-
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
1.02
2007.05
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
MeshGen2D
5.6
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 <
/p>
编辑
Isoband
值和彩色光谱
7.2
结果
-<
/p>
其它信息
7.2.1
转化到
ASCII
8.
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 HYDRUS
Graphical 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。
尽管现在有丰富的精确模型可以利用，
但
它们主
要问题是庞大的数据准备、
数值网格设计与输出图解表示
法限制了最
优使用，因此，
多维模型广泛使用使得创建、操作和
显示大数据文件
变得简单并且促进了数据管理间的互动。
此技术
将会使用者从冗长的
人工数据处理解放出来，
具体案例的实施会
提高效率。
为了避免或简
化二或三维应用相对复杂输入数据文件
的准备和管理，
以及图形显示
最终模拟结果，我们研发了一个管
理系统
Windows95
、
98
、
NT
、
ME
、
XP
环境的交互式基于图形用户友好界面
HYDRUS
。直接连接此界面到
计算
准则。
HYDRUS
图形用户界面当前版本
1.0
代表了
HYDRUS-2D
的
版本
2.0
完全重写，并拓展它的能
力到三维问题。
附件信息到此用户手册，
广阔的上下文相关的在线帮助为图形用
户界面
(GUI)<
/p>
的部分。当工作在任何窗口按
F1
按钮或
点击帮助按钮，
用户获得关于窗口内容信息。此外，在每一模块使用
帮
助按钮可用上下文相关的帮助。
在此模块，
鼠标光标变为帮助光标
（一
组合箭头
+
问号）
，用户可以选择一需
要帮助特定对象（如：菜单项，
工具栏按钮或其它特征）
。在那
点，将显示一个帮助文件，给出关于
用户点击项信息。
除了计算
模块用
FORTRAN
写外，
用
C++
写整个
GUI
。
The HYDRUS Graphical User
Interface
为定义系统总的计算环境
的主要程序单元。
此主要模块控制此程序执行和决定特定应用其它优
先模块。此模
块包括项目管理和预处理、后处理单元。此预处理单元
包括指定成功运行
HYDRUS
FORTRAN
准则所有必要参数
(
模块
H2D_CALC, H2D_CLCI, H2D_WETL
，
H3D_CALC)
，相对简单的
矩形和六面体迁移域的网格生成器，
对
于非结构的有限元网格的一个
网格生成器适合与更复杂的二维域，
一个小的土壤水力特性目录，
和
从纹理信息生成土壤水力特性
的
Rosetta
Lite
程序，在
选择观测节点
上特定变量的分布与时间，
以及穿过特定类型边界
实际或累积的水流
与溶质通量。后处理单元也包括以等值线图、网线密度、谱图、速度<
/p>
矢量以及用等值线与谱图制作方式呈现模拟结果选项。
图
1
显示了
HYDRUS
图用户界面的主窗口，
包
括了它的主要组成，
如：
Menu
（菜
单）
、
Toolbars
（工具栏）<
/p>
、
View Window(
视图窗口<
/p>
)
、
Navigator Bar(
导航栏
)
、
Tab
s
（标签）
、和
Edit bar(<
/p>
编辑栏
)
。使
用
这些项贯穿于此整个用户手册。
下面文本提供了一个图形用户界面
所有主要成分详细描叙。
最后此用户手册目录给出此菜单所有易理解
< br>的命令（表
14
）以及采取特定命令行动简洁讨论（表<
/p>
15
）通过在线
帮助可得到更详细的描叙
。
通过打开项目管理（看章节
1
）开始新项目工作，并起个名字和
简短描叙此新项目。紧接着出现<
/p>
Geometry IMformation
（几何信息）
对话框（图
6
与
7<
/p>
）
（选择此窗口也可从预处理菜单）
。从
程序此点通
过的输入文件输进过程浏览用户。
用户可能从菜单选
择特定的命令或
允许界面通过选择
Next
按钮输入的输入数据过程引导他们。点击
Previous
按钮将返回用户到以前窗口。在
Navigator
Bar
（导航栏）
中
Data
Tab
安顺序列出预处理与后处理过程命令和过程。
< br>在
Edit
Bar
中绿色箭头
引导用户对于一特定命令按顺序或先前输入过程。使用
Toolbars
和
Menus
，或
Navig
ator
与
Edit
Bars
，许多命令和过程可
以选择性的进入。
t Manager and Data
Management
（项目管理人和数据管理）
使用
Project
Manager
（命令调用：
File->Project
Manager
, Figs. 2 and 3)
管
理正存在的项目数据，和帮助定位、打开、复制、删除、重命名所需项目或他们
< br>的输入或输出数据。
Project
代表用
HYDRUS
求解的任何特定问题。
项目名字，
项目简短的描叙
（
Fig.4
）
，
帮助定位一个特定问题。
当使用
Temporary Working
Directory
（临时工作目录）
项
(Fig. 4)
时，
通过
project_name.h3d
文件代表包含所
有输入与输出数据的项目。当选择
Permanent Working Direc
tory
（永久工作目录）
项时，仅包含输入数据。从
project_name.h3d
文件选取
H
YDRUS
输入文件（计算
模块使用）
到一工作子目录；
通过计算模块创建输出数据送到同一文件夹。
当保
存一个项目时，也包含输出文件（计算模块创建）到
pro
ject_name.h3d
文件
(
当
使
用
Temporary
Working
Directory
（临时工作目录）项
)
。输入和输出文件可永久
保存在外部工作目录，或保存在此文件夹仅在计算期间
(Fig.
