Hydrus软件模型应用培训课程--水分运动参数

基于Hydrus-2D的负压灌溉水分动态模拟周青云;李松敏;孙书洪;韩娜娜【期刊名称】《人民黄河》【年(卷),期】2017(039)008【摘要】负压灌溉是一种新型的节水灌溉技术,其灌溉过程中无需外界提水加压,利用土壤吸力自动从高程低于灌水器的水源中吸收水分,以补充作物和土壤蒸散发失去的水分.运用Hydrus-2D软件模拟研究土壤质地对负压灌溉水分运移的影响,分别对沙壤、壤土、黏壤土和黏土4种不同土壤质地进行模拟,分析土壤质地对湿润锋、土壤含水量和灌水量三方面的影响.结果表明:沙壤土因土壤含水率较低、水分下渗较快、保水能力差而不适宜采用负压灌溉系统,壤土、黏壤土和黏土保水能力较强,土壤含水率较高,湿润锋分布均匀,较适宜采用负压灌溉系统.【总页数】4页(P133-136)【作者】周青云;李松敏;孙书洪;韩娜娜【作者单位】天津农学院水利工程学院,天津300384;天津农学院水利工程学院,天津300384;天津农学院水利工程学院,天津300384;天津农学院水利工程学院,天津300384【正文语种】中文【中图分类】S275【相关文献】1.基于HYDRUS-2D的负压灌溉土壤水分入渗数值模拟 [J], 冀荣华;王婷婷;祁力钧;杨知伦2.利用HYDRUS-2D模拟膜下滴灌玉米农田深层土壤水分动态与根系吸水 [J], 丁运韬;程煜;张体彬;姬祥祥;乔若楠;冯浩3.基于HYDRUS-2D的负压微润灌土壤水分运动模拟 [J], 徐俊增;刘玮璇;卫琦;王可纯;王海渝;周姣艳4.基于Hydrus-2D的果树涌泉灌溉环沟技术要素优化研究 [J], 彭星凯;蔡守华5.夏玉米控制性交替灌溉条件下土壤水分动态模拟 [J], 汪明霞;陈晓飞;徐鹏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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。

用HYDRUS-1D模拟剖面变饱和度地下水流（简明手册）目录1. 如何获取HYDRUS-1D (2)2. 版权声明 (2)3. 参考资料 (2)4. HYDRUS-1D的WINDOWS界面 (2)5. 设计模型 (3)6. 使用HYDRUS-1D创建模型 (4)7. 输入模型控制信息 (5)8. 水流模型——迭代计算参数 (6)9. 水流模型——土壤水力特性模型 (7)10. 水流模型——土壤水分特征曲线 (7)11. 水流模型——边界条件 (8)12. 水流模型——定水头或通量边界设置 (9)13. 根系吸水——吸水模型 (9)14. 根系吸水——水分胁迫参数 (10)15. 输入可变边界条件的信息 (10)16. 编辑土壤剖面——使用图形界面 (11)17. 编辑土壤剖面——使用表格 (13)18. 运行模型 (14)19. 察看结果 (14)20. 输出结果 (14)HYDRUS-1D是一个共享专业软件，用于模拟一维变饱和度地下水流、根系吸水、溶质运移和热运移。

本手册只介绍应用HYDRUS1D模拟垂向剖面水流和根系吸水的操作方法。

1. 如何获取HYDRUS-1DHYDRUS-1D由位于欧盟捷克的PC-Progress工程软件开发公司发行，用户可以登录该公司首页: 。

为了下载HYDRUS-1D，应先注册成为用户，然后下载Hydrus-1D的安装文件：H1D_4_14.exe。

这个文件对应目前HYDRUS-1D的最高版本。

2. 版权声明HYDRUS-1D的作者为:(1) J. Simunek, Department of Environmental Sciences, University of California Riverside, Riverside, California, USA.(2) M. Sejna, PC Progress, Prague, Czech Republic.(3) M.Th. van Genuchten, Department of Mechanical Engineering, Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.感谢他们提供了一个如此精美而又免费使用的专业软件，帮助我们从事有关的科学和教育工作。

