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HYDRUS-1D 简明手册
上边界条件有6种类型，下边界条件有8种类型。边界类型的确定需要考虑实际条件，在本算例中，上边界选择大气边界条件，在降雨量很大时地表可以产生积水。植被蒸腾量和土壤蒸发量分开处理，HYDRUS-1D推荐使用一个经验公式来把潜在蒸散量分割为蒸腾潜力和土壤蒸发潜力：
其中ETp为潜在蒸散量（可以使用Penman-Monteith公式处理气象数据得到, cm/d），Tp为潜在蒸腾量(cm/d)，Ep为土壤潜在蒸发量(cm/d)，LAI是叶面积指数，k为消光系数，取决于太阳角度、植被类型及叶片空间分布特征。SCF是一个中间参数，即土壤覆盖度(Soil cover fraction)。在阔叶植被发育的情况下，消光系数的经验值为k=0.5-0.75。
12. 水流模型——定水头或通量边界设置
如果边界条件中包含定水头或定通量的边界，则在前处理窗口双击Water Flow- Constant BC工具条，弹出一个设置边界数据的对话框。
本算例模型中，下边界为定流量边界，实际上就是隔水边界，因此直接输入0即可。
13. 根系吸水——吸水模型
在前处理窗口双击Root Water Uptake- Models工具条，弹出一个处理根系吸水模型的对话框（图14）。
水分胁迫模型
盐分胁迫模型 补偿吸水域值 （临界湿润度） 根系吸盐模型
图 14
HYDRUS-1D使用水分胁迫和盐分胁迫模型处理根系的吸水。对于水分胁迫模型，计算公式为
其中Tp是潜在蒸腾量(cm/d)，Ta是实际蒸腾量(cm/d)，S(x)是吸水强度函数(cm/(cm.d)，注意x坐标实际表示深度)，?(h)是水分胁迫函数，h为土壤压力水头(cm)，b(x)是根系吸水分配（密度）函数，LR为根系层的深度。水分胁迫函数有2种经验表示方法，即Feddes模型和S-Shape模型。Feddes模型是一个梯形函数，只需要知道h值。而S-Shape模型把水分胁迫和叶片气孔的压力水头联系起来，需要知道气孔压力水头的数值h?。
土壤的湿润度可以表示为
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??Ta/Tp???(h,x)b(x)dx (2.22)
LR但是如果直接用这种方法来计算实际蒸腾量有一定的问题。植被其实可以调节不同深度的水分胁迫响应特征；某个深度土壤干燥吸不上水，植被可以加大在比较湿润的土层的吸水量，以补偿不足。这种现象称为补偿吸水。
为了模拟根系补偿吸水，HYDRUS-1D提供了一种简化的模型，即如果湿润度高于某个临界值(?>?c)，植被根系可以通过补偿机制充分吸水达到潜在蒸腾量。如果湿润度低于这个临界值，补偿机制受到抑制，发生整体的水分胁迫，根系吸水总量将低于潜在蒸腾量，并正比于湿润度。如果不考虑这种补偿吸水机制，可以令?c =1。
14. 根系吸水——水分胁迫参数
在前处理窗口双击Root Water Uptake- Water Stress Reduction工具条，弹出一个处理水分胁迫参数的对话框（图15）。本算例中直接从数据库中调入Wheat的经验值。
吸水强度 (cm/d) r2H 胁迫函数 r2L ?=1 ?=0 P3 P2L P2H Popt P0 压力水头(pressure head, cm) 两个临界吸水强度 数据库
图 15 根系水分胁迫Feddes模型参数
15. 输入可变边界条件的信息
在前处理窗口双击Variable Boundary Conditions工具条，弹出一个处理时间序列数据的对话框（图16）。
本算例中，在步骤(11)中已经把地面处理大气边界，同时又选择使用消光系数法划分植被蒸腾和土面蒸发，因此需要输入每天的降水、潜在蒸散量、叶面积指数等数据。
还有一个需要输入的数据是最小压力水头值，即地面土壤达到最干燥状态时的压力水头。从理论上讲，当土壤十分干燥时，吸力很大，而液态孔隙水的压强很小，与空气湿度保持平衡关系，因此有
其中hA为最小压力水头，Hr为空气绝对湿度，RT/Mg为空气的摩尔气体常数。空气湿度虽然可以通过气象数据得到，但这里公式需要的是近地面的空气湿度。一般情况下，取饱和水汽湿度是可取的，因为2 cm深度以下土壤空气的湿度往往都是饱和的，只不过随温度发生变化。因此，可以根据近地面气温的变化来推算地表土壤的空气湿度（饱和水汽湿度），再换算成压
