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HYDRUS


Journal of Anhui Agri. Sci. 2011 , 39 ( 36 ) :22390 - 22393 安徽农业科学,

责任编辑

刘月娟

责任校对

卢瑶

HYDRUS-1D /2D 在土壤水分入渗过程模拟中的应用
汤 英, 徐利岗, 张红玲, 鲍

子云
( 宁夏水利科学研究所, 宁夏银川 750021 )

1D /2D 软件的特点及其组成, 摘要 介绍了 HYDRUS并以古尔班通古特沙漠融雪水入渗过程为例, 基于各项土壤物理特征参数, 应用 并以实测数据进行验证, 模拟效果良好。总结 该软件模拟了沙漠垄间及垄顶距树干不同距离处的土壤含水量随入渗时间的变化过程, 该软件的优点。 了模型应用步骤、 1D /2D; 入渗模拟; 融雪水; 土壤水含量; 古尔班通古特沙漠 关键词 HYDRUS中图分类号 S 152. 7 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611( 2011) 36 - 22390 - 04 Application of HYDRUS-1D /2D in Process of Soil Water Infiltration Simulation TANG Ying et al ( Scientific Research Institute of Water Conservancy of Ningxia,Yinchuan,Ningxia 750021 ) Abstract The character and the component of HYDRUS1D /2D software were introduced. And the process of snowmelt infiltration in Gurbantunggut desert was taken as an example. The change process of soil water content from the stem for different distances in thaw and longitudinal dune was simulated by the software of HYDRUS1D /2D. The results were tested by measuring data. And the simulation effect was good. Moreover,the operation steps and the advantage of the software of HYDRUS1D /2D were summarized. . Key words HYDRUS1D /2D; Infiltration simulation; Snowmelt; Soil water content; Gurbantunggut desert

入渗是指水分从土壤表面进入土壤内部形成土壤水的 过程。它是降水、 地面水、 土壤水和地下水相互转化的一个 属于广 重要环节。入渗过程是非饱和土壤水分的运动过程, 义渗流理论的研究范畴, 其基础为法国工程师 Darcy 提出的 达西定律 公式
[2 ] [6 ] [1 ]

1 1. 1

模型介绍 模型简介 HYDRUS1D /2D 是国际地下水模拟中心于

1999 年开发出的商业化软件[13]。该软件是一种用于分析水 是用 流和溶质在非饱和多孔隙媒介中运移的环境数字模型, 土壤物理参数模拟水、 热及溶质在两维非饱和土壤中的运动 一维( 二维) 的有限元计算机模型。该模型软件程序可以灵 包括定水头和变水头边界、 给定流 活地处理各类水流边界, 量边界、 渗水边界、 自由排水边界、 大气边界以及排水沟等。 对水流区域进行不规则三角形网格剖分, 控制方程采用伽辽 金线状有限元法进行求解, 对时间的离散均采用隐式差分, 并采用迭代法将离散化后的非线性控制方程组线性化。 HYDRUS1D /2D 采用 VG 模 对于非饱和土壤水力特性, 型进行描述, 并设定了一个假定, 即吸湿 ( 脱湿 ) 扫描线与主 吸湿( 脱湿) 曲线呈比例变化。运用比例程序, 将用户定义的 水力传导曲线与参考土壤相比较, 通过线性比例对其进行变 1D /2D 软 件 包 括 HYDRUS2D 主 程 序 模 块、 换。HYDRUSProject Manager 模块、 GEOMETRY 模块、 MESHGEN2D 模块、 BOUNDARY 模块、 HYDRUS1D /2D 模块及 GRAPHICS 模块 等 7 个基本模块。 1. 2 参数介绍及测定 选择参数就是间接估计非饱和土壤 水运动。典型的方法是减小目标函数预测值与实测值的差 距。描述系统就是解释流动方程的数字解法, 选择运动参数 和合适的初始条件、 边界条件。参数的选择根据数字方程需 1D /2D 允许 3 个分析模型的使用, 但非饱 求确定。HYDRUS和土壤的物理参数选择一致。 HYDRUS1D /2D 采用 van Genuchten 模型描述非饱和土 壤水力特性, 参数选择基于下式而定。 q ( h) =

。计算土壤水入渗的基本公式主要有 Kostiakov
[3 ]

、 Horton 公式

、 Philip 公式

[4 ]

、 Smith 公式

[5 ]

及蒋定生

公式

等。由于受观测条件、 手段的限制, 中外学者往往采
[7 ]

取模拟的方式来研究水分在土壤中的入渗过程。目前, 主要 有 SWAT ( Soil and Water Assessment Tool ) 模型 型
[8 ]