第43卷第5期2023年10月水土保持通报B u l l e t i no f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .43,N o .5O c t .,2023收稿日期:2022-12-08 修回日期:2023-02-08资助项目:国家重点研发计划课题 缓坡丘陵区油松和柠条林水土保持及碳汇功能提升技术 (2022Y F F 1300403);山西省基础研究计划(20210302123333);山西省回国留学人员科研资助项目(2021-097) 第一作者:董红霞(1996 ),女(汉族),山西省忻州市人,硕士研究生,研究方向为植被生态学㊂E m a i l :178********@139.c o m ㊂通信作者:张钦弟(1982 ),男(汉族),河南省南阳市人,博士,副教授,主要从事植被生态和生态水文研究㊂E m a i l :n y z qd @126.c o m ㊂基于H Y D R U S -1D 模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟董红霞1,张钦弟1,卫强2(1.山西师范大学生命科学学院,山西太原030031;2.山西冶金岩土工程勘察有限公司,山西太原030000)摘 要:[目的]探究不同整地措施下的土壤水分动态特征,为评估坡面整地的生态水文效益,促进旱区植被恢复提供科学依据㊂[方法]通过半干旱黄土区油松林自然坡面和鱼鳞坑㊁反坡台的原位对照研究,基于土壤水分动态监测,结合降雨事件,利用H Y D R U S -1D 软件模拟,揭示不同整地措施对土壤水分垂直运移特征的影响㊂[结果]①一维非饱和土壤水分运移数值模型对0 40c m 土壤水分的模拟精度大于40 100c m ,适于表层(0 40c m )土壤水分的模拟;整个研究期内,相同降雨条件下,鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量显著大于相应对照自然坡面样地(p <0.05),鱼鳞坑的土壤水分通量显著大于反坡台(p <0.05)㊂②单独降雨条件下,0 40c m 内鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量比相应对照自然坡面样地平均提高9.07%,4.02%;鱼鳞坑㊁反坡台与相应对照自然坡面样地的平均差值最大在20,30c m 处,分别为0.79%,0.37%,整体呈先增后减趋势;降雨量为5 10mm 时,鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量最大为1.94%,1.42%,分别在30,40c m ;降雨量>10mm 时,鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量最大值均在0 20c m ,随降雨量增大而逐渐降低;鱼鳞坑㊁反坡台各层土壤水分通量之间差异均不显著㊂③持续降雨条件下,0 40c m内鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量比其对照自然坡面样地平均提高10.73%,4.72%;鱼鳞坑㊁反坡台与相应对照自然坡面样地的差值在0 20c m 内最显著(p <0.05),平均差值整体均呈递减趋势;鱼鳞坑㊁反坡台与相应对照自然坡面样地各层的差值在降雨量为10 20mm 时最显著(p <0.05),最大增量均在10c m 处,分别为1.35%,0.53%;鱼鳞坑各层的平均土壤水分通量呈递减趋势,反坡台呈递增趋势;不同降雨特征下,鱼鳞坑㊁反坡台土壤水分通量最大值的深度不同,降雨量<20mm 时,鱼鳞坑㊁反坡台在10,20c m ,分别为1.58%,0.72%,降雨量>20mm ,均在40c m ,为2.61%,1.92%;鱼鳞坑㊁反坡台各层土壤水分通量间的显著性也不相同,降雨量为5 10mm 时鱼鳞坑各层土壤水分通量之间均有显著差异(p <0.05),反坡台在20 40c m 土壤水分通量之间有显著差异(p <0.05)㊂[结论]鱼鳞坑㊁反坡台均对土壤水分有不同程度的影响,鱼鳞坑在降雨条件下蓄水效果更好㊂关键词:黄土地区;半干旱地区;整地措施;H Y D R U S -1D ;降雨;土壤水分文献标识码:B 文章编号:1000-288X (2023)05-0156-13中图分类号:S 152.7,X 171.1文献参数:董红霞,张钦弟,卫强.基于H Y D R U S -1D 模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟[J ].水土保持通报,2023,43(5):156-168.D O I :10.13961/j .c n k i .s t b c t b .2023.05.019;D o n g H o n gx i a ,Z h a n g Q i n d i ,W e iQ i a n g .D y n a m i cs i m u l a t i o no f s o i lm o i s t u r eu n d e r t y p i c a l l a n d p r e pa r a t i o n i ns e m i -a r i d l o e s s a r e au s i n g H YD R U S -1D m o d e l [J ].B u l l e t i no f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,2023,43(5):156-168.D y n a m i c S i m u l a t i o no f S o i lM o i s t u r eU n d e rT y p i c a l L a n dP r e pa r a t i o n i n S e m i -a r i dL o e s sA r e aU s i n g HY D R U S -1D M o d e l D o n g H o n g x i a 1,Z h a n g Q i n d i 1,W e iQ i a n g2(1.C o l l e g e o f L i f eS c i e n c e s ,S h a n x iN o r m a lU n i v e r s i t y ,T a i yu a n ,S h a n x i 030031,C h i n a ;2.S h a n x iM e t a l l u r g i c a lR o c k -S o i lE n g i n e e r i n g I n v e s t i g a t i o nL i m i t e dC o m p a n y ,T a i yu a n ,S h a n x i 030000,C h i n a )A b s t r a c t :[O b j e c t i v e ]T h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i lm o i s t u r e u n d e r d i f f e r e n t l a n d p r e pa r a t i o nm e a s u r e s w e r e a n a l y z e d i no r d e r t o p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s f o ra s s e s s i n g t h eec o -h yd r o l o g i c a lbe n ef i t so f s l o pe l a n d p r e p a r a t i o n s a n df o r p r o m o t i ng v e ge t a t i o n r e s t o r a t i o n i n a r i d a r e a s .[M e t h o d s ]W e u s e d a n i n -s i t u c o n t r o l l e ds t u d y o f n a t u r a l s l o p e s,f i s h-s c a l e p i t s,a n d r e v e r s e s l o p e s o f a P i n u s t a b u l a e f o r m i s f o r e s t i n a s e m i-a r i d l o e s s a r e a a l o n g w i t hd y n a m i cm o n i t o r i n g o f s o i lm o i s t u r e a n d r a i n f a l l e v e n t s a n dH Y D R U S-1Ds o f t w a r e s i m u l a t i o n s t o q u a n t i f y t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t l a n d p r e p a r a t i o n m e a s u r e so nt h ev e r t i c a lm i g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l m o i s t u r e.[R e s u l t s]①T h e s i m u l a t i o na c c u r a c y o f t h eo n e-d i m e n s i o n a l u n s a t u r a t e ds o i lm o i s t u r e t r a n s p o r t n u m e r i c a lm o d e l f o r s o i lm o i s t u r e i n t h e0 40c ml a y e rw a s g r e a t e r t h a n t h a t o f t h e40 100c ml a y e r,w h i c h w a s s u i t a b l e f o r t h e s i m u l a t i o n o f s u r f a c e(0 40c m)s o i lm o i s t u r e.D u r i n g t h e e n t i r e s t u d y p e r i o d,u n d e r t h e s a m er a i n f a l l c o n d i t i o n s,t h es o i lm o i s t u r e f l u x e so f t h e f i s h-s c a l e p i t sa n dt h er e v e r s es l o p e t e r r a c e sw e r e s i g n i f i c a n t l y h i g h e rt h a nt h es o i l m o i s t u r ef l u xo ft h ec o r r e s p o n d i n g n a t u r a ls l o p e(p<0.05).T h es o i l m o i s t u r e f l u xo f t h e f i s h-s c a l e p i t sw a s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r t h a n t h a t o f t h e r e v e r s e s l o p e t e r r a c e s(p<0.05).