4,
单选按钮
Temporary
–
is
deleted after closing the project
and
Permanent
–
result files are kept
in
this
directory
)
。指定外部工作目录的位置在
Project
Description
(Fig.
4)
和
Program
Options
对话框窗口
(Fig. 116)
。
Figure 2. The project
Manager with the Project Groups tab.
Project Manager
给用户在组织他们项目相当大
的自由。
此项目被分组为在可
访问存储器中任何位置可被代替的
Project Groups (Fig. 2)
（即：
当地或网络硬盘）
。
Project Ma
nager
服务组织项目到用户定义的逻辑组。每个项目组有自己的名字、
描述和路径
(Figs. 2 and
5)
。
一个
Project Grou
p
可以是任何存在的可理解的子目录
（文件夹）。安装
HYDRUS
与两个默认项目组
2D_Test
s
与
3D_Tests
一起，他
们在
HYDRUS3D
文件夹。此
2D_Tests
与
3D_Tests
包含二和三维问题检测案
例。我们建议用户创建他们自己项目组
(
如：
My_2D_Direct
,
My_2D_Inverse
,
和
My_3D_Direct
项目组<
/p>
)
，
和保持提供的完整案例以备将来参考
。
用户可以用标准
文件管理软件复制项目组（或与同行和客户端
分享他们
HYDRUS
项目）之间项
目
，如：
Windows
Explorer
（
Windows
资源管理器）。在那情况必须仅复制
project_name
.h3d
文件（当关闭使用的项目后单选按钮临时
-
被删除，
Fig.4
）。当
永久保存临时数据在工作目录（即：单选按钮永久
-
结果文件
被保存在此目录，
Fig.4
）复制工作目录必须与
project_name.h3d
文件一起。
Figure 3. The Project
Manager with the Projects tab
用一个名字与一个简洁的描述一个项目，
此项目管理也显示特定
问题
（类型）
的规模，
其过程涉及
(W
–
water flow,
S
–
solute transport, T
–
heat
transport,
R
–
root water uptake, Inv
–
Inverse problem)
，项目尺寸（
MB
），当创建
此项目
（
Date
）和无论结果是否存在（
F
ig.3
）时。此
Project
Manager
也可显示
Projec
t
的图形预演
（看在
Fig.3
中显示的项目预演复选框）
。
Projec
t Manager
的命
令列在表
1<
/p>
。
从
Project Manager
对话框窗口的
Project Tab
获得
New
与
Rename
命令
(Fig.
3)
叫
Project
Information
对话框窗口
(Fig. <
/p>
4)
，包含项目的名字、描述以及关于
P
roject Group
（项目组）信息（名字、描述、路径）到它的项目属。也包括
无论
是否永久保存在外部目录中的输入与输出数据的信息
（此单
选按钮在关闭此项目
后删除临时和保存在此目录中永久结果文件，
Fig.4
）。
Figure 4. The Project Information
dialog window
Figure 5. General description of the
HYDRUS Project Group
HYDRUS-2D
以前版本
2.0
创建的项目可以用两种方式输入到
HYDRUS
当前版
本：
A.
用此命令
File->Imp
ort
and
Export->Import
HYDRUS-2D
Project
可以转
换各自项目。第一次创建一新的
Project
时做，然后选择以上命令并浏览用
HYDRUS-2D
< br>以前版本创建的项目位置。转换老的项目的输入数据到新的
HYDRUS
板式。当需要修改或重新计算项目时，用
HYDRUS
< br>新的版本可以看见
老的项目的结果。
Ｂ．用
Project
Manager
（项目管理器）的
C
onvert
（转换）命令可以同时转
换复合的ＨＹＤＲＵＳ－
２Ｄ项目。首先创建一个ＨＹＤＲＵＳ项目组文件夹，
ＨＹＤＲＵＳ－２Ｄ放置在里面，
并选择在
Project
Manager
的
Project
Tab
中的
Show
HYDRUS-2D Projects
项。然后选择将要转换的项目并点击
Project
命令。用
这种方式ＨＹＤＲＵＳ创
建ＨＹＤＲＵＳ项目和在
project_name.h3d
文
件中存储
所有输入与输出文件。
使用
ＨＹＤＲＵＳ图形用户界面（此直接修改
project_name.h3d
文件）或手
工修改输入文件来编辑输入数据。
在此
情况，
ＨＹＤＲＵＳ输入文件需被保存在
工作外部目录中（
HYDRUS Solver
的
File->Import and
Export->Export Data
命令
发送这些）<
/p>
，和从
*.In Files
用
File->Import
与
Export->
Import Input
Data
命令输回到
HYDRUS
project_name.h3d
文件
。
Working Directory
（工作目录）是一个程序
存储临时数据的文件夹。每一次
打开项目有他自己的程序存储工作目录，
例如：
计算模块的输入文件且在那计算
模块写输出文件
。当保存一个项目时，复制来自工作项目的数据到主项目文件
project_name
.h3d
。
当关闭此项目时，此工作目录被删除。仅当用户选择
此项
“
Permanent
–
result files are kept in
this directory
” (Fig. 4)
时，
在关闭此项目后不删
除此工作目录。在这种情况，临时数据不复制到
主项目文件。
2. Projects Geometry
Information
（项目几何信息）
< br>HYDRUS
可以求解二和三维迁移域的水流、溶质和热迁移。在
Geometry
Information
对话框中
选择几何类型（
Fig.6
与
7
）。在此对话框，用户指定
Type of
Geometry
（几何类型）、
Domain
Definition
（定义域）、
Length Units
（长度单位）
和
Initial
Project
Group
（初始项目组）（迁移域近似尺寸）
Figure 6. The Geometry
Information dialog window (with 3D preview).