、 SWAP 模

、 LEACHM 模 型[9] 及 WAVE 模 型[10]。 此 外, HYDRUS

模型也被应用于分析水流和溶质在非饱和多孔隙媒介中的 运移过程。它是用土壤物理参数模拟水、 热及溶质在两维非 饱和土壤中的运动一维 ( 二维) 的有限元计算机模型。李洪 2D 对自然条件下土壤不饱和区中含水量分 利用 HYDRUS布进行了模拟
[11 ]

。SIMUNEK 等用 HYDRUS2D 软件计算了
[12 ]

土壤水和溶质运移参数, 并输出入渗函数 面的应用 工作。
[13 ]

。Simunek 等介

1D /2D 软件在非饱和土壤水力和溶质运移方 绍了 HYDRUS。这些研究成果显示, HYDRUS 模型能真实地 反映水分 入 渗 过 程, 可被应用于土壤含水量的前期预报 在干旱、 半干旱地区特别是在沙漠地区, 沙漠植被的种 类、 个体形态及其生理生殖调节适应类型, 吸收水分的方式、 用水策略及水分利用效率, 生物量的分配, 冠层和根系形态 结构都与水分息息相关。土壤水分是沙漠植物生长繁衍的 是极为重要的生态因子之一。入渗是沙漠水 主要水分来源, 分循环的重要环节。以冬季具有稳定积雪层的我国干旱区 — —古尔班通古特沙 唯一以固定与半固定沙垄为主的沙漠— 1D /2D 模 漠的融雪水入渗过程为例, 笔者研究了 HYDRUS型在土壤水分入渗过程模拟中的应用, 以期为对模型在不同 地区应用的修正及推广提供借鉴。
N210215 ) 。 宁夏自然科学基金项目 ( NZ10214 , 汤英( 1981 - ) , 女, 四川简阳人, 工程师, 硕士, 从事农田水 Email: tangying0925@ sina. com。 利及节水灌溉方面的研究 , 0914 收稿日期 2011基金项目 作者简介

{

θr + θs
l

θs - θr m [ 1 + | αh | n]
1/m

h < 0, m =1 - h≥0
2 ) ] n

1 , n >1 n ( 1) ( 2)

K ( h) = K s S e [ 1 - ( 1 - Se

q( h) 为土壤物理特征曲线; θr 土壤剩余含水率; θs 为土 式中, 壤饱和含水率; h 为压力水头; K( h) 为压力水头下的导水率; K s 为饱和导水率; α, n, m 和 l 为经验常数。

39 卷 36 期

汤 英等

HYDRUS1D /2D 在土壤水分入渗过程模拟中的应用

22391

土壤物理特征曲线参数主要有土壤基质势 ψm 、 土壤扩 散率 D( h) 、 土壤导水率 k ( h ) 、 土壤比水容量 C ( θ ) 、 饱和导 土壤颗粒级配、 土壤容重 γ、 土壤含水率 θ、 土壤孔隙 水率 Ks、 度。由于 K( θ) = D( θ) * C ( θ) , 而 C ( θ) 为土壤物理特征曲 C( θ) 获得。 线斜率的倒数, 土壤扩散率可根据 K( θ) 、 1. 3 边界条件设置 边界条件可分为给定水头边界、 给定 流量 边 界 及 混 合 边 界 条 件 3 类。 给 定 水 头 边 界, 也称 Dirichlet 边界, 发生在当地表形成积水, 以致地表有固定水头 或达到饱和含水率时; 或当地表强烈蒸发, 以致表土达到风 干含水率时的地表边界; 还可能发生在地下水埋深较大的深 可表示为: 层自由排水面, h( r , z, t) = h0 ( r, z, t ) 或 q( r , z, t) = q0 ( r, z, t) ( 3) h( r , z, t) , q( r , z, t ) 表示计算区域某一确定边界段上的 式中, z) 在 t 时刻的水头或含水率; h0 ( r, z, t) , q0 ( r, z, t ) 为一 点( r , 已知函数, 也可以为某一确定值, 即常数。 给定流量边界, 也称 Neumann 边界, 可表示为: - K?ψ = ε( r, z, t) ( r, z ) ∈Γ N ( 4) K 为边界导水率, 式中, 可以是负压水头 h 或含水率 θ 的函 z, t ) 为计算区域某确定边界段上 数; ?ψ 为水势梯度; ε ( r, ΓN 已知净流量函数。 混合边界条件即在计算区域某一确定边界段 ΓG 上已知 水头 h 与水势梯度?ψ 的线性组合, 可表示为: ?ψ + αh = β 式中, α, β 均为边界段 ΓG 上的已知函数。 2 2. 1 研究区概况及试验设计 研究区概况 古尔班通古特沙漠位于北疆准噶尔盆地 ( 5)