②U n d e r i n d i v i d u a l r a i n f a l l c o n d i t i o n s,t h es o i lm o i s t u r e f l u x e so f t h e f i s h-s c a l e p i t sa n dt h e r e v e r s es l o p e t e r r a c e s f o r t h e0 40c ml a y e rw e r e9.07%a n d4.02%,r e s p e c t i v e l y,h i g h e rt h a nt h a to fc o r r e s p o n d i n g n a t u r a l s l o p e p l o t s.T h ea v e r a g ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e f i s h-s c a l e p i t s,t h e r e v e r s es l o p e t e r r a c e s,a n dt h e c o r r e s p o n d i n g n a t u r a l s l o p e s a m p l e p l o t sw e r e t h e l a r g e s t a t20a n d30c m,w h i c hw e r e0.79%a n d0.37%, r e s p e c t i v e l y,e x h i b i t i n g a no v e r a l l t r e n do f f i r s t i n c r e a s i n g a n dt h e nd e c r e a s i n g.W h e nt h er a i n f a l lw a s5 10mm,t h em a x i m u ms o i lm o i s t u r e f l u x e so f t h e f i s h-s c a l e p i t s a n d t h e r e v e r s e s l o p e t e r r a c e sw e r e1.94% a n d1.42%,r e s p e c t i v e l y,a t30c ma n d40c m.W h e n t h e r a i n f a l lw a sm o r e t h a n10mm,t h em a x i m u ms o i l m o i s t u r e f l u x e s o f t h e f i s h-s c a l e p i t s a n d t h e r e v e r s e s l o p e t e r r a c e sw e r e0 20c m,w h i c h g r a d u a l l y d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g r a i n f a l l.T h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s i ns o i lm o i s t u r e f l u x e sb e t w e e nf i s h-s c a l e p i t s a n d r e v e r s e s l o p e t e r r a c e s.③U n d e r c o n t i n u o u s r a i n f a l l,s o i lm o i s t u r e f l u x e so f f i s h-s c a l e p i t sa n dr e v e r s e s l o p e t e r r a c e s i n0 40c ml a y e rw e r e10.73%a n d4.72%h i g h e r t h a nt h es o i lm o i s t u r e f l u xo f t h ec o n t r o l n a t u r a l s l o p e.T h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nf i s h-s c a l e p i t s,r e v e r s es l o p e t e r r a c e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g c o n t r o l n a t u r a l s l o p e p l o t sw e r e t h em o s t s i g n i f i c a n tw i t h i n0 20c ml a y e r(p<0.05),a n dt h ea v e r a g ed i f f e r e n c e s h o w e da no v e r a l ld e c r e a s i n g t r e n d.T h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nf i s hs c a l e p i t s,r e v e r s es l o p et e r r a c e s,a n d c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l n a t u r a l s l o p ea t e a c hs o i l l a y e rw e r e t h em o s t s i g n i f i c a n tw h e nt h er a i n f a l lw a s10 20mm(p<0.05),a n d t h em a x i m u mi n c r e m e n tw a s a t10c m,w h i c hw a s1.35%a n d0.53%,r e s p e c t i v e l y. T h e a v e r a g e s o i lm o i s t u r e f l u x i n e a c h l a y e r o f t h e f i s h-s c a l e p i t s s h o w e d a d e c r e a s i n g t r e n d,a n d t h e r e v e r s e s l o p e t e r r a c e s s h o w e d a n i n c r e a s i n g t r e n d.U n d e r d i f f e r e n t r a i n f a l l c o n d i t i o n s,t h e d e p t ho f t h em a x i m u ms o i l m o i s t u r e f l u xo f t h e f i s h-s c a l e p i t sa n dt h e r e v e r s es l o p e t e r r a c e sw a sd i f f e r e n t.W h e nt h e r a i n f a l lw a s l e s s t h a n20mm,t h e f i s h-s c a l e p i t s a n d t h e r e v e r s e s l o p e t e r r a c e sw e r e a t10a n d20c m,w h i c hw e r e1.58%a n d 0.72%,r e s p e c t i v e l y.W h e nr a i n f a l lw a s>20mm,t h ev a l u e sf o rb o t hf i s h-s c a l e p i t sa n dr e v e r s es l o p e t e r r a c e s a t40c m w e r e2.61%a n d1.92%.T h e r ew e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s i ns o i lm o i s t u r e f l u xb e t w e e n e a c h l a y e r o f t h e f i s h-s c a l e p i t s a n d t h e r e v e r s e s l o p e t e r r a c e s.W h e n t h e r a i n f a l lw a s5 10mm,t h e r ew e r e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n s o i lm o i s t u r e f l u x e s b e t w e e ne a c h l a y e r o f t h e f i s h-s c a l e p i t s(p<0.05),a n d t h e r e w e r e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n s o i lm o i s t u r e f l u x e sb e t w e e n20 40c mi n t h e r e v e r s es l o p e t e r r a c e s(p<0.05).