Hydrus2D中文程序说明.pdf

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 Manager ：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，Project Manager 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： 图5 －1 HYD