2018第十期环境土壤物理Hydrus模型应用培训班

             课程大纲

Hydrus简介

（1） 发展历史

（2） Hydrus界面和功能介绍

（3） 建模思路

土壤物理基础知识（一）

（1） 土壤物理性质

（2） 土壤水的能量状态

（3） 土壤水分特征曲线

（4） 饱和土壤中的水流

（5） 非饱和土壤中的水流

（6） Richards方程

（7） 土壤水力学特性的缩放

（8） 土壤水分入渗

（9） 土壤水分蒸发

（10） 滞后现象

（11） 根系吸水

Hydrus-1D建模步骤

（1） 土壤水流运动的初始条件

（2） 几何信息、时间信息与输出信息

（3） 迭代参数设置

（4） 土壤水力特征模型及参数设置

（5） Rosetta模型

（6） 土壤水流运动的8种边界条件

（7） 根系吸水模型

（8） 土壤剖面参数设置

（9） 模型结果输出与解读

（10） 双孔隙度（Dual-Porosity）模型

（11） 双渗透率（Dual-Permeability）模型

（12） 水蒸气流（Vapor Flow）

（13） 土壤水力学特性与温度的关系

上机练习1：水流模型

本练习针对水流在100 cm长的一维土壤剖面上的入渗问题进行模拟。假设该土壤表面为1 cm恒定水头的积水入渗，下边界为自由重力排水。将该一维土壤剖面离散为101个节点，模拟周期为1天。

上机练习2：根系吸水模型

本练习针对一个3 m土壤剖面，下边界为隔水面，浅水面距离隔水面1 m，根系深度为1 m，已知各天的降水和潜在蒸散数据，模拟在30天内的土壤水分纵向流动。

上机练习3：多层土壤剖面的水流模拟

针对灰壤剖面的水流进行模拟。通过设置大气边界条件（降水和蒸腾），模拟1 m多层土壤剖面的稳态和瞬态变饱和流。

土壤物理基础知识（二）

（1） 土壤溶质及其迁移转化形式

（2） 对流弥散方程（CDE）

（3） 土壤溶质穿透曲线

（4） 溶质在土壤中的反应

（5） 非挥发惰性非吸附溶质的迁移

（6） 吸附性溶质的迁移

（7） 平衡吸附

（8） 双点位吸附

（9） 双动力学吸附（胶体运移）

（10） 双孔隙度/双渗透率模型

（11） 土壤溶质运移的初始条件和边界条件

（12） 温度和土壤含水量对模型参数的影响

（13） 根系对溶质的吸收

上机练习4：溶质运移模型

在练习1的基础上，模拟一维土壤剖面中的溶质运移。同时练习改变仿真时间、改变空间离散方式以及考虑溶质阻滞等仿真情景。此外，练习多层土壤介质的模拟。

上机练习5：多层土壤剖面的溶质运移模拟

针对练习3中灰壤剖面的水流以及化学物质的吸收和传输动态进行模拟。通过设置大气边界条件（降水和蒸腾），针对惰性与活性化学物质洒落在土壤表面的情境，模拟其在多层土壤剖面中的迁移动态。

土壤物理基础知识（三）

（1） 土壤热量状况

（2） 土壤表面热平衡

（3） 土壤热力学性质

（4） 土壤热流

（5） 对流传导方程

（6） 土壤热流的初始条件和边界条件

（7） 土壤温度的周期性变化

上机练习6：挥发性溶质的运移模拟

针对一维均匀土壤介质中挥发性溶质的迁移问题进行模拟。考虑三种不同的土壤表面形态——较小的表面挥发阻力、较大的表面挥发阻力（覆膜）和灌水表面。此外模拟热传导对溶质运移和反应的影响。

上机练习7：水汽热传输模拟

本练习作为综合案例，针对上下边界水分通量为零、一定温度梯度条件下、10 cm长的土样，模拟土壤含水量、水汽通量、土壤温度和溶质浓度在土壤剖面中的动态分布情况。

土壤物理基础知识（四）

（1） 模型反演求解与参数估计

（2） 反演问题类型定义

（3） 参数设置

（4） 调参的技巧

上机练习8：模型反演求解（一）

针对单步流出实验开展模型反演求解。针对0.57 cm厚陶瓷托盘上的3.95 cm长的土柱，采用双层介质模型。已知累积溢出量和恒定水头下的土壤含水率，出水初始水头为-10 m，反演求解土壤水力学参数。

上机练习9：模型反演求解（二）

基于穿透曲线的溶质运移模型反演求解。

上机练习10：模型反演求解（三）

基于农田土壤含水量数据的根系吸水模型反演求解。

Hydrus-2D建模步骤

（1） 二维土壤剖面参数设置和有限单元网格划分

（2） 边界条件设置

（3） 模型结果输出与解读

上机练习11：二维剖面暗管供水和排水问题

针对2*5 m²的纵向二维土壤剖面，模拟地面以下1.5 m处的滴灌入渗/排水问题。边界条件为25天定水头，溶质输入脉冲周期为10天，模拟二维土壤剖面的水流和溶质运移。

上机练习12：二维剖面沟灌问题

针对1 m深，沟渠深度为75 cm、间隔3 m的纵向二维土壤剖面，模拟水流和溶质运移。

上机练习13：复杂二维剖面水流和溶质运移问题

针对多段线和样条曲线构造的复杂二维土壤剖面，模拟稳态水流和污染物迁移问题。

上机练习14：三维土壤结构水流和溶质运移建模

针对三维立体土壤结构水流和溶质运移问题的模型建立。