[C o n c l u s i o n]T h e f i s h-s c a l e p i t sa n dt h er e v e r s es l o p e t e r r a c e sh a dd i f f e r e n te f f e c t so ns o i lm o i s t u r e.T h e f i s h-s c a l e p i t s h a db e t t e rw a t e r r e t e n t i o nu n d e r r a i n f a l l c o n d i t i o n s.K e y w o r d s:l o e s s a r e a;s e m i-a r i da r e a;l a n d p r e p a r a t i o n;H Y D R U S-1D;r a i n f a l l;s o i lm o i s t u r e土壤水分是植被生存和生长的重要影响因素,在生态系统中扮演着重要的角色㊂尤其在旱区,土壤水分缺乏是植被生长的主要限制因素[1]㊂旱区土壤水分的补给主要来源于降雨,但一部分降雨伴随产生的径流被消耗,一部分因植被蒸腾作用和冠层截留的影响,降低了降雨对土壤水分的补给[2-3]㊂因此,为了提高自然降雨对土壤水分的补给,整地措施被广泛应用于旱区的植被恢复和生态建设㊂整地措施不仅可以通过改善土壤粒径分布,减少地表径流,而且可以通过改变地形,减少蒸发面积,改善雨水收集,影响土壤的持水性以及抗旱性[4-5],提高土壤水分[6]㊂旱区整地措施与土壤水分的相关研究大多从不同植被751第5期董红霞等:基于H Y D R U S-1D模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟类型㊁不同土壤质地㊁不同土地利用方式等[7-8]方面进行研究㊂诸多研究均表明整地措施能够有效减少水土流失,增加土壤水分和养分储存,改善土壤水力学性质[9]㊂目前大多数研究主要通过野外监测[10]㊁人工试验[11]㊁数值模拟等[12-13]方法进行㊂数值模拟中H Y D R U S,S WM S,S WA P等数学模型被广泛应用[14]㊂其中,H Y D R U S-1D是美国农业部盐土实验室开发的一款包括水分运移,溶质运移,热运移等多个模块的有限元计算机模型㊂H Y D R U S-1D能够基于R i c h a r d s原理,综合考虑大气 植被 土壤中的水分运移,适用于非饱和带土壤水分运移过程的研究[15-16],被广泛应用于模拟土壤水分运移的研究中[17-18]㊂杨玉峥等[13]通过H Y D R U S-1D软件结合土壤水量平衡方程发现大沽河地下水浅埋区农田的土壤水分与降雨㊁地下水位埋深之间有较快的响应关系㊂除此之外,数值模拟可以模拟演算一些难以动态监测的变量㊂特别是在土层深厚的黄土高原,可以利用数值模拟基于少量监测,有效模拟水文过程[17]㊂例如:LüH a i s h e n等[19],霍思远等[20]通过H Y D R U S-1D软件对黄土高原的旱地梯田及华北平原的衡水地区土壤水分的模拟,表明该模型适用于以上地区的土壤水分模拟㊂Y i C a i q i o n g等[21]用H Y D R U S-1D软件对黄土高原土壤前期含水量进行模拟,验证并得出该模型能够模拟出合理的土壤前期含水量值㊂目前数值模拟的方法在半干旱黄土区的应用已相对成熟㊂黄土高原虽属于典型半干旱黄土区,但由于其水土流失严重[22],年降雨量为500~600mm,常年降雨稀少,地下水埋深,季节分布不均匀[23-24]特殊的气候特征以及降雨入渗和蒸散量的动态监测比较困难,土壤水分动态变化难以准确监测㊂目前的研究大多从降雨特征㊁植被㊁土壤机械组成等对土壤水分变化进行研究㊂刘小璐等[25]采用H Y D R U S-1D软件对不同降雨特征下黄土高原丘陵区土壤水分的变化规律研究中,得出不同的降雨量入渗深度不同,并指出降雨量为50mm时入渗最深可达100c m㊂于洋等[6]利用实测土壤水分特征曲线与数学模型相结合,对比油松林在不同整地措施下的土壤有效水分,发现不同整地措施下的土壤机械组成不同,对土壤水分有效性的改善程度不同㊂使用H Y D R U S-1D软件针对单一植被从降雨条件㊁不同整地措施的角度探究土壤水分动态变化的研究较少㊂因此,基于数值模拟的方法,准确探究降雨条件下,不同整地措施下土壤水分动态模拟,阐明不同整地措施下土壤水分通量的动态变化是非常必要的,且对于优化半干旱区整地措施与植被的结合以及揭示有限水资源条件下植被维持生态系统的机制具有重要的意义㊂基于此,本研究通过半干旱黄土区油松林自然坡面和鱼鳞坑㊁反坡台的原位对照研究,基于实测的土壤水分数据,建立一维非饱和数值模型,模拟降雨后各整地措施下的土壤水分变化,分析不同降雨条件下土壤水分通量的变化情况,揭示不同降雨条件下半干旱区土壤水分的垂向运移特征以及土壤水分入渗量㊁影响深度,提高土壤水资源利用,为半干旱黄土区的生态服务建设提供科学的理论依据㊂1研究区概况龙滩流域(104ʎ27' 104ʎ31'E,35ʎ43' 35ʎ46'N)位于甘肃省定西市安定区巉口镇,海拔1929~2211m,流域面积16.1k m2,平均降水量386.3mm,地貌类型属黄土丘陵沟壑区第Ⅴ副区,属于典型半干旱黄土区,降水量季节分配不均,春季降水较为稀少,主要集中在7 9月[26]㊂流域年均气温为6.8ħ,潜在蒸发量为1649.0mm,流域土壤类型为黄绵土,土质均一[27]㊂流域内主要的植被类型有:紫花苜蓿草地(M e d i c a g os a t i v a)㊁柠条锦鸡儿灌丛(C a r a g a n a k o r s h i n s k i i)㊁山杏林(P r u n u sa r m e n i a c a)㊁侧柏林(P l a t y c l a d u s o r i e n t a l i s)㊁油松林(P i n u s t a b u l a e f o r-m i s)㊂近年来,流域内开展大面积植被恢复措施,其中鱼鳞坑㊁反坡坮㊁水平阶㊁水平沟等整地措施广泛应用于植被恢复建设中㊂2研究方法2.1样地设计径流小区于2014年在同一坡面设置相邻样地,以自然坡位为对照完成鱼鳞坑㊁反坡台原位对照样地的布设(表1)㊂采用微创式零干扰径流小区搭建技术分层监测土壤水分[6]㊂本研究选取2019年生长季4月19日至9月20日内的监测数据进行模拟研究㊂2.2土壤水分及降雨数据采集与测定土壤水分使用地下水监测器HO B O U30(美国)自记水位计,在100c m内,每隔10c m为一个土层,埋设一个检测器探针,自动记录土壤水分数据[28]㊂通过布设的翻斗式自记雨量计(D J-100,北京),记录降雨时长,降雨量等[29]㊂根据雨量计翻斗的时间间隔,将间隔时间不超过两小时的记为1次降雨事件㊂参考张建国等[12]对降雨事件的划分经验,根据实际记录情况,将降雨事件之间的间隔超过1d的降雨事件记为单独降雨事件,降雨事件之间的间隔在1d以内的记为连续降雨事件㊂研究期内共筛选了56次降851水土保持通报第43卷雨事件,总降雨量为365.6mm ㊂降雨集中在5 8月,降雨量为316mm ,约占总降雨量的77.85%㊂根据国家气象局规定的标准,将研究期内的降雨事件分为<5,5~10,10~20,20~50mm 共4个等级进行研究[29],各量级内的降雨频率为63.64%,16.36%,12.73%,7.27%㊂表1 样地基本特征T a b l e 1 G e n e r a l s i t u a t i o no f e x pe r i m e n t a l s i t e 项目 样地1鱼鳞坑对照自然坡面样地2反坡台对照自然坡面面积/m 250505050坡度/(ʎ)25252020坡向西西东偏北东偏北地表植被中华隐子草(C l e i s t o ge n e s c h i n e n s i s )㊁赖草(L e ym u ss e c a l i n u s )㊁阿尔泰狗娃草(H e t e r o p a p p u s a l t a i c u s )赖草㊁阿尔泰狗娃草中华隐子草㊁缘毛鹅观草(R o e gn e r i a p e n d u l i n e )㊁长芒草(S t i p ab u n ge a n a )㊁阿尔泰狗娃草缘毛鹅观草㊁长芒草㊁阿尔泰狗娃草冠层郁闭度/%45453030整地措施描述鱼鳞形的坑状结构沿斜坡交错排列,表土置于上坡位,心土置下坡位作埂㊂鱼鳞坑的土埂高15~20c m ,埂顶宽10c m ;沿等高线相邻鱼鳞坑间距为0.8~1.5m ;相邻行间距1~1.5m ;鱼鳞坑直径宽度高度分别为80,80,和30c m自然坡位沿等高线外沿生土作梗,将1.0~1.5m长的坡面径流集中到1.5~2.0m 的台面,坡面向内倾斜,坡度为5ʎ~8ʎ,相邻平台垂直距离约1m自然坡位在小区内挖1m 深的土壤剖面,按0 10,1020,20 30,30 40,40 60,60 80,80 100c m 用100c m 3的环刀分层取样,每层重复3次,供测土壤容重和土壤水分特征曲线㊂同时在相同深度用自封袋取土,备用与测定土壤机械组成㊂采用环刀法测量土壤容重,用压力膜法和沙箱法测定土壤水分特征曲线,其中沙箱测定范围为0 80c m 水柱[6,9]㊂土壤机械组成用激光粒度分析仪(M a s t e r s i z e r 2000,英国)测量,测定方法参考文献[30],根据测量结果计算各土层砂粒,粉粒,黏粒的平均值来预测v a n -G e n u c h t e n参数㊂土壤水分通量是指大气降水通过地表进入土壤的水量,通过一维非饱和土壤水分运移数值模型模拟可获得各样地的土壤水分通量[31]㊂气象数据包括空气湿度,风速,最高气温和最低气温等,均来自M e t e r l o g 2200A G 自动气象监测站(北京)㊂2.3 模型设计本研究基于2019年4月19日至9月20实测的土壤水分数据及气象数据,利用H Y D R U S 软件在M a i nP r o c e s s e s 模块选取W a t e r F l o w 建立一维非饱和土壤水分运移数值模型,在S o i l eP r o f i l e -G r a p h i c a l E d i t o r 模块设置剖面信息,T i m eI n f o r m a t i o n 模块设置时间信息,以天为单位,W a t e r F l o w -B o u n d a r y C o n d i t i o n s 模块设置边界条件,输入降雨数据㊂将各土层实测的土壤水分含量数据导入进行土壤水分特征曲线参数拟合,利用H Y D