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力水头。HYDRUS-1D中需要输入的是最小压力水头的绝对值，缺省值为
hCritA=|hA|=106 cm=104 m
这个数值只会对土壤蒸发起作用。HYDRUS-1D建议：hCritA 所对应的土壤含水量应该至少比残余含水量大0.005，在模拟根系吸水的情况下，hA 还应该低于图15中的P3。否则（hA>P3），当根系吸水的临界值压力水头(P3)和地面蒸发的最小压力水头 (hA) 满足时,会导致回流(inflow)现象，这是不合理的。除非存在特别干燥的情况，模型一般不需要仔细处理这些问题。
3.532.5降水量(cm/d)LAIETp(cm/d)通量21.510.501591317212529 图 16
表1 时间 (d) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 降水量(cm/d) 0 0 0 0 0 0 0 0.7 0 0 0 0 3 0 0.5 ETp (cm/d) 0.5 0.6 0.4 0.5 0.5 0.5 0.3 0.1 0.4 0.5 0.6 0.4 0.1 0.5 0.2 hCritA (cm) 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 时间LAI 2.1 2.1 2.2 2.2 2.2 2.2 2.3 2.3 2.3 2.3 2.2 2.2 2.2 2.1 2.1 (d) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 降水量(cm/d) 0 0 0 0 0 0 0 0 0.3 2.3 1.1 0.5 0 0 0 Time (d) ETp (cm/d) 0.4 0.6 0.7 0.7 0.7 0.7 0.6 0.5 0.2 0.1 0.1 0.1 0.4 0.7 0.7 hCritA (cm) 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 LAI 2.1 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
数据可以先在Excel中准备好，如表1。这些数据可以拷贝到图16的电子表格中。这些数据显示的降水量、蒸散潜力和叶面积指数变化特征如图16右图所示。在第17日由于庄稼收割，叶面及指数大幅度下降。
16. 编辑土壤剖面——使用图形界面
在前处理窗口双击Soil Profile- Graphical Editor工具条，程序将弹出一个处理土壤剖面的软件（图17）。这个图形软件的使用比较简单，我们需要注意的是在Conditions菜单下面有很多子菜单，包含处理各种问题的功能菜单。
首先要做的事情，是确定把土壤剖面离散化为多少个节点。本算例土壤模型深度为3 m，
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我们希望节点间距达到 1 cm，因此需要301个节点。选择菜单Conditions/ Profile Discretization，在下拉工具条中把Number修改为301。
Conditions Profile Discretization Material Distribution Root Distribution Scaling factor Initial Conditions Subregions Observation Points Conditions菜单 剖分节点 土壤岩性分层 根系分布 尺度因子 初始条件 子区分布 观察点 土壤剖面分成31个节点，则节点间距为 10 cm
修改节点数
图 17
接下来，确定土层的分布，本模型有2个土层。缺省的土层编号为index=1，就是图12中的细砂壤土层。选择菜单Conditions/ Material Distribution，在下拉工具条中使用Edit condition，把下部土壤层设置index=2，这个土层编号为2，实际上就是图12中的中砂层。
Conditions Material Distribution 1. 点击工具条 修改节点数 设置2层土壤岩性编号
2.在剖面底部点击鼠标左键再放开，从下往上移动鼠标，选定土层范围，然后再点击鼠标左键，修改土层编号 右下角是鼠标所在的z坐标高度
图 18
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