Hydrus2D中文程序说明.doc

HYDRUS_2D 中文程序说明李道西HYDRUS_2D 是一个可用来模拟地下滴灌土壤水流及溶质二维运动的有限元计算 机模型该模型的水流状态为二维或轴对称三维等温饱和－非饱和达西水流，忽略空 气对土壤水流运动的影响，水流控制方程采用修改过的 Richards 方程，即嵌入汇源项 以考虑作物根系吸水程序可以灵活处理各类水流边界，包括定水头和变水头边界、 给定流量边界、渗水边界、自由排水边界、大气边界以及排水沟等水流区域本身可 以是不规则水流边界，甚至还可以由各向异性的非均质土壤组成通过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 进行求解无论饱和或非饱和条件，对时间的离散均采用隐式差分采用迭代法将离 散化后的非线性控制方程组线性化对于非饱和土壤水力特性， HYDRUS_2D 采用 VG 模型进行描述，嵌入了 Scott [1983] 、Kool 和 Parker [1987]经验模型中的假定：吸湿（脱湿）扫描线与主吸湿（脱 湿）曲线成比例变化并运用一个比例程序，将用户定义的水力传导曲线与参考土壤 相比较，通过线性比例变换，在给定的土壤剖面近似水力传导变量第一节 程序的基本模块HYDRUS_2D 程序模块可以顺序嵌套调用，由以下七个基本模块组成：HYDRUS2D:主程序，定义系统的整个计算机环境。

它控制整个程序的运行过程，根据需要调用相应的子程序模块程序执行前，首先需选定模拟选项，包括水流、溶 质运移、热运移或是否考虑根系吸水等；然后给定时空单位、土壤水力参数以及用来 模拟的边界条件程序执行后，可输出一系列土壤水力特性曲线、设定观测点处随时 间变化的含水率或负压水头曲线，以及沿边界的实际或累积水通量输出文件还可提 供质量平衡信息和逆向最优结果Project Man ager:该模块用来管理已建立的工程数据，包括打开、删除、重命名工 程和保存工程的输入输出数据等每个工程可能是针对不同的具体问题， ProjectMan ager会自动将每个工程单独建立一个以工程名命名的文件夹保存相应的工程数据GEOMETRY :该模块是一个可用鼠标或键盘图绘水流区域并输出的 CAD程序,也可通过导入二进制文件的方式实现水流边界可以由直线、圆、弧或多义线等不同 曲线组成；内部边界也可由内部曲线给定，如排水沟、井等另外，还可以对已绘区 域进行修改，如删除、复制、移动、旋转等操作MESHGEN2D :该模块用来将二维的水流区域离散成不规则的三角形网格第一 步：边界离散化，边界结点数和其密度可由用户自行确定。

第二步：整个水流区域的 基于Delaunay规则的三角形离散化按照默认的光滑因子，可以将指定的水流区域自 动生成最优的三角形有限元网格，例如对于指定的边界结点，它可以生成最小的三角 形单元剖分BOUNDARY :该模块用来让用户给定特定情况的初始和边界条件，以及取定观测 点等HYDRUS2 :该模块是一个可用来模拟二维非饱和土壤水运动的 FORTRAN程序 模型可求解含根系吸水源汇项的 Richards方程，可以灵活处理各类水流边界，包括定 水头和变水头边界、给定流量边界、渗水边界、自由排水边界、大气边界以及排水沟 等针对离散化控制方程后的系数矩阵的不同形式，采用了不同的求解方法，例如带 状矩阵对应高斯消去法；对称矩阵对应共轭梯度法；非对称矩阵，对应ORTHOMIN法另外，该程序升级版本还包含了一个参数最优算法，可对各种土壤水力参数从几 个观测的数据出发进行逆向估计对于土壤含水率或负压水头数据，采用了 Marquardt_Levenberg非线性最优化技术估算土壤水分特征曲线中的经验参数；对于持 水或导水率数据，则将待优参数通过罚函数约束在某个可行区域（贝叶斯估计） ，然后寻求最优GRAPHICS :该模块用来将输出结果表示成图形。

包括等值线图、光谱图、流速 矢量图以及等值线图和光谱图的随时间变化的动画显示等第二节程序菜单命令说明图5- 1是HYDRUS_2D程序的主界面各菜单的子菜单使用及说明如下：HfDRUSZD-AAProject Main Inf. Geocnatry Parameters Results Wew Options Helpa [1口 hwrtiPi o 團f]图5 — 1 HYDRUS 2D程序的主菜单2.1 Project 主菜单Project Man age r:用来建立新的工程，或者管理已建立的工程数据，包括打开、删除、复制、重命名工程等，如图 5 — 2PlWCtCuiHrt Piaget Source 1Pt^tcA DiiKlay FAHYDRUS2DkSOlJRCE1Ptfltwi! LoMliwT f；WDHUS2& 矗叫 IProject MwiaqcrDeMrip6criD®电DAMDIKEFURROWE nmole ol Fimie demerit mtsh ■ 1Flow ihfouah ihsdguM b lactRjnxjw ii『iQfliion niD rdi鼻nc=d uoli匕SOURCE 10 SOURCE 12 SOURCES SOURCE! 4 SOURCES S0URCE3S0URCE4 SOURCES SOURCES SOURCE? SOURCESiohi.』■•嗖.11-叮眞哎口从；也urf-w iVciHmI- 6fcmKl®cin- ijfltt- 4B®10Gm-历时弓h・ h= 12t VciHmI- fitomKlOOcrn- E!®±- Ufi'SZQcm- h= 12tV^iIimI- GDpm^lOOcin- Loin- 底时事-h= -12S6VteiliDal- 60tmxlicmH Lott 应时 25E h= 126 i亠 」 —. 丄 -umw・.rz Jirn-* z? i 电斗＞^ j .Rel&lm | Effly | 芒eiriaing ] | QK.] 氐讯 | H那]图 5—2 Project Manager 对话框Save Data：用来保存工程的输入输出数据Exit:退出主程序。