R U S -1D 软件中的N e u r a lN e t w o r kP r e d i c t i o n 模块,输入土壤容重以及土壤颗粒比重,预测各层土壤水力参数参考值,再通过I n v e r s eS o l u t i o n 模块,用实测的各层土壤含水量对模拟的土壤水力参数进行矫正得到最终的土壤水力参数[25]㊂模拟降雨条件下土壤水分变化,研究不同降雨条件下土壤水分通量的变化规律㊂利用H Y D R U S -1D 对一维非饱和土壤水分运移数值模型进行模拟,模拟深度为0 100c m ,将土壤剖面分为:10,20,30,40,60,80,100c m 共7层[25]㊂模拟时间以d 为单位,选取2019年4月19日至2019年9月20日时间段,共155d㊂初始迭代时间为0,最终迭代时间为155d [32]㊂土壤上边界由于与大气相通且会产生一定的径流量,因此设置为开放的大气边界;下边界由于地下水埋水较深,选定为自由排水边界[25,32]㊂采用P e n m a n -M o n t e i t h [33]通过输入研究区降雨㊁最低气温㊁最高气温㊁空气湿度,风速等气象数据计算潜在蒸发量㊂模拟过程中,由于油松为深根植物,黄土高原土层深厚,且本研究涉及土层深度仅为0 100c m ,在祁宇麟[34]探究鱼鳞坑㊁反坡台㊁水平阶3种不同整地措施下油松林的总根系密度的差异中表明,在浅层(0 100c m )鱼鳞坑㊁反坡台的总根系密度无显著差异,因此不考虑根系吸水的影响㊂模型所需的v a n -G e n u c h t e n 参数,通过H Y D R U S -1D 软件中的N e u r a lN e t w o r kP r e d i c t i o n 模块,输入每层土壤颗粒比重,模拟各层土壤水力参951第5期 董红霞等:基于H Y D R U S -1D 模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟数参考值,再根据H Y D R U S 软件中的I n v e r s eS o l u -t i o n 模块,用实测的各层土壤水含量对模拟的土壤水力参数进行矫正得到最终的土壤水力参数[25]㊂本研究对一维垂直方向土壤水分运移的模拟,用R i c h a r d s 方程来描述[35]:αθαt =ααz K (h )αh αz+1æèçöø÷-S (z ,t )(1)式中:θ为土壤体积含水率(c m 3/c m 3);t 为时间(h );K (h )为土壤导水率(c m /h );h 为土壤压力水头(c m );S (z ,t )为根系吸水速率(c m /h );z 为土壤纵剖面深度(c m )㊂土壤水分特征曲线采用v a n -G e n u c h t e 方程拟合,方程[36]为:θ(h )=θr +θs -θr 1+|αh |n m(h <0)θs (h >0)ìîíïïïï(2) K (h )=K s S l e 1-(1-S l /m e)m2(3) S e =θ-θrθs -θr(4) m =1-1n(n >1)(5)式中:θ(h )为土壤体积含水量(c m 3/c m 3);θr 和θs 为残余含水量(c m 3/c m 3)和饱和含水量(c m 3/c m 3);α,n ,m ,l 为经验参数,l 一般取值为0.5;K s 为土壤饱和导水率(c m /h)㊂2.4 模型评价标准本研究将选取的155d 数据进行土壤水分模拟研究,同时用该时间段内的实测数据与模拟值进行对比来验证模型精度㊂评价指标包括相对误差(R E )㊁均方根误差(R M S E )㊁决定系数(R 2)㊂其中R 2的大小决定了实测值和模拟值之间的契合度,R E ,R M S E 越接近于0,R 2越接近于1,说明模型模拟的精度越高[16]㊂计算公式如下: R M S E =ðni =1(X i -Y i )2n(6) R E =ðni =1X i ðni =1Y i-1(7) R 2=ðn i =1(X i - X )ˑ(Y i - Y) 2ðni =1(X i - X )2ˑðni =1(Y i - Y)2(8)式中:X i 第i 个时间段的实测值;Y i 第i 个时间段的模拟值;n 为样本点数; X 为X i 的平均值; Y为Y i 的平均值㊂2.5 数据处理本文选用H Y D R U S -1D 软件建立并求解模型㊂使用E x c e l 和S P S S16.0进行数据分析,用单因素方差分析和最小显著差异法(L S D )进行多重比较(p <0.05)分析不同整地措施下各样地土壤水分通量之间的差异显著性,数据采用平均值ʃ标准差(M e a nʃS D )表示㊂采用O r i gi n2016绘图㊂3 结果与分析3.1 不同整地措施下土壤水分变化过程模拟图1 2为鱼鳞坑㊁反坡台及相应对照自然坡面样地0 100c m 的土壤水分实测值与模拟值的对比㊂根据R M S E ,R E ,以及R 2对各土层不同整地措施下的实测值与模拟值进行评价㊂由图1 2可知040c m 的鱼鳞坑及对照自然坡面样地㊁反坡台及对照自然坡面样地的模拟效果数据指标R M S E 的变化范围均在0.02~0.07m 3/m 3内,R E 值的变化范围在-0.34~0.77,R 2的变化范围在0.01~0.25内㊂根据R M S E 越趋近于0,R E 少于5%,R 2接近于1模拟效果越好的标准,综合得出在0 40c m 的模拟效果显著高于40 100c m ,而30 40c m 处的精度最好㊂结果表明该模型对该研究区样地0 40c m 的模拟效果大于40 100c m ,更适用于表层土壤水分的模拟,表层土壤水分对降雨的响应更加敏感㊂3.2 不同整地措施下土壤水分通量对降雨的响应由图3 4可以得出,单独降雨条件下,0 40c m内鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量比相应对照自然坡面样地平均提高了9.07%,4.20%㊂鱼鳞坑㊁反坡台与相应对照自然坡面样地在0 40c m 内的差值呈先增后减趋势㊂根据降雨量级的划分标准,降雨量<5mm 时,由于5 8月降雨最为集中,受前期大降雨事件的影响,各样地土壤水分通量在降雨量为2mm 时达到最大值,分别比相应对照自然坡面样地提高了1.01%,1.17%;降雨量为5 10mm 时,鱼鳞坑㊁反坡台的最大值为1.94%,1.42%,分别比相应对照自然坡面样地提高了1.20%,0.70%,土层深度为30,40c m ;降雨量在10 20mm ,鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量最大值为1.09%,0.59%,土层深度为10,20c m ,此时相应对照自然坡面样地仅为0.53%,0.41%;降雨量>20mm 时,鱼鳞坑及对照自然坡面样地㊁反坡台及对照自然坡面样地土壤水分通量最大值依次为1.27%,0.61%,0.63%,0.46%,鱼鳞坑反坡台的土层深度为10,20c m ,相应对照自然坡面样地均在40c m ㊂图3 4结合多重比较结果(表2)可知,鱼061 水土保持通报 第43卷鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量均显著大于相应对照自然坡面样地(p<0.05);鱼鳞坑土壤水分通量显著大于反坡台(p<0.05);鱼鳞坑㊁反坡台各土层间的土壤水分通量差异均不显著㊂注:图中C K均为自然坡面㊂下同㊂图1不同整地措施下0 40c m的土壤水分实测值与预测值对比F i g.1C o m p a r i s o no fm e a s u r e da n d s i m u l a t e d s o i lm o i s t u r e i n0 40c ms o i l l a y e r u n d e r d i f f e r e n t l a n d p r e p a r a t i o n s 161第5期董红霞等:基于H Y D R U S-1D模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟图2不同整地措施下40 100c m的土壤水分实测值与预测值对比F i g.2C o m p a r i s o no fm e a s u r e da n d s i m u l a t e d s o i lm o i s t u r e i n40 100c ms o i l l a y e r u n d e r d i f f e r e n t l a n d p r e p a r a t i o n s表2不同整地措施下土壤水分通量分布差异T a b l e2D i f f e r e n c e o f s o i lm o i s t u r e f l u xd i s t r i b u t i o n i n s o i l l a y e r u n d e r d i f f e r e n t l a n d p r e p a r a t i o n s整地措施各土层土壤水分通量0 10c m10 20c m20 30c m30 40c m鱼鳞坑0.99ʃ0.48a A1.11ʃ0.50a A1.04ʃ0.65a A0.98ʃ0.62a A 鱼鳞坑对照自然坡面0.22ʃ0.39b B0.33ʃ0.20b c B0.46ʃ0.22b c A B0.63ʃ0.41a b A 反坡台0.34ʃ0.24b B0.45ʃ0.21b A B0.61ʃ0.38b A B0.67ʃ0.53a b A 反坡台对照自然坡面0.09ʃ0.30b B0.21ʃ0.15c B0.24ʃ0.16c B0.40ʃ0.20b A 注:不同小写字母代表不同整地措施之间差异显著(p<0.05);不同大写字母代表同一整地措施不同土层之间差异显著(p<0.05)㊂本研究共筛选12次持续降雨事件进行分析,由图5,表3的结果可以得出:0 40c m内鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量大于相应对照自然坡面样地,与相应对照自然坡面样地的差值均随降雨量的增大而增大,差值均在0 20c m内最显著(p<0.05)㊂降雨量< 20m m时,鱼鳞坑㊁反坡台的最大值分别在10,20c m,降雨量>20m m时,鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量最大值所在的土层深度一致,最大值均在40c m㊂整体261水土保持通报第43卷上,鱼鳞坑的土壤水分通量显著大于反坡台(p <0.05),并且鱼鳞坑㊁反坡台各土层之间差异显著性在不同的降雨特征下表现不同㊂如在降雨量为5~10mm 