Type of Geometry
（几何类型）：在用户创建一个新项目后用户碰见的第一
个对话框窗口，
必须指定是发生在二维还是三维迁移域的流动和迁移问题，
二维
流动与迁移可以发生在水平或垂直面，
或在一轴对称的准三维迁移域。
当选择一
个三维轴对称的系统，
z-
坐标必须与系统的垂直轴一致。显示选择的
2D
或
3D
几何的典型案例在对话框窗口的预览部分。
Figure 7. The Geometry
Information dialog window (with 2D axisymmetrical
preview).
Domain Definition
（定义域）：这部分允许用户选择有结构的有限元网格简
单几何
、
或有非结构的有限元网格更普遍几何。
根据授权仅能使用简单
几何。
通
过三条直线定义简单的长方形域，
一时域的底部二为两边，
上边界可能是也可能
不是直的。注
意：在这种情况，沿着上边界线可能有变量
x-
和
z-
坐标。然而，
下边界线通常必须是水平的（或有
一指定斜坡），但左和右必须是垂直的。然后
离散化此流域为结构化的三角网格。
六面体域必须与长方形域有相似的特性，
即：
侧面垂为直面，
底部边界为水平
（或一指定的边坡）
面，
仅上边界不必是一平面。
例如图
8
所示的简单长方形和普通的二维几何，
例如图
9
给出的一个六面体三维
几何。
对于二维和三维问题，
定义简单几何在
Rectang
ular
（长方形的）
（
Fig.10
）或
Hexahedral
（六面体的
）域定义（
Fig.11
）对话框中。
每一个这些窗口，
用户必须指定迁移域的垂直和水平尺寸，
以及
底面
在不同方向上可能的斜坡（如果适当，为在
x-
方向和为
y-
方向）
。显
示所有几何参数一个简单案例的对话框中间的预览可以帮助用户指
定他们需要的迁移域（尺寸和斜坡）
在
Geometry Information
（
几何信息）对话框窗口（
Figs.6
和
7
），用户也
可选择贯穿
此应使用的几何单位（
mm
、
cm
、
m
）和
Init
ial Project Group
（初始
项目组）的尺寸。
当在想输期间或读取输入数据后改变单位时，自动转换所有
输入变量为到新的单位。
Initial Project Group
< br>（初始项目组）
：
对话框的这部分允许用户定义几何视<
/p>
图窗口的初始尺寸。
根据在几何信息对
话框窗口（
Fig.6
和
7
）中的选择，这里三维迁移域有三
种类型（立方体，看
4.4
部分）
?
3D-Layered
–
Hexahedral:
固体这种
类型有一个
Hexahedral Shape
（六面
体形状）
并用基础尺寸定义。
在
x
和
y
维度上，
此底面可有一定的斜坡
（
Fig.9
）
。
?
3D-Layered
–
General:
用
Base Surface
（
底面）（看
4.2
部分）并
一或更
多
Thickness Vectors
（
厚度向量）（看
4.5
部分
）定义立方体此类型。
?
3D-Ge
neral:
用一组形成立方体边界的表面定义立方体此类型，此选择在
HYDRUS
当前版本是不可能的。
3. Flow
Parameters
（水流参数）
3.1. Main
Processes
（主要过程）
在此
Main
Processes<
/p>
（主要过程）对话框窗口（
Fig.12
），用户指定将要模
拟的过程，即：水流、复合溶质迁移、热扩散、根系吸水。
当选择水流项时，
此程序自动考虑瞬时水流。
不然，
此准则从指定的初始和
边界条件
计算稳态水流。这样计算的成功根据复杂性和
/
或问题的非线性
。如果
成功，那么此模型运行在定边界条件和可能要求长模型时间。
如果溶质迁移、热扩散或根系吸水项起初考虑在用户关闭一个存在的项目，
此程序发出一个关于将丢失所有关于这些的数据的警告。
如果不考虑此
丢失，
我
们推荐用户首先在关闭溶质迁移、
热扩散或根系吸水项之前复制当前项目的输入
数据到一个新项目。
< br>
如果求解
Direct
（正算
）或
Inverse problem
（逆问题），对于二维问
题，用
户也可以选择。逆算问题涉及从可用的经验数据选择的参数的模拟。
3.2.