在选定的试验样地中, 从 3 月初融雪开始直至积雪全部 融化、 融雪水全部渗入土壤、 土壤湿润层深度趋于稳定为止 ( 约 4 月初) , 每 2 d ( 在融雪高峰期时每天取样 1 次 ) 取样 1 次。裸地取样纵深 0 ~ 100 cm, 每 10 cm 取样 1 次。在梭梭树 80、 120 cm 处, 距树干 40、 分别对 0 ~ 100 cm 土层每 10 cm 下, 取样 1 次。 在石河子大学水利水电学院, 利用压力膜仪测得土壤物 理特征曲线相关参数, 同时利用渗透仪测定土壤导水率 K ( θ) 及土壤剩余含水率等参数。在中国科学院新疆生态与地 理研究所, 利用 MasterSizer2000 激光粒度分析仪分析土壤颗 粒级配。 3 3. 1 模型应用 土壤特种曲线确定 在选定的沙垄中, 甄选出一条作

为典型采取土样, 将土样进行室内试验, 得出不同吸力条件 下土壤平均含水率。依据所得数据, 结合 van Genucheten 提 出的模型( 式 1) , 计算得出古尔班通古特沙漠土壤水分特性 曲线( 式 6) 。 1 + ( 21. 187 × H ) 3. 647]- 0. 663 4 ( R2 = θ = 1. 649 9 + 47. 68[ 0. 95) ( 6) 1 000、 3 000、 5 000、 10 000、 12 000、 当土壤水吸力为 0、 15 000 s / cm 时, 16. 48% 、 平 均 含 水 率 分 别 为 47. 68% 、 6. 34% 、 4. 52% 、 4. 08% 、 3. 87% 、 1. 65% 。 3. 2 模型方程建立 通过前期实验室试验取得的各项土壤 1D /2D 模型应用的非饱和土 物理特征参数, 结合 HYDRUS壤水力特性 van Genuchten 模型及土壤传递函数, 建立古尔 班通古特沙漠土壤含水量、 压力水头模拟方程。其中, 建立 方程表达式为式 7。 方程时采用的垄间及垄顶各项参数见表 1,
表1 Table 1 参数 Parameters 垄间 Interridge 沙垄 Pop of ridge 土壤水分特性的 VG 模型参数 The parameters of soil water characteristic for model VG θr
3 3

2 腹地, 面积 4. 88 万 km 。气候以干旱少雨、 蒸发强烈、 多风、

日照强、 温度变化剧烈的大陆荒漠气候特点为主, 属中亚西 风环流影响下温带沙漠的一部分, 也是我国干旱区唯一以固 定与半固定沙垄为主的沙漠。古尔班通古特沙漠是一个缺 乏地表径流, 无天然水体, 水系网不发育的干旱内陆沙漠。 由于沙漠区的潜水埋藏多在 30 m 以下, 植物生长主要靠降 水, 而地下水的意义不大。土壤水分受季节性积雪、 降雨、 地 地形起伏、 植被盖度等因素的影响。补给方式以积 貌部位、 雪融水和雨水为主。 典型试验区位于古尔班通古特沙漠南缘中国科学院阜 康 荒 漠 生 态 实 验 站 北 沙 窝 试 验 区 ( N44° 22. 633' , E87°55. 016' ) 。区内设有自动气象观测站, 具有详细的气象 资料, 且系列较长。分布的沙丘形态类型为梁窝状沙垄和树 枝状沙垄。沙垄近似为南北走向, 垄间和中下部沙面稳定不 变, 沙物质在双向风作用下左右摆动并顺脊线方向延伸, 高 度 10 ~ 25 m 不等。垄间距为 200 ~ 300 m。 沙垄西坡缓而 长, 东坡短且陡, 垄顶部呈穹状。 冬季积雪深度多在 20 cm 以上, 稳定积雪日数一般在 120 d 左右。积雪于 3 月上中旬 3 月底基本结束。 进入快速消融期, 2. 2 试验设计及参数测定 在北沙窝试验区沙垄之间和沙 垄顶部选择典型梭梭各 3 棵, 进行野外土样采集。后期土样 分析及土壤参数测定等室内试验在中国科学院阜康荒漠生 态实验站、 中国科学院生态与地理研究所及石河子大学水利 建筑工程学院实验室内完成。

θs
3 3

cm / cm cm / cm 0. 016 49 0. 476 8 21. 187 0. 010 45 0. 405 9 24. 430

α

n 3. 647

Ks l mm / d 71. 428 0. 5

2. 330 460. 200 0. 5

n 为土壤水分特性参数; 注: θ r 为残余含水率; θ s 为饱和含水率; α、 K s 为饱和导水率。 Note: θ r . Residual moisture content; θ s . Saturated moisture content; α, n. Parameters of soil moisture characteristics; Ks. Saturated hydraulic conductivity.