时,鱼鳞坑㊁反坡台各土层之间的土壤水分通量差异显著性明显大于其他降雨条件㊂此时,鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量最大值(1.21%,0.61%)都在10c m ,分别比相应对照自然坡面样地提高了0.73%,0.46%㊂随后逐层下降至40c m 时,鱼鳞坑的土壤水分通量仍为0.85%~0.87%,而反坡台的土壤水分通量仅为0.53%左右,鱼鳞坑显著大于反坡台(p <0.05)㊂逐层下降过程中,鱼鳞坑在0 40c m 内各土层之间均有显著差异,反坡台则以20c m 为分界线,在0 20c m 内显著大于20 40c m ㊂综合来看,鱼鳞坑㊁反坡台这两种整地措施对0 20c m 内的土壤水分通量影响更大㊂在0 40c m 内,鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量比相应对照自然坡面样地平均提高了10.73%,4.72%,鱼鳞坑显著大于反坡台㊂各量级范围内持续降雨条件下鱼鳞坑,反坡台的土壤水分通量最大值大于单独降雨条件下的最大值㊂降雨量越大影响深度越大,在0 40c m 内鱼鳞坑的效果优于反坡台㊂图3 单独降雨条件下鱼鳞坑及其对照自然坡面样地0 40c m 层的土壤水分通量变化F i g .3 C h a n g e s o f s o i l w a t e r f l u x i n 0 40c ml a y e r o f f i s h -s c a l e p i t a n d c o n t r o l n a t u r a l s l o pe u n d e r c o n d i t i o n of i n d i v i d u a l r a i n f a l l 361第5期 董红霞等:基于H Y D R U S -1D 模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟图4单次降雨条件下反坡台及其对照自然坡面0 40c m层的土壤水分通量变化F i g.4C h a n g e s o f s o i l w a t e r f l u x i n0 40c ml a y e r o f r e v e r s e s l o p e p l a t f o r ma n d c o n t r o ln a t u r a l s l o p e u n d e r c o n d i t i o no f i n d i v i d u a l r a i n f a l l4讨论与结论4.1讨论本研究通过H Y D R U S-1D软件建立一维非饱和土壤水分运移数值模型,对不同整地措施下油松林的土壤水分变化进行模拟,发现模拟的土壤水分与实测数据的土壤水分整体变化趋势一致,但实测的土壤水分数据均高于模拟值㊂根据模型评价指标R M S E, R2,M S E标准以及参考张洛丹等[37]在对黄土高原侧柏㊁刺槐两种乔木林的土壤水分研究中,均方根的误差范围为0.02~0.03c m3/c m3,发现该模型在降雨条件下,对半干旱黄土区0 40c m土壤水分的模拟精度高于40 100c m的模拟精度㊂主要由于半干旱黄土区土层深厚,地下水埋深,常年降雨稀少[38-39],在研究期内的总降雨量为365.5mm,降雨量<20mm的事件占92.73%,降雨量在20 50mm的事件仅占7.27%,而杨磊等[29]在次降雨对土壤水分补给效率与阈值的研究发现油松林的降雨有效补给阈值为461水土保持通报第43卷26.4mm,且在20c m时降雨的补给延滞时间为81.8h,只有大降雨(>50m m)事件深层土壤水分才能得到补给㊂在不同降雨条件下坡面土壤水分的入渗研究中表明小雨(<10m m)入渗10c m,中雨(<25m m)入渗40c m,大雨(<50m m)入渗100c m[25]㊂本研究主要是降雨条件下短期内土壤水分动态模拟,未考虑降雨滞后效应的影响,因此土壤水分的模拟值低于实测值,且实际的降雨量对0 40c m土壤水分的扰动大于40 100c m㊂除此之外,在植被演替过程中,半干旱黄土区形成一些以旱生植被为优势的生态系统,如油松㊁侧柏㊁刺槐等[23]㊂植被根系的一些形态学指标又是探索土壤环境和吸收水分养分能力的重要指标[40]㊂图5持续降雨条件下各样地0 40c m层的土壤水分通量变化F i g.5C h a n g e s o f s o i lm o i s t u r e f l u x i n0 40c ml a y e r s o i l l a y e r u n d e r c o n t i n u o u s r a i n f a l l 561第5期董红霞等:基于H Y D R U S-1D模型的半干旱黄土区典型整地措施土壤水分动态模拟表3不同整地措施下同一降雨量级的土壤水分通量分布差异T a b l e3D i f f e r e n c e o f s o i lm o i s t u r e f l u xd i s t r i b u t i o n i n s a m e r a i n f a l l l e v e l u n d e r d i f f e r e n t l a n d p r e p a r a t i o n s降雨量/mm整地措施各土层土壤水分通量0 10c m10 20c m20 30c m30 40c m鱼鳞坑1.21ʃ0.38a A0.88ʃ0.38a b A1.05ʃ0.27a A0.91ʃ0.23a A<5鱼鳞坑对照自然坡面0.33ʃ0.11b c B1.14ʃ0.34a A B0.61ʃ0.15b A0.63ʃ0.20b A 反坡台0.51ʃ0.13b A0.58ʃ0.15b c A0.61ʃ0.16b A0.58ʃ0.17b A反坡台对照自然坡面0.14ʃ0.11c B0.26ʃ0.08c B0.41ʃ0.04b A0.46ʃ0.10b A鱼鳞坑1.22ʃ0.02a A1.12ʃ0.02a B1.00ʃ0.02a C0.87ʃ0.02a D5 10鱼鳞坑对照自然坡面0.47ʃ0.01c B0.54ʃ0.01c B0.58ʃ0.01b A0.57ʃ0.02b A B反坡台0.61ʃ0.01b A0.61ʃ0.01b A0.58ʃ0.01b B0.53ʃ0.01b C反坡台对照自然坡面0.14ʃ0.01d C0.31ʃ0.01d B0.43ʃ0.00c A0.44ʃ0.01c A鱼鳞坑1.31ʃ0.27a A1.22ʃ0.26a A1.10ʃ0.24a A0.95ʃ0.21a A10 20鱼鳞坑对照自然坡面0.38ʃ0.12b B0.55ʃ0.05b A B0.64ʃ0.14b A0.66ʃ0.18b A反坡台0.57ʃ0.04b A0.63ʃ0.09b A0.64ʃ0.14b A0.61ʃ0.16b A反坡台对照自然坡面0.12ʃ0.09c C0.25ʃ0.08c B0.42ʃ0.04b A0.47ʃ0.09b A鱼鳞坑1.03ʃ0.17a A1.39ʃ0.46a A1.67ʃ1.02a A1.72ʃ1.27a A>20鱼鳞坑对照自然坡面0.26ʃ0.31a A0.28ʃ0.35b A0.36ʃ0.27a A0.81ʃ0.39a A 反坡台0.33ʃ0.40a A0.34ʃ0.35b A0.78ʃ0.32a A1.21ʃ1.00a A反坡台对照自然坡面0.34ʃ0.23a A0.17ʃ0.21b A0.22ʃ0.28a A0.43ʃ0.01a A 注:不同小写字母代表相同降雨量级下不同整地措施之间差异显著(p<0.05);不同大写字母代表同一整地措施不同土层之间差异显著(p<0.05)㊂曾有研究也表明植被根系吸水和土壤水分动态有着密切的关系[41],可以间接或直接改善土壤稳定性[42]㊂陈雨等[43]基于H Y D R U S-1D探究植物根系对人工基质水分特征曲线参数的影响研究中表明植物根系对水分特征曲线中的饱和含水率及残余含水率有不同的影响㊂油松属于深根植被,在整地措施的长期作用下不同整地措施下植物根系的分布特征不同,不同土层深度的根系分布不同[35],因此导致不同深度的根系吸水对土壤水分的影响不同㊂但模拟过程中未将根系吸水的问题考虑其中,且模拟过程中采用的是均匀的压力水头,也可能导致模拟结果出现误差㊂综上所述,虽然模拟精度在40 100c m差异较大,但总体模拟值与实测值的变化趋势一致,能够反映土壤水分随时间的变化特征,与王宇祥等[28]基于H Y D R U S-1D对科尔沁半干旱区土壤水分的模拟结果以及张洛丹等[37]㊁W a n g Y u n q i a n g等[44]使用H Y D R U S-1D软件对黄土高原半干旱区的土壤水分模拟的研究结果一致㊂本研究进一步得出该模型对降雨条件下半干旱黄土区油松林土壤水分的模拟深度在0 40c m更为准确㊂本研究将降雨事件分为单独降雨事件和持续降雨事件,分析不同降雨条件下0 40c m内鱼鳞坑㊁反坡台整地措施对土壤水分通量的影响㊂结果表明在0 40c m内,单独降雨条件下鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量比相应对照自然坡面样地平均提高了9.07%,4.04%㊂持续降雨条件下鱼鳞坑㊁反坡台的土壤水分通量比相应对照自然坡面样地平均提高了10.73%,4.72%㊂在0 40c m内鱼鳞坑土壤水通量均显著大于反坡台(p<0.05),且持续降雨条件下土壤水分通量的提高更加明显,但鱼鳞坑土壤水分通量最大值的土层深度比反坡台的土层深度浅㊂如单独降雨条件下,鱼鳞坑的影响深度在0 30c m,其对照自然坡面样地的深度均在30 40c m,反坡台及对照自然坡面样地的影响深度在30 40c m,鱼鳞坑的平均土壤水分通量最大值为0.78%,深度为20c m,反坡台的最大值为0.37%,深度为30c m;但是持续降雨条件下,鱼鳞坑的平均土壤水分通量最大值为3.34%,深度为20c m,反坡台的最大值为1.28%,深度为10c m㊂说明无论单独降雨条件还是持续降雨条件鱼鳞坑㊁反坡台对表层土壤水分均有改善,但由于鱼鳞坑为坑状结构,在降雨较多的情况下可以更好的收集雨水,具有较好的蓄水性能㊂反坡台是通过平整大面积土地,减少土壤蒸发面积,从而提高土壤水含量,改善土壤持水能力㊂因此,在降雨较多的时候鱼鳞坑的蓄水效果较好[45-46]㊂曾有研究也表明鱼鳞坑在0 20c m的蓄水效率较高,反坡台在0 40c m的蓄水效率较低,降雨较多的情况下,鱼鳞坑有较好的蓄水效果[41],这一结论与本文结果一致㊂除此之外,冯天骄等[9]在对v a n-G e n u c h t e n程拟合的土壤水分曲线中整地后不同水吸力下土壤水分含量的研究中,同样表661水土保持通报第43卷。