Inverse Solution
（逆向求解）
对于从测量的瞬时或稳态流动和
/
或迁移数据，土
壤水力、溶质迁移和反应
参
数
的
逆
向
计
算
，
HYDRUS
实
施
了
Marquardt-Levenberg
类
型
参
数
模
拟
技
术
(?i
m?nek
和
Hopmans, <
/p>
2002)
。仅当选择在主要过程对话框窗口（
< br>Fig.12
）中的
Inverse Problem<
/p>
（逆向问题）
，
此
Inverse Solution
（逆向求解）
对话框窗口
（
Fig.13
）
出现。用户从指定的经验数据选择将最优化（计算
…
）的参
数（土壤水力、溶质
迁移和反应、热扩散参数）。
也可以在目标函数选择
Weighting
of
Inversion
Data
（
逆向数据的权重）的
方法。。用户可
以选择无权重、平均比率权重、或标准偏差权重。当选择无权重
时，需要提供在
Data for Inverse Solution
（逆向求解数据
）对话框窗口（
Fig.14
）
上特定
数据点的权重。
当选择平均比率权重或标准偏差权重时，
此准则
以不同数
据组（如：含水率、压力水头、浓度
…
）的平均值或标准偏差计算并调整成比例
的权重。
这些
内部权重可能一直乘以从
Data for Inverse Solution
（逆向求解数据）
对话框窗口（
Fig.14
）的权重。
可以用浓度的不同类型定义溶质迁移参数逆向估计的目标函数。
可以使用的
Concentration Types
（浓度类型）是：
a
）液相固有浓度、
b)
流
出（通量）浓度、
d
）溶质浓度通量、
e
）累积浓度（溶质）通量、
f
）总的
固有浓度。总的固有的
浓度包括吸附和非均衡相的浓度。
在此对话框窗口也指定逆向求解迭代的最大数。
如果选择迭代零数，
那么仅
执行整箱模型。然而，用户可以一直进入测量的数据，在
这种情况，此准则比较
用测量数据的正向模拟的结果。
在
Data for Inverse Solution
（逆向求解数据）表（
Fig.14
），用
户指定将在
参数最优化过程期间分析的测量数据。可以用数据许多不同类型定义目标函数
，
目标函数将得到简化。根据
Type
（类型）和
Position
（位置）值理解在
X
和
Y
列的
< br>数值。
Weight
（权重）
为与特定数据点联系的权重，目标函数包括如下信息：
根据参数
Type
（类型）的值，第一列（
X
）
包含如下信息：
根据参数
Type
（类型）的值，第二（
Y
）和第四（
Position
）列包含如下信
息：
3.3. Time
Information(
时间信息
)
此
Time Information
对话框窗口
（
Fig
.
15)
包含与
Time Discretizati
on
（
时间离
散化）
< br>、
Time Units
（时间单位）
< br>、
以及实施的
Boundary Conditions
（边界条件）
.
有关的信息。
Time
Units
时间使用贯穿整个应用（日、时、分、秒）。当在数据输
入期间
时间单位
或之后改变单位时，那么自动转换所有的输入变量为新单位。
Initial
Time
即计算的开始时间
初始时间
Final
Time
即计算的结束时间
结束时间
Initial
Time
Step
初
始
时
间步长
初始时间增量，
dt
。初始时间步长必须是正在求解问题类型的函
数。
高压
力梯度问题
（如：
入渗到初始为干燥的土壤。
< br>）
以及高非线性土壤水力特性土壤要求相对较小的初始
时
间步长。使用此初始初始时间步长在模拟的开始或
无论何时边界条件实质性改变（如：水
流通量以
25%
或更多改变。
Minimum
时间增量的最小允许值，。此最小时间步长必须小于
a
）初始时
Time Step
最
间步长，
b
）显示
时间之间间隔，
c
）时间变量边界条件记录之间
小时间步长
Maximum
的间隔。
时间增量的最大允许值，。
此最大时间步长可以为一个相对较大
Time Step
最
的数（通过此程序选择此最优化的时间步长），例如除非模拟一
大时
间步长
Boundary
Conditions
（边界条件）
Time-Variable Boundary Condition
–
当选择此复选框时，
必须指定时间依赖
边界记录和时间依赖边界条件的数量。不然，假设边界条件为关于时间为常数。
3.4. Output
Information
（输出信息）
此
Output
Informati
on
（输出信息）对话框窗口（
Fig.16
< br>）包含
HYDRUS
计
算模块控
制输出的信息。
天期间的温度要求小的时间步长。
在对话框窗口的
Print Options
< br>（打印项），使用者决定是否一些信息包含平
均压力水头与浓度、
平均水流与溶质通量、
累积水与溶质通量、
和在每一时
间步
长显示的时间与迭代信息
(T-Level Inform
ation)
，在
n
时间步长（每
n
时间步长）之
后，在一个肯定定义时间间
隔（间隔输出），或如果在计算期间发送信息到屏幕
（屏
幕输出）。当模拟结束，默认要求用户点击键盘上的
Enter
键从计算窗口返
回到
GUI
（图形用户界面）。通过取消
Hit Enter at the
End
（最后点击
Enter
）
不能此行为。
T-Level
Information
（
T
—水准信息）
：
此复选框决定是否关于平均压力水
头与浓度、
平均水
流与溶质通量、
累积水流和溶质通量、
和时间与迭代信息的一<
/p>
些信息被打印在每一时间步长、
n
时间步
长之后、或仅在预选择的时间（打印时
间）或时间间隔。
Interval Output
（间隔输出）
用户可以指定是否关于平均压力水头与浓度、
平均水流与溶质通量、
累积水流和溶质通量、
和时间与迭代信息的信息在一个规
< br>定时间间隔被打印。
Screen Output
（屏幕输出）：
复选框决定是否关于模拟运行的信息在
HYDRUS
计算准则执行期间将打印到屏幕。
我们
推荐对正向问题使用此复选框，
但逆向问
题不。
在对话框窗口的此
Print Times
（
显示时间）
部分，
使
用者指定显示时间
(
Count
（总数
）
)
的数量，其中将显示关于压力水头、含水率、浓度、温度、
通量、和
土壤水和溶质平衡的详细信息。点击此
Default
（默认）命令按钮将导致显示信
息在初始和结束时间之间平均分
布。
最后在此
Subregions
（子区）部分，使用者选择区域的数量，其中将计算和
显示质量
平衡到
输出文件。
3.5. Iteration
Criteria
（迭代标准）
Iteration Criteria
（迭代标准）
对话框窗口
(
Fig
.