{

Θ = 1 . 649 9 +
( ln(
θ - 1 . 649 9 46

46 0 . 726 [ 1 + | 21 . 187 h | 3. 648]
- 3 . 085 × 1 000

h <0 ( 7)

h= -e

) 0. 726 - 1 ) 3 . 648

式中, Θ 为土壤含水率的模拟值; θ 为实测土壤体积含水率 ( %) 。 3. 3 模拟效果 1D /2D 软件, 运行 HYDRUS将垄间及垄 相关常数作为输入项, 输出垄间、 垄 顶各项土壤物理参数、 上距树干不同距离和裸地的压力水头及不同时段土壤含水 量随入渗时间的变化过程线, 以此分析融雪水在沙质土壤 及有无植被影响条件下的入渗过程, 并以部分实测数据对 模拟的入渗过程进行验证。融雪期土壤含水量的实际观测 从 3 月 6 日直至 4 月 7 日。选取其中代表性较好的时段进 并利用对应的实测数据进行验证。 行模拟,

22392

安徽农业科学

2011 年

3. 3. 1

垄间土壤水入渗分析。 分别模拟垄间距选定的典

古尔班通古特沙漠 仅为 40 cm 或 50 cm 至表层。由此可见, 冬季约 30 cm 的稳定积雪所形成的融雪水量在融雪期、 融 雪后的短时间内仅能补给至地面以下 50 cm 的土层。从图 1 可以看出, 左侧的模拟曲线与右侧的实测过程线差异较 可以认为该模型所模拟的垄间距树干不同距离 小。 因此, 土壤水分特征变化过程效果良好。

80 及 120 cm 处不同时段土壤含水 型树树干水平距离 40 、 并利用实测数据进行检验。 融雪前土壤含水 量变化过程, 率随深度增加而减小, 融雪初期表层土壤含水量迅速增大, 随着融雪的不断加剧, 融雪水不断入渗深层土壤含水量也 在不断增加, 但直至融雪结束发生含水量变化的土层深度

图1 Fig. 1

垄间距树干不同距离( d) 处土壤含水量变化过程模拟( 左侧) 与检验( 右侧)

The simulation( lift side) and test( right side) of the change process of soil water from stem for different distances( d) in thaw

3. 3. 2

垄顶土壤水入渗分析。分别模拟垄顶距选定的典型

树干不同距离处土壤含水量随入渗时间的变化过程线, 并以 部分实测数据对模拟的入渗过程进行了验证, 从而实践了 HYDRUS1D /2D 模型在土壤水入渗过程的应用。 古尔班通古特沙漠冬季约 20 cm 的稳定积雪所形成的 融雪后的短时间内仅能补给至地面以下 50 融雪水在融雪期、 cm 的土层。垄上距离树干越远其土壤含水量的变化幅度越 小, 恒定值出现土层越浅, 距树干越远融雪水补给深度越浅。 植被对古尔班通古特沙漠融雪水的入渗影响较为显著。它 而且可以影响补给深度。通过 不但可以严重影响补给水量, 对比垄间及垄上距树干不同距离土壤含水量的模拟图及实 发现二者差异较小, 因此认为该模型所模拟的土 测过程线, 1D /2D 软件可被 壤特征参量变化过程效果良好。HYDRUS应用于土壤水入渗过程的模拟。 1D /2D 软件模拟土壤水入渗过程的步骤 应用 HYDRUS可以概括为: ①在试验点采取各纵向深度土层的原状土样进 行室内实验, 测定其初始含水率 ( θ ) 、 剩余含水率 ( θr ) 、 饱和 含水率( θs ) 和饱和导水率( K s ) , 并利用土壤水分特征曲线求 N, 出软件所需参数 α、 在软件使用说明中查询经验参数( l) ;