天山北麓平原区包气带水分运移机理与数值分析HYDRU S—1D软件使用手册目录一、软件介绍二、安装指南三、使用指南四、实例介绍一、软件介绍HYDRUS —1D 是国际地下水模型中心公布的，计算包气带水分、盐分运移规律的软件，用它可以解算在不同边界条件制约下的数学模型。

若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：()(1)h K S t z z θθ∂∂∂⎡⎤=--⎢⎥∂∂∂⎣⎦式中：θ为含水率；h 为负压水头；S 为植物根系吸水量，对裸露区为0。

二、安装指南第一步：安装界面；第二步：选择安装目录；第三步：修改存放名称；第四步：安装进度显示条；第五步：完成安装；三、使用指南（一）初始界面软件开始界面如图所示：（二）数据输入及运行1、选择计算模块2、模型几何结构属性3、时间信息4、选择输出结果5、迭代步长6、土壤水运移方程7、岩性参数8、上、下边界条件确定9、上、下边界条件数据输入10、几何结构确定11、初始条件12、模型运行（三）运行结果1、剖面水头、含水率等计算结果3、参数属性5、水均衡信息四、实例操作流程介绍1、实例介绍对奎屯原位试验场包气带裸露区非均质水分运移规律进行模拟。

剖面岩性结构从上到下共7层；包括：壤土、粉壤土、粉质黏壤土以及砂质壤土4种岩性类型；水位埋深最大不超过9m；模型运行期为4月1号至11月20号，共234天。

选择万方程作为模型计算的方程；上边界为变化的负压边界，下边界为变化的水头边界；初始条件以4月1号观测的负压为准输入模型进行计算；输出每月最后一天的结果信息。

2、软件操作流程：第一步：软件可以进行计算的模块包括水分运移模块、溶质运移模块、热传导模块、植物根系吸收水分模块以及植物根系生长模块等，本次模拟只对包气带水分运移规律进行模拟，故选择水流模块，操作如下图所示：第二步：选定计算长度单位m，剖面岩性类型4种，从上到下共分为7层，计算深度为9m，操作如下图所示：第二步：选定计算时间单位Days，计算时间从4月1号至11月20号，共234天，边界条件随时间变化记录的最小间隔为1天，故随时间变化的边界条件记录数为234天，操作如下图所示：第三步：要求输出每月最后一天的计算结果，统计共有9天的计算结果，操作如下图所示：第四步：迭代误差限的选择以模型默认的为主，如果软件在运行的过程中出现计算不收敛的情况，可以通过适当调整误差限来达到计算收敛的目的，操作如下图所示：第五步：土壤水力传导模块选择土壤水计算中普遍认可的且通用的wan方程作为本次计算的拟合方程，计算中不考虑水分运移滞后现象，操作如下图所示：第六步：包气带4种不同类型土壤岩性参数，可以通过输入实验室土壤颗粒分析结果获得，操作如下图所示：第七步：水流运移模块上边界条件据实际情况选择随时间变化的水头边界，下边界选择随时间变化的水头边界，以变化的地下水位确定，初始条件选择压力水头来确定，操作如下图所示：第八步：输入随时间变化的上、下边界压力水头值，操作如下图所示：第九步：剖面不同岩性层位位置的确定，点击下一步即可。

利用HYDRUS-2D软件模拟污染事故后三氮污染物的迁移转化规律尹芝华;杜青青;翟远征;杨洁;郭永丽;左锐【摘要】以某污水处理池泄露污染水环境为例,利用HYDRUS-2D软件构建土壤水分运动和溶质运移模型,模拟三氮在该场地非饱和带垂向以及向下游地表水体的迁移转化过程,为定量预测识别该污水泄漏场地对下伏含水层和下游河流的影响提供技术参考.结果表明:(1)三氮在非饱和带垂向100 cm以内明显富集,但富集规律各异;(2)氨氮和亚硝态氮在整个模拟期内并未迁移至潜水面,对下游河流的影响微乎其微,最终污染下伏含水层和下游河流的是硝态氮;(3)硝态氮在污水泄漏事件发生后的第1 095天以0.024 0mg/cm3(即24mg/L)到达下伏潜水面,超过《地下水质量标准》(GB/T14848-93)中Ⅲ类限值(20 mg/L);(4)硝态氮在污水泄漏事件发生后的第938天以0.468 5 mg/cm3(即468.5 mg/L)的峰值到达下游河流,超过《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中规定的V类限值(2.0 mg/L).%A sewage treatment tank leakage of water pollution was taken as an example to construct the soil water migration and solute transport model by using HYDRUS-2D software.The migration process of the three nitrogens in the unsaturated zone and the downstream surface water weresimulated,providing the technical reference of quantitative prediction to identify the impact of the wastewater spill site on the underlying groundwater and downstream rivers.The results show that:(1) three nitrogens were enriching within 100 cm of the unsaturated zone,but the enrichment regulations were different.(2) Ammonia nitrogen and nitrite nitrogen did not migrate to the diving surface during the whole simulationperiod and their impacts on the downstream river were negligible.The final contamination entering the lower aquifer and downstream river was the nitrate.(3) Nitrate nitrogen reached the lower diving surface at a stable peak concentration of 0.024 0 mg/cm3 (24 mg/L) on the 1 095th day after the occurren ce of the sewage spill,exceeding the Ⅲ limit of nitrate nitrogen (20 mg/L) in the "Groundwater quality standard" (GB/T 14848-93).(4) Nitrate nitrogen reached the downstream river at a peak concentration of 0.468 5 mg/cm3 (468.5 mg/L) on the 938th day after the occurrence of the sewage spill and simultaneously the total nitrogen content exceeds the total nitrogen Ⅴ limit (2.0 mg/L) stipulated in the "Surface water environmental quality standard" (GB 3838-2002).【期刊名称】《环境污染与防治》【年(卷),期】2017(039)010【总页数】6页(P1071-1076)【关键词】三氮;非饱和带;迁移转化;数值模拟;HYDRUS-2D【作者】尹芝华;杜青青;翟远征;杨洁;郭永丽;左锐【作者单位】北京师范大学水科学研究院,地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京100875;北京师范大学水科学研究院,地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京100875;北京师范大学水科学研究院,地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京100875;北京师范大学水科学研究院,地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京100875;中国地质科学院岩溶地质研究所,国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;北京师范大学水科学研究院,地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京100875【正文语种】中文近年来，污染场地作为一个世界性环境问题，对人类健康和生态环境产生了严重威胁，并显著影响了土地和地下水资源的安全使用[1]。