17)
包含与用于求解
Richards
方程迭代过程相关的信息。因为
Richards
方程非线性
性质，必须使用迭代过程获
得一般矩阵方程在每一新时间步长的解。
对于每一次迭代，
首先得到线性代数方
程系统，然后要么使
用
Gaussian
elimination
（高斯消元法）要么使用共轭梯度法
求解。
在求解矩阵
方程后，
使用此方程重新计算此系数并再次求解此新方程。
此<
/p>
迭代过程继续直到获得收敛为满意水平，即：直到在饱和（非饱和）区域所有节
点在两次成功迭代之间压力水头
（含水率）
的绝对
改变为小于通过强加利用绝对
Pressure Head
(
或
Water
Content
)
Tolerance
（压力水头（或含水率）公差决定
的
么小值。
首先通过外推法从在先前两个时间水平的压力水头值获得在每一时间
步长不知压
力水头的计算（在零迭代）。
此对
话框窗口的迭代准则部分，
用户可以指定在一次时间步长期间迭代最大
< br>数、和含水率以及压力水头精确公差。
Max.
Number of Iterations
在流域非饱和部分节点的绝对含水率公差
[-]
。
当在
Water Content Tolerance
在流域饱和部分节点的绝对压力水
头公差
[L]
。当
< br>在特殊时间步长期间两次成功迭代之间的压力水
头小于此参数时，
此迭代过程停止且数值求解过程
特殊时间步长期间两次成功迭代之间的含水率小
于此参数时，
此迭代过程停止且数值求解过程进入
新的时间步长。推荐和默认值为
0.001
。
在任何时间步长期间允许的迭代最大数，
尽
管使用
修改的
Picard
方法求解非
线性
Richards
方程，
推荐和<
/p>
默认值为
10
。
Pressure Head Tolerance
进入新的时间步长。推荐和默认值
为
1cm
。
指定在对话框窗口的
Time Step Control
（时间步长控制）
部分中的信息与在
计算期
间时间步长的自动调整有关。在
HYDRUS
中介绍四种不同时
间离散化：
（
1
）与数值求解联系的时
间离散化，（
2
）与边界条件实施联系的时间离散化，
（
3
）与使用在逆问题中的数据点联系的时间离
散化，
（
4
）提供计算结果显示输
出的时间离散化（如：依赖变量、水流、溶质质量部分、以及关于流态的其他信
息的节点值）。
离散化
2
、
3
、
4
是相互独立的；当描述在输入文件时，它们一般涉及变时间
步长（<
/p>
Time-Variable
Boundary
Conditions
（
可变时间边界条件）
,
Fig
.
32
和
Output Inform
ation
（输出信息）
,
Fig
.
16)
。
< br>离散化
1
随规定的初始时间增量开始。
< br>根据如下规则在每一时间水平自动调整此时间增量：
a
）
.
离散化
1
必须与离散化
2
、
3
、
4
得到的时间值保持一致。<
/p>
b
）
.
时间增量不能小于规定的最小时间步长，，也不能大于最大时间时间步
长（即：）。
c
）
< br>.
在特殊时间步长期间，如果迭代数必须收敛是
3
，通过乘以预定常数来
增加下一时间步长的时间增量。如果迭代数，下
一时间水平乘以一个常数
1
（通
常在<
/p>
0.3
与
0.9
之间）。
d
）
.
在特殊时间步长期间，如果在任何时间水平的迭代数大于规定的最大数
（通常在
10
与
50
之间），决定那时间水平的迭代过程。时间步长随后重设为
/3
，
且迭代过程重新开始。
< br>我们注意：
在对于溶质迁移通过采用的解决方案也影响执行期间，
最优时间
步长的选择。
表<
/p>
6.
时间步长控制变量
Lower Optimal
Iteration
Range
（最低优化迭代范
围）
Upper Optimal
Iteration
Range
（最高优化迭代范
围）
当对于水流迭代数必须达收敛小于此数时，时间步长乘以
最低时
间步长乘法因子（增加时间步长）。推荐和默认值
为
3
。
当对于水流迭代数必须达收敛大于此数时，
时间步长乘以
最高时间步长乘法因子（减小时间步长）。推荐和默认值
< br>为
7
。
Lower Time Step
如果对于水流迭代数必须达
收敛小于最小优化迭代范围
Multiplication
F
actor
（
最低时间步
时，时间步长
乘以此数（增加时间步长）。推荐和默认值
长乘法因子）
为
1.3
。
Upper Time Step
Multiplication
如果对于水流迭代数必须达收
敛大于最高优化迭代范围
时，时间步长乘以此数（减小时间步长）。推荐和默认值
Factor
（
最高时间步
< br>为
0.7
。
长乘法因子）
Internal
Interpolation Tables
（内部内插表）
.
