渍土实验室开发的模拟非饱和土壤中的水、热、溶质运移的软件，它在模拟土壤中水分运动、盐分、污染物 ( 如农药 ) 和养分 ( 如土壤氮素 ) 运移方面得到广泛应用。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。

问题描述

根系层

1. 细砂壤土

2. 中砂1

m

1.5 m

1.5 m

以天津一块农田为背景，对2012 年冬小麦收割期农田尺度下土壤水分运动进行数值分析

土壤剖面从地面算起的深度： 300cm

土壤分层：分两层 准备模拟哪个时间段水分变

化： 0~30d 根系分布： 1m 初始地下水位：地面以下 6

m

软件界面

前处理 后处理模拟计算

主要过程

水分运移方程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 Richards方程：

式中： θ 为含水率； k （ θ ）为水力传导度： h为负压水头； S 为植物根系吸水量，对裸露区为 0 。

( 1)h

K St z z

几何信息

模型有 2 个土层

长度单位是 cm

土壤剖面的深度是 300 cm

土壤分区长度 [L]分区水量 [L]

流入或流出量 [LT-1]平均压力水头 [L]

实际表面通量 [LT-1] ( 入渗 / 蒸发 : -/+)剖面底实际通量 [LT-1] ( 流入 / 出 : +/-)

整个区域的水质量平衡绝对误差 [L]整个区域的水质量平衡相对误差 [%]

质量平衡信息

输出信息

输出 5 组结果，每 6 天一组

选择输出时间点

迭代参数

最多迭代次数含水量迭代精度

压力水头迭代精度

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

最小吸力间距最大吸力间距

用于生成水分特征曲线的散点值

上、下边界条件

定压力水头定通量

大气边界，可积水大气边界，产流

变水头变水头 / 通量

定压力水头定通量变水头变通量

自由排水深度排水

渗透面水平排水

初始条件使用压力水头

使用含水量

输入 Etp 和 LAI

消光系数最大积水厚度

消光系数

利用比尔定律计算消光系数 :

式中： TPAR 是冠层底测得的瞬时光合有效辐射 (μmol·m-2·s-1) ，PAR 是冠层顶测得的瞬时光合有效辐射， LAI 是观测日的叶面积指数。 利用冠层上、下测得的光合有效辐射资料，根据其变化规律拟合方程求积分，得到入射 PAR 的日总量 (μmol·m-2·d-1) 和透射的PAR日总量，再根据当日的叶面积指数来计算日平均消光系数。

定义：植物群体的日同化量大都表示为冠层截获光合有效辐射(PAR) 量的函数，而群体对 PAR 的截获量可通过到达冠层顶部的 PAR 在通过作物群体时的衰减进行计算，衰减程度用消光系数 (K) 表示。它取决于太阳角度、植被类型及叶片空间分布特征。

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（ 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。

潜在蒸散量处理

上边界通量各项通量随时间变化

0

0. 5

1

1. 5

2

2. 5

3

3. 5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

t i me(d)

通量

cm/d降水量（ ）LAIETp(cm/d)

随时间变化边界条件

即地面土壤达到最干燥状态时的压力水头。理论上，土壤十分干燥时，吸力很大，而液态孔隙水的压强很小，与空气湿度保持平衡关系，有

hA 为最小压力水头， Hr 为空气绝对湿度， RT/Mg 为空气的摩尔气体常数。公式需要近地面空气湿度，一般可取饱和水汽湿度，因 2 cm 以下土壤空气湿度往往饱和，随温度发生变化，可据近地面气温变化推算地表土壤空气湿度，再换算成压力水头。 HYDRUS 中需输入 hA的绝对值，缺省值为

hCritA=|hA|=106 cm 此数值只对土壤蒸发起作用。建议： hCritA 对应的土壤含水量

应至少比残余含水量大 0.005，在模拟根系吸水时， hA 还应低于 P3 。否则，当根系吸水的临界压力水头和地面蒸发的最小压力水头满足时 , 会导致回流现象，不合理。

最小压力水头值 (hCritA)

时间信息

时间单位时间步长信息

模拟 30 d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

自 动处理蒸腾量在每天24 小时内的变化

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% 。

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 （ cm/d ），则

pT

蒸腾量处理

土壤水力模型

单孔介质模型

双重介质模型双重孔隙度 双重渗透性

吸湿和疏干滞后过程模型

主要在溶质运移问题中使用

van Genuchten-Mualem公式处理水分特征曲线

θs – 饱和含水量 [-]θr – 残余含水量 [-]a, m, n ， l- 经验参数 [1/L], [-], [-], [-]Se – 有效含水量 [-]Ks – 渗透系数 [L/T]K (h) – 压力水头为 h 时的非饱和导水率 [L/T]

水力参数

编号 r s (cm1) n Ks (cm/d) l

土壤数据库

Sandy loam

sand

θr ： 土壤残余含水量θs ： 土壤饱和含水量Alpha 、 N：土壤持水函数中的参数 [L-1]Ks ：饱和导水率，即渗透系数 [LT-1]l：　导水函数中的曲度参数 [-]

神经网络预测模块

99-101%

0.5-2.0

0.0-1.0

根吸水

水分胁迫模型

盐分胁迫模型

根系吸盐模型

补偿吸水域值（临界湿润度）

其中， S(x) 是吸水强度函数 (cm/(cm·d)) ， (h)是水分胁迫函数， b(x) 是根系吸水分配（密度）函数，描述根系吸水的空间变异， Tp是潜在蒸腾量(cm/d) ， Ta 是实际蒸腾量 (cm/d) ， h 为土壤压力水头 (cm) ， LR 为根系层的深度。

根吸水模型

根吸水参数

P3 P2L P2H Popt P0压力水头 (pressure head, cm)

=1

=0

r2H

r2L

数据库

吸水强度(cm/d)

胁迫函数

两个临界吸水强度

确定根系随深度的分布， b(x)满足：

其中， LR 为根系层厚度 , x是深度。本算例中根系层厚度 1 m ，假设根系分布函数为线性，并有

, x1容易证明上式满足积分为 1 的条件。选择 Conditions

/ Root Distribution，使用 Edit condition，划定根系层范围 (100 cm) ，顶部数值设为 0 ，底部设为 2 ，让程序自动进行线性差值。

xxb 2)(

根系吸水分配函数 b(x)

根系分布

根系分布函数

使用工具条

ConditionsRoot Distribution

初始条件选择 Conditions/ Initi

al Condition。本算例中初始地下水位位于地下 600 cm ，假设土壤剖面初始状态是静力平衡态，则模型底部压力水头为 -300 cm ，地面压力水头为 -600 cm 。使用 Edit Condition，设置顶部和底部压力水头，并让程序自动插值形成初始条件。

加入观察点

选择 Conditions/ Observation Points ，使用 Insert 工具条添加若干观察点。

土壤剖面数据汇总

运行模型，查看结果

-20000

-16000

-12000

-8000

-4000

0

0 5 10 15 20 25 30

Time [days]

N1

N2

N3

N4

N5

Observation Nodes: Pressure Heads

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0 5 10 15 20 25 30

Time [days]

N1

N2

N3

N4

N5

Observation Nodes: Water Content

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

Theta [-]

T0

T1

T2

T3

T4

T5

Profile Information: Water Content

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

-20000 -16000 -12000 -8000 -4000 0

h [cm]

T0

T1

T2

T3

T4

T5

Profile Information: Pressure Head

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 800 1600 2400 3200 4000

|h| [cm]

M1

M2

Hydraulic Properties: Theta vs. h