基于HYDRUS-1D模拟的变水头入渗条件下VG模型参数敏感性分析张海阔;姜翠玲;李亮;朱立琴【摘要】采用单因素扰动分析法,分别对土壤水力参数残余含水量θr、饱和含水量θs、饱和导水率Ks、经验参数α和n进行扰动,选用HYDRUS-1D模型模拟南京市区2年一遇降雨条件下土壤水分入渗过程,分析变水头入渗条件下各土壤水力参数的敏感性,定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D输出变量土水势和累积入渗量的影响,简化后续模型率定工作,提高模型模拟精度.结果表明:在变水头入渗条件下,5个参数对土水势与累积入渗量敏感性排序均为n>Ks>θs>α>θr,其中α和n 对于地表0～10 cm附近的土水势影响较大,Ks与θr,以及θs与α对土水势影响规律类似;±25％扰动情况下,θs、Ks与n三者对累积入渗量的影响均大于10％.因此,在进行变水头入渗条件下模拟计算中应保证Ks、θs、α和n参数的准确性.%The single-factor perturbation analysis method was used for the sensibility analysis of soil hydraulic parameters, including the residual water contentθr, the saturated water contentθs, the saturated hydraulic conductivity Ks, the empirical parametersαand n.With the help of HYDRUS-1D model, the process of water infiltration in the soil was simulated for the two-year-once storm in Nanjing and the sensitivity of soil hydraulic parameter was evaluated for the varying-head infiltration, which can quantitatively describe the effects of soil hydraulic parameters on two output variables of HYDRUS-1D (soil water potential and cumulative infiltration), simplify the model calibration and improve the accuracy of model simulation.The results show that under the condition of varying-head infiltration, the parameter's influence degree on both soil water potential and cumulative infiltration are in thisorder:n>Ks>θs>α>θr.Empirical parametersαand n have a great influence on the soil water potential with a depth of 0～10 cm beneath the surface, and the influence are similar when changing parameters Ks, θrorθsandαon the soil water potential.In the case of±25％disturbance, the influencedeg ree ofθs, Ksand n on the cumulative infiltration are more than 10％.Therefore, the accuracy of Ks, θs, αand n should be ensured during the simulation of varying-head infiltration.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(047)001【总页数】9页(P32-40)【关键词】敏感性分析;非饱和土壤水运动;土水势;HYDRUS;变水头入渗;土壤水力参数;单因素扰动;数值模拟【作者】张海阔;姜翠玲;李亮;朱立琴【作者单位】河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098;淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏淮安 223005;河海大学马克思主义学院,江苏南京 210098【正文语种】中文【中图分类】S152.7;TV12非饱和土壤水是联系地表水与地下水的纽带,因此非饱和土壤水运动一直以来都是土壤水研究的重要内容,在水文学、农业灌溉、污染物传输等方面均得到广泛应用[1]。

H Y D R U S(2D/3D)天津城建大学模拟在变饱和介质中水、热、复合溶质的二和三维运动软件包用户手册版本1.022007.05目录摘要HYDRUS图形用户界面介绍1.项目管理和数据管理2.项目几何信息3.水流参数3.1 主要过程3.2 反向求解3.3 时间信息3.4 输出信息3.5 迭代准则3.6 土壤水力模型3.7 水流参数3.8 神经网络预测3.9 在导水率中各向异性3.10 溶质迁移3.11 溶质迁移参数3.12 溶质反应参数3.13 溶质迁移参数温度依赖3.14 热扩散参数3.15 根系吸水模型3.16 根系吸水参数3.17 根系分布参数3.18 时间变量边界条件3.19 人工湿地4.迁移域几何4.1 边界对象4.1.1 点4.1.2 线和折线4.1.3 弧线和圆4.1.4 曲线和样条曲线4.1.5 移动、复制、旋转和镜像操作4.1.6 附件操作4.2 表面4.2.1 定义一个二维域的步骤4.2.2 几何正确定义几个注意规则4.2.3 内部对象4.3 打开4.4 立体图形4.4.1 立方体分为土柱4.4.2 立方体分为次层4.4.3 在不同厚度矢量上次层不同厚度的各自特征 4.4.4 定义一个三维层域的步骤4.5 厚度4.6 辅助对象4.6.1 尺寸4.6.2 标记4.6.3 位图（结构）4.6.4 横断面4.6.5 网格线4.7 对象其它注意事项4.7.1 对象编号4.7.2 对象间关系4.7.3 对象间参考和写一列Index规矩4.8 从一文本文件输入几何5. 有限元网格5.1 有限元网格创建5.2 结构的有限元创建5.3 非结构的有限元创建5.4 有限元网格改良5.5非结构的有限元创建MeshGen2D5.6 有限元网格统计5.7 有限元网格部分6.域特性、初始与边界条件6.1 默认与特性6.2 初始条件6.3 边界条件6.4 域特性7.图形输出7.1 结果-图形显示7.1.1 显示选项7.1.2 编辑Isoband值和彩色光谱7.2 结果-其它信息7.2.1 转化到ASCII8.图形用户界面部分8.1 视图窗口8.1.1 屏幕和视图命令8.1.2 坐标方格与工作面8.1.3 伸缩因子8.1.4 渲染模型8.1.5 选项和编辑命令8.1.6 弹出菜单8.1.7 拖拉与放弃8.1.8 部分8.2 导航栏8.3 编辑栏8.4 工具栏8.5 HYDRUS菜单9.杂项信息9.1程序选项9.2 HYDRUS许可证与激活9.2.1 请求准则9.2.2 安装、移到其它电脑9.3打印选项9.4 坐标体系9.5 在计算时期DOS窗口9.6 可视文件参考文献Introduction to the HYDRUSGraphical User Interface(HYDRUS图形用户界面介绍)过去几十年，模拟在地下水流和污染物迁移的复杂数值模型暴增，包括处理在土壤表面与地下水位之间非饱和或渗流区一和多维水流和迁移过程模型。