在数值计算的开始，在流域对
于每一土壤类型，
HYDRUS
生成关于含水率、导水率，以及从水力参数指定的
组指定水能力的表。
然后，
在迭代求解过程期间在进入
表之间使用线性内插计算
水力特性的值。如果在某些节点上压力水头
h
落在规定的区间
(
ha, h<
/p>
b
)
之外，从水
力函数直接计算在那节点水力特性（即：无内插）。发现以上内插技术比压力水
头在整个
范围上的水力函数直接计算更快。通过设置
ha
和
h
b
都为零可以避免使<
/p>
用表的内插。那么常常从水力函数直接计算土壤水力特性（即：无内插）。对于
区间
(
ha, h
b
)
也将给出土壤水力特性的输出图形。
Lower
limit
of
the
tension
压力水头区
间下限的绝对值
[L]
，对此每一种物质
interval(
张力区间的下限
)
将内部生成水力特性的表。
Upper
limit
of
thetension
压力水头区间下限的上值
[L]
，对此每一种物质将
interval(
张力区间的上限
)
内部生成水力特性的表。
最后，在对话框窗口的
Initial Conditions
（初始条件）部分，用户是否以压
力水头或含水率方式指定水流
计算的初始条件。
3.6. Soil Hydraulic
Model
（土壤水力模型）
在
Soil
Hydraulic <
/p>
Model
（土壤水力模型）对话框窗口
(
Fig
.
18)
，用户选择
Hydraulic
Model
（土壤水力模型）用于描述土壤水力特性，并指定在
计算期间
是否考虑
Hysteresis
（滞后作用）。
Hydraulic Model
（水力模型）
:
对于土壤水力特性，此准则允许用户选择六
种类型模
型：
a
）
van
Genuchten-Mualem
模型
[
van Genuchten
,
1980], b)
进空气
值为
-2
cm
的
van
Genuchten-
Mualem
模型
,
c)
修改的
van
Genuchten
型方程
[
Vogel
and Cislerova
, 1988],
d)
Brooks and
Corey
方程
[1964],
e)
Kosugi
的对数分布模型
[1996],
以及
f)
二元多孔模型
[
Durner
, 1994]
。用户可以选择假设用
g
）含水率还
是
h
）压力水头按比例在可动与不可动区之间支
浪迁移两个二元多孔非均衡水流
模型。至于这些模型的详细描叙查看
HYDRUS
的技术手册。在
HYDRUS
当前版
本两个其它方式（渗透性模型和查表）是不可用的。
Hysteresis
（滞后作用）
:
当使用
van
Genucht
en
模型时，可以使用要么
a
）非
滞后描述（无滞后作用），
b
）仅在持水曲
线滞后描述（滞后作用在持水曲线），
或
c
）在持水曲线和导水率曲线都滞后描述（滞后作用在持水曲线和导水率）。
当假设滞
后作用在土壤水力特性时，
用户必须指定初始条件是与主吸湿持水曲线
< br>联系
(
Initially Wetting Curv
e
（
初始吸湿曲线
)
< br>）
还是主脱湿
(
Initial
ly Drying Curve
（初始脱湿曲线）
)
持水曲线联系。通过使用
by
Scott et al.
[1983]
的经验模型，
HYDRUS
准则合并滞后作用
Kool
and Parker
[1987]
也使用此模型，他修改此公
式来计算滞留空气。
尽管事实相对简单，
已发现以上模型有时遭受所谓的泵浦效
应，在那滞后作用循环可以移动到持水函数物理非现实部分。在
HYDRUS
中，
我们也可以合并通过保持历史反转点的追踪计算泵浦
Lenhard
et
al
[1991]
和
Lenhard and
Parker
[1992]
的滞后作用模型。
3.7. Water Flow
Parameters(
水流参数
)
在
Water Flow
Parameters(
水流参数
)
对话框窗口
(Fig.
19)
指定土壤水力模型
的参数。
<
/p>
在所有模型
(
即：
Brooks
and
Corey,
1964;
van
Genuchten,
1980;
Vogel
and
Cislerova, 1988; Kosugi, 1996, and
Durner, 1994)
和代表残留和饱和含水率，为饱
和
导水率，
l
为联通性参数。参数
(Alpha) [L
-1
]
和
n [-]
是影响水力函数形状的经
验系数。
修改的
van Genuchten
模
型有四个附加参数：
(Q)
：
小于或等
于的含水率，
(Q)
：
大于或等于的含
水率，
：
在含水率上的非饱和导水率，
(Q)
：
与
Kk
联系的含水率。
Durner
’s [1994]
模型有三个附加的参数
:
w
2
(w2),
?
2
(Alpha2)
[L
-1
],
和
n
2
(n
2)
，
其中
w
2
为第二重叠区的权重因子，
2
和
n
2
为第二区的经验参数。
滞后模型也有三个附加参数：
sw
<
/p>
(QsW):
主吸湿枝饱和含水率，
?<
/p>
(AlphaW)
[L
-1
]
：
主吸湿枝的形状参数，
K
sw
(KsW) [LT
-1<
/p>
]
：
与主吸湿枝联系的饱和导水率
（假
设滞后作用也发生在传导函数中）。
Temperature Dependence
（温度依赖）
：
如果水力特性考虑温度依赖，选择
此
框。
使用毛细管理论，
然后，
从温度对
表面张力的影响定量预测温度对土壤水
压力水头的影响，尽管从温度对粘性和水的密度的
影响预测温度对导水率影响。
Soil Catalog
（土壤目录）
:
选择土壤的水力参数包括进
一个目录，从这用户
可以进行选择。采取
Carsel and
Parrish
[1988] (Table 7)
的参数。
由于它们仅代表
不同质地组很近似平均值，当使用这些参数值，小心是必要的。通过使用
RETC
的
van
Genuchten
’s
[1980]
的模型的
Carsel
and
Parish
[1988]
参数生成的适合的滞
留曲线得到
Kosugi
模型在此目录中的土壤水力参数。
在土壤水力目录中代表如下土壤质地组：
Sand
（沙）
Loamy Sand
（壤质砂土）
Sandy Loam
（砂壤土）
Loam
（壤土）
Silt Loam
（粉砂壤土）
Sandy Clay
Loam
（砂质粘壤土）
Clay Loam
（粘壤土）
Silty Clay
Loam
（粉砂黏壤土）
Sandy Clay
（砂质粘土）
Silty Clay
（粉质粘土）
Clay
（粘土）
Neural
Network Prediction
（神经网络预测）
:<
/p>
此程序根据神经网络使用土壤
转换函数
(
PTFs)
预测
van
Genuchten
[1980]<
/p>
的水滞留参数和根据质地信息预测饱
和导水率
(
K
s
)
，（查看下面章节
3.8
）。
当选择参数计算选项时，那么用户必须提供优化的土壤水力参数的初始估
计，指定优化的参数（选择适当的复选框），以及提供约束优化的参数。最大值
和最小
值为零（默认值）表示不约束参数。
表
7.