80 及 120 cm 处不同时段土壤水含量变 树树干水平距离 40、 化过程, 并利用实测数据进行检验。从图 2 可以看出, 距离 树干越远土壤含水量的变化幅度越小, 如裸地自融雪前至融 雪后含水率变幅为 1. 0% ~ 13. 0% , 而距树干 80 cm 处土层 变幅为 1. 0% ~ 19. 0% ; 距树干距离越远土壤含水量恒定值 出现土层越浅, 证明距树干越远融雪水补给深度越浅, 如距 树干 80 cm 处的土层在融雪前期至融雪结束 100 cm 以上土 层含水率均有变化, 而裸地这一距离降低至 60 cm。由此可 植被对古尔班通古特沙漠融雪水的入渗影响较为显著。 知, 它不但可以严重影响补给水量, 而且可以影响补给深度。观 察各模拟图与实测过程线, 发现二者差异较小。因此, 可以 认为该模型所模拟的垄上距树干不同距离及裸地土壤含水 量特征变化过程效果良好。 4 结论与讨论 1D /2D 软件的情况及组成, 介绍了 HYDRUS并以古尔 班通古特沙漠融雪水入渗过程为例, 基于室内试验取得的各 项土壤物理特征参数, 应用该软件模拟了沙漠垄间及垄顶距

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汤 英等

HYDRUS1D /2D 在土壤水分入渗过程模拟中的应用

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图2 Fig. 2 dune

垄顶距树干不同距离( d)处土壤含水量变化过程模拟(左侧)与检验(右侧)

The simulation( lift side) and test ( right side ) of the change process of soil water from stem for different distances ( d ) in longitudinal 2002, 14: 1993 - 2002. Hydrological Processes, [ 9] SHAMIR E. Distributed snow accumulation and ablation modeling in the J] . Advances in Water Resources, 2006, 29: 558 - American River basin [ 570. [ 10] MURRAY C D, BUTTLE J M. Infiltration and soil water mixing on forested and harvested slopes during spring snowmelt, Turkey Lakes Watershed, central Ontario [ J] . Journal of Hydrology, 2005, 306: 1 - 20. [ 11] 李洪. 自然条件下土壤不饱和区中水含量分布模拟[ J] . 农业环境科 2004, 23( 6) : 1232 - 1234. 学学报, [ 12] SIMUNEK J, Van GENU CHTEN M TH. Using the HYDRUS1D and HYDRUS2D codes forestimating unsaturated soil hydraulic and solute C]/ / Van GENUCHTEN M Th, LEIJ F J, WU L. transport parameters[ Characterization and measurement of the hydraulic properties of unsaturated porous media. Riverside, CA: University of California, 1999: 357. [ 13] SIMUNEK J M, SEJNA T, Van GENUCHTEN M Th. HYDRUS2D simulating water flow, heat, and solute transport in twodimensional variably saturated media [ M] . Calif: International Ground Water Modeling CenRiverside, 1999. ter, [ 14] 姜雪, [ J] .畜 段克, 陈国玉, 等. 基于 GIS 的莱西市农田土壤资源评价 2010, 31( 2) : 1 - 4. 牧与饲料科学, [ 15] 王丽娜, 王艳荣, 张玮, 等. 土壤持续干旱条件下早开堇菜与草地早熟 [ J] . 内蒙古农业科技, 2008( 1) : 28 禾对土壤水分利用特征的比较研究 - 30, 33. [ 16] 刘晓霞, [ J] . 畜牧 王明玖. 浑善达克沙地土壤种子库结构与动态特征 2009, 30( 2) : 42 - 46. 与饲料科学, [ 17] 王霞, 韩凤兰, 董天明, 等. 临河区耕地土壤养分现状及变化原因分析 [ J] . 内蒙古农业科技, 2008( 1) : 60 - 62. [ 19] 包秀荣, — —以内 红梅, 韩国栋, 等. 增温和施肥对土壤有机质的影响— J] . 畜牧与饲料科学, 2009, 30 蒙古农牧业科学院四子王旗基地为例[ ( 3) : 153 - 154. [ 20] 杨芙蓉, [ J] . 杨恒智. 内蒙古巴彦淖尔地区土壤养分状况及施肥现状 2008( 2) : 49. 内蒙古农业科技,

②测定研究期内各时段的入渗量( Q) , 并测算对应各时段的 N 及 l 等典型试验点土壤特征参 蒸发量( E) ; ③将 θ、 θr 、 θs 、 α、 数作为软件基本输入量, 将各时间段入渗量及相应蒸发量输 入时间变化边界条件作为另一组输入量; ④根据软件运行的 步骤顺序, 依据研究区实际情况设定各菜单栏内页面上的变 运行软件并查看模拟结果; ⑥在 量值; ⑤设定所有变量之后, 试验点相应位置进行野外试验, 取得实测数据, 对模拟结果 测定当地土 进行验证。该软件的优点是只要选定边界条件, 壤基本物理参数, 只需给出当地各时段的入渗量及蒸发量即 可模拟出入渗过程。 参考文献
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