环境土壤物理Hydrus1D2D模型实践技术应用
《土壤新导则HJ 964-2018》于2019年7月1日起正式实施，导则要求“预测评价建设项目各实施阶段不同环节与不同环境影响防控措施下的土壤环境影响，给出预测因子的影响范围与程度，明确建设项目对占地范围内、外土壤环境的影响及趋势。可根据土壤环境特征，结合建设项目特点，分析土壤环境可能受到影响的范围和程度”。对于以点源形式垂直进入土壤环境的污染物影响深度预测，导则推荐采用“一维非饱和溶质垂直运移控制方程”，即“对流-弥散方程”：
Hydrus-1D是求解该方程，模拟该类一维问题的最简单、最高效的工具。将模型参数拓展到二维和三维，基于Hydrus-2D/3D还可以模拟污染物在水平方向和任意复杂地形条件下的迁移问题。对于有效预测点源、面源污染物迁移扩散范围，具有重要意义。
Hydrus是基于Windows系统界面开发的环境土壤物理模拟软件，是用于模拟一维和多维变饱和多孔介质的水分运动、溶质（污染物等）运移、根系吸水和溶质吸收、以及热量传导等方面的强有力工具。Hydrus还包括一个参数优化算法，用于各种土壤的水力学、溶质运移和热传递参数的反演估计。该模型具有灵活方便的图形操作界面，深受各国学者推崇，广泛应用于环境、水文地质、农业、水利等领域。
Hydrus简介
发展历史
Hydrus界面和功能介绍
土壤物理基础知识
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土壤水流 |
溶质运移 |
热量传输 |
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土壤物理性质 土壤水的能量状态 土壤水分特征曲线 饱和土壤中的水流 非饱和土壤中的水流 Richards方程 土壤水力学特性的缩放 土壤水分入渗 土壤水分蒸发 滞后现象 根系吸水 水分胁迫和盐分胁迫 双孔隙度/双渗透率模型 |
土壤溶质及其迁移转化形式 对流弥散方程（CDE） 土壤溶质穿透曲线 溶质在土壤中的反应 非吸附溶质的迁移 吸附性溶质的迁移 平衡吸附 双点位吸附 双动力学吸附（胶体运移） 双孔隙度/双渗透率模型 土壤溶质运移的初始条件和边界条件 温度和土壤含水量对模型参数的影响 根系对溶质的吸收 |
土壤热量状况 土壤表面热平衡 土壤热力学性质 土壤热流 对流传导方程 土壤热流的初始条件和边界条件 土壤温度的周期性变化 |
建模步骤
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Hydrus-1D |
Hydrus-2D/3D |
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土壤水流运动的初始条件 几何信息、时间信息与输出信息 迭代参数设置 土壤水力特征模型及参数设置 Rosetta模型 土壤水流运动的边界条件 Ø 水头边界条件（Dirichlet type） Ø 通量边界条件（Neumann type） Ø 梯度边界条件（Gradient） Ø 大气边界（Atmospheric BC） Ø 深层排水（Deep Drainage） Ø 渗透面（Seepage Face） Ø 积雪边界（Snow） 根系吸水模型 土壤剖面参数设置 双孔隙度（Dual-Porosity）模型 双渗透率（Dual-Permeability）模型 水蒸气流（Vapor Flow） 土壤水力学特性与温度的关系 溶质运移模型参数和边界条件设置 热量传输模型参数和边界条件设置 模型结果输出与解读 |
模型建立与模块选取 几何信息、时间信息与输出信息 迭代参数设置 土壤水流模型及参数设置 根系吸水模型及参数设置 溶质运移模型及参数设置 2D/3D结构绘图 有限元网格划分及参数设置 有限元网格细化与拉伸 域特性设置 Ø 土壤质地分布 Ø 根系密度分布函数 Ø 各向异性问题 Ø 非刚性问题 Ø 观测点设置 Ø 流动粒子设置 初始条件设置 2D/3D边界条件设置 图形结果输出与解读 视频文件制作 曲线结果输出与解读 |
上机练习1：积水入渗水流模型
（单层土壤，多层土壤，边界条件的设置）
上机练习2：根系吸水和溶质吸收模型
（大气边界条件，可变边界条件，降雨，蒸散发，彭曼模型，根系分布密度函数的设置等）
上机练习3：溶质运移模型
（单一溶质运移，链反应，胶体运移，挥发性溶质，土壤污染物扩散等）
上机练习4：水汽热传输模型
上机练习5：双孔隙度/双渗透率模型
！！！反演求解！！！
模型反演求解与参数估计
反演问题类型定义
参数设置
上机练习6：模型参数反演求解（！！！技巧！！！）
（水流问题，根系吸水问题，溶质运移问题）
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