根据
Carsel and
Parish
[1988]USDA
土壤质地三角形的
12
个质地组的
van
Genuchten
[1980]
分析函数的土壤水力参数
表
8.
根据
Rosetta
Lite
程序
[
Schaap et
al.
,
2001]USDA
土壤质地三角形
的
12
个质地组的
van
Genuchten
[1980]
分析函数的土壤水力参数
表
9.
根据
Carsel and
Parish
[1988]USDA
土壤质地三角形的
12
个质地组的
Brooks and
Corey
[1964]
分析函数的土壤水力参数
表
9. USDA
< br>土壤质地三角形的
12
个质地组的
Kosugi
[1996]
分析函数的土壤水力参数
3.8. Neural Network
Predictions
（神经网络预测）
HYDRUS
准则与
Rosetta
Lite DLL (
动态链接库
D)
(
Fig
.20)
一起实施，它是
Marcel
Schaap
在美国盐度试
验室独立发展的
(
mschaap@
)
[
Schaap
et
al
.,
2001]
。
Rosetta
实施从土壤质地组以分层的方式预测
van
Genuchten
[1980]
的水滞
留参数和饱和导水率（）的土壤转换函数
(PTFs)
，土
壤质地分布、密度、和作为
输出一个或两个水滞留点。
Rose
tta
提供
USDA
土壤质地三角形的
12
个质地组的
van
Genuchten
[1980]
分析函数的土壤水力参数（
表
8
）。
3.9. Anisotropy in the
Hydraulic
Conductivity(
在导水率中的各向异性
)
对于二维问题，用户可能必须指定各向异性张量的主成分
K1A
和
K2A
以及
在
K1A
的主要方向角度和每一个元一般坐
标系统的
x
轴（
Fig.
21)
。
对于三维问题以及实施这了，在那用户可以指定一个或更多
Tensors
of
Anisotropy
（各向异
性张量）
(
Fig
.
< br>
22)
，可以安排它到迁移域的不同部分。使用
三个主要部分
K
1
A
(ConAX),
K
2
A
(ConAY),
K
3
A
(ConAZ)
和六个代表张量
K
A
在第<
/p>
i
主
方向和一般坐标系统的
j
坐标之间角的余弦的系数
a
ij
(
即：
Cos(X-x),
Cos(Y-y),
Cos(Z-y),
Cos(X-y), Cos(X-z),
Cos(Y-z))
。
3.10. Solute
Transport
（溶质迁移）
在
Solute Transport
（溶质迁移）对话框窗口
(
Fig
.<
/p>
23)
进入定义溶质迁移问题
需要的基
础信息。在此窗口，用户指定
Space
（空间）
Time
Weighting
Scheme
（时间权重方案）
,
Iteration Criteria
（迭代准则）（对于非
线性问题），以及如
质量单位的附加
Solute Infor
mation
（溶质信息），脉冲持续时间（如果可能），
和溶
质数。
a) Time
Weighting Scheme
（时间权重方案）
Time Weighting Scheme
（
时间权重方案）定义使用在迁移区域的数值求解
的时间权重系数，。对于显格
式，时间权重系数为
0.0
；对于
Cr
ank-Nicholson
time-centered implicit
scheme
为
0.5
；对于
fully implicit scheme
（完全隐格式），为<
/p>
1.0
。根据时间权重因子的值在控制对流弥散方程空间和时间离
散化之后获得线
性方程最终组的结构
[G] {c} = {g
}
。显
(
和完全隐（
< br>=1
）格式要求仅在一个时间水
平（先前或当前时间水平
）计算总矩阵和矢量
{
g
}
。其它两个格式要求在两个时
间水平计算。同样，
Crank-Nicholson
和隐格式得到一个非对称带状矩阵，相反，
显格式
(
得到一个比更容易求解（但一般要求更小
的时间步长）的对角矩阵。
基于求解精度推荐
Crank-Nicholson
中心格式。完全隐格式也导致数值弥散，
但在避免数值不稳定方面更好。<
/p>
显格式更易于产生不希望振荡的数值不稳定
（当
< br>前不能用）。
b) Space Weighting
Scheme
（空间权重方案）
对于
Space Weighting Scheme
（空间权重方案），
HYDRUS
提供三个选项
，
即：正规的
Galerkin Finite
Elements
表达
,
Upstream Weighting Finite
Elements
表
达，
Galerkin
Finite Elements
formulation
with Artificial Dispersion
.