2.2 Main Inf.主菜单Main Processes：通过它，用户可以对工程进行描述，女“Infiltration from a SubsurfaceSource”并选择需模拟的对象（可复选）：水流、溶质运移或根系吸水当勾选“水流” 时，程序会自动考虑瞬态流，否则当稳态流处理，如图 5 — 3图 5 — 3 Main Processes 对话框Ma in Geometry In formatio n :包括四个部分，如图 5— 4：1、 单选长度单位(Len gth Un its ):毫米、厘米、米一旦输入数据的长度单位发 生改变，程序会自动将所有变量换成对应的新的单位2、 单选水流类型(Type of Flow):二维水平流、二维垂直流、三维轴对称流当 为三维轴对称流时，程序自动视 z轴为垂向对称轴3、 单选几何类别(Geometry of Type):矩形网格、不规则网格仅仅是当主程序 缺乏外部嵌入式模块 GEOMETRY和MESHGEN时才采用简单的矩形网格剖分4、 填写数字框：土壤质地种数( Number of Materials )、子区数(Number of SubregionS)。

当水流区域有夹层时，土壤质地种数将大于默认值1;子区数决定了用户 希望进行质量平衡计算的区域数图 5— 4 Main Geometry Information 对话框图 5—5 Main Time Information 对话框Main Time Information :包括三个部分，如图 5 — 5:1、 单选时间单位(Time Un its):秒、分、小时、天该项一旦发生改变，程序中 的所有相关变量的单位均会自动进行相应变化2、 时间离散选项(Time Discretization ):五个数字框分别表示模拟初始时刻、模拟总时间、初始时间步长、允许最小和最大时间步长需要说明的是， HYDRUS2为了提高计算效率，视求解情况会自动调整时间步长(其调整规则将在菜单Parameters/Water Flow…/Iteration Criteria中进行介绍)，所以存在这些选项的给定3、 边界条件选项(Boundary Conditions ):缺省为不勾选 “随时间变化的边界条 件”则所有边界条件均视为恒定否则存在非稳定边界，需填写非稳定边界数目的数 字框，如腾发、降雨、灌溉等均可能导致非稳定边界的存在。

Print In formation :如图5— 6通过它，用户可选择决定是否需要输出每个时阶的 平均压力水头、平均或累积含水率及溶质通量、迭代信息等( T-Level In formation)；是否需要输出结点流量等(Flux In formation )；是否需要屏幕输出(Screen Outpu)若给 定输出次数，点击(Select Print Times，则要求用户进一步给定需要输出更详细信息的各个时刻，所有时刻不可大于设定的模拟总时间5 — 6 Print Information 对话框2.3 Geometry 主菜单Edit Tran sport Doma in Geometry :用来调用 GEOMETRY 模块，如图 5— 7,以便 图绘水流区域其绘制过程与一般的CAD绘图软件差不多水流边界可以由直线、圆、 弧或多义线等不同曲线组成；内部边界也可由内部曲线给定，如排水沟、井等注意 主界面右下角的状态栏，可以粗略估计鼠标所在的坐标位置；通过设置菜单选项Optio ns/Grid Setti ngs还可以精确定位点的坐标Gen erate Fi nite Eleme nt Mesh :用来调用 MESHGEN2D 模块，如图 5 — 8,以便将 已绘制的二维水流区域离散成不规则的三角形网格。

第一步：通过菜单 Boundary Points/ Number of Points on a Curve 设定边界结点总 数，默认值为120该项决定了离散密度的大小，边界结点总数越多，三角形网格密度 越大，计算越精确，但计算机的运算时间会成倍增加图5 — 7 GEOMETRY 模块主界面图5 — 8 MESHGEN2D 模块主界面第二步：通过菜单 Boundary Points/lnsert a Fixed Point给定边界离散固定点，以设定局部网格密度例如，对于在地下滴灌的滴头埋深处至少应插入一个离散固定点，以使该处网格剖分相对加密提高该处计算精度注：边界角点均默认是离散固定点第三步：通过菜单 Boundary Points/Mesh Density at a Fixed Point设定•各离散固定点处局部网格密度离散固定点两侧（按逆时针方向分为左右两侧）均需设置相应的 密度值，密度值范围大于 0.01小于100密度值的含义实际上是一个比较量例如有两个相邻离散固定点 A、B，它们的左b| 0.2 印 3= =1， = =15b2 0.2 b1 0.2右密度值分别设定为A : 3、2和B : 0.2、0.2。

若离散后A点左右侧的步长分别为®、 a2， B点左右侧的步长分别为b、b2，则=— = 1.5，a2 2而A、B间的网格密度分布按结点数从 3向0.2递减第四步：通过菜单 Mesh Ge。