（
人工弥散
伽辽
金有限元表达）
。
尽管基于求解精度推荐
Galerkin
Finite Elements
（
伽辽金有限元）表达，当<
/p>
计算相对梯度大的浓度方面时，在
HYDRUS
< br>中提供
Upstream
Weighting
作为一
个选项来最小化一些数值振荡问题。
为了
这个目的，
、
不通过正规线性基本函数
加权对流弥散方程的第二（通量）项，但使用非线性函数
[
Ye
h and Tripathi
, 1990]
代替。权重函数
确保相对大的权重在元的上游边节点的流速上。
附加的
Artificial Dispersion
（人工弥散）也可能加到稳定数值求解和限制或
避免在
< br>伽辽金有限元结果中的
不希望的振荡。增加人工弥散是为了满足涉及
(Peclet
数
的<
/p>
生
成
和
Cura
nt
数
)[
Perrochet
and
Berod
,
1993]
的
Stability <
/p>
Criterion
（稳定性准则）。
<
/p>
的推荐值为
2.0.
c)
Solute Information
（溶质信息）
Number of Solutes
（溶质数）
Pulse
Duration
（脉冲持续时间）
单位显示到输出文件或显示在各种图像。
质量单位不影响
Mass Units
计算。
一般浓度单位应该以
[ML
-3
< br>]
给出，
其中
M
为在
Solute
同时估计或在衰减链反应涉及的溶质数
浓度脉冲的持续时间，
对于时间大于
脉冲持续时间，
沿着
所有边界的浓度（通量或固有的）设为
0
，指定其中无时
间变量边界条件。
（质量单位）
Stability Criterion
（稳定性判断）
UseTortuosityFactor
（使用弯曲度因子）
Temperature
Dependence
Transport
< br>（溶质迁移）
对话框窗口
(
Fi
g
.
22)
中指定的质量
单位，
L
为在
Geome
try
Information
对话框窗口
(Fig.
6)
中指定的长度单位。
然而，
由于浓度变量出现在
控制溶质
迁移方程（技术手册的方程
3.1
和
3.2
）每一项，这可能使
用不
同的用于定义几何和通量的长度单位
（如：
可能指定
几何以米，但浓度以
mg/cm
3
给出）。那么在这种情况，
溶质通量
(
cq
)
将用单位，其中
;
用于定义浓度的长度单位
（如：
cm
），：定义几何与通量的长度单位（如
:m
）
。
类似地，通过在迁移域整合溶质得到溶质质量
(
cV
)
将一。
类似涉及浓度
和长度单位的其它变量将进行单位调整。
无量纲
Pecle
和
Curant
数的乘积
()
。
此准则、
用于增加
在
Galerkin
Finite
Elements
with
Artificial
D
ispersion
方案
中的人工弥散或对于
< br>Galerkin
Finite
Elements<
/p>
方案限制时
间步长（对于给定的
Pecl
e
数导致较小的
Curant
数）。<
/p>
根据
Millington and
Quirk
[1991]
公式，当在水和气相中的
扩散系数是乘以弯曲因子时，选择此复选框。
如
果假设溶质迁移和反应参数时温度依赖的，
选择此复选
框。
如果假设溶质遭受依附
/
分离到
/
从固相，选择此复
选框。
此过程常用于病毒、胶体、细菌的计算。
如果从过滤理论计算依附系数，选择此复选框。
如果使用湿地模块，选择此复选框。
Langergraber
and
（温度依赖）
Attachment/
Detachment
(
依附
/
分离
)
Filtration Theory
(
过滤理论
)
Wetland Module
（湿地模块）
?im?nek
[2005]
详细描述此模块。发展湿地模块（仅对于
二维问题）
< br>到模拟在地下流构成湿地中的生物化学转化和
衰减过程。此模块考虑如下成分：溶
解氧、有机质、
（化
学需氧量
-COD
;
容易且缓慢能进行生物降解的，
和惰性的
三个部分）、氮化合物（氨气、亚硝酸盐、硝酸盐、四氧
化二氮）
< br>、
无机磷、
异样与自氧微生物。
模拟有机氮和有
机磷作为
COD
的部分
。假设异氧细菌是水解的原因，有
机物的矿化（需氧生长）和反硝化作用（缺氧生长），
尽
管自氧菌是消化作用的原因。
d)
Iteration Criteria
（迭代准则）
当考虑非线性吸附时，
对流弥散溶质迁移方程为非线性的。
类似于非线性方
程，
必须使用迭代过程获得在每一
新的时间步长上的总矩阵方程的解。
在每一次
迭代期间，
获得线性代数方程、
使用
Gaussian<
/p>
估计求解、
或共轭梯度方法的体系。
<
/p>
使用最初的解重新计算此系数，
且再次求解新的方程。
迭代过程继续直到获
得的收敛为满意水平，
即：<
/p>
直到在所有节点两次成功迭代之间的浓度绝对变化为
小于一定浓度
公差（定义在
HYDRUS
为
Abso
lute Concentration Tolerance
（绝对
< br>浓度公差）和浓度与
Relative Concentration Tole
rance
（相对浓度公差）乘积的
和（推荐和默认值为
0.001
）。在一定时间步长期间，需要指定允许的
Maximum
Number of Iterations
（最大迭代数）
（推荐值为
10
）
。
单达到
Maximum
Number
of Iterations
（迭代最大数）时
，那么数值求解要么（
a
）涉及瞬态水流问题决定
或（
b
）对于稳态流问题用减小时间步长重新开始。
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