环境土壤物理HYDRUS模型原理与应用

目录 前言 **篇 HYDRUS和土壤物理基础理论 1 HYDRUS概述 3 1.1 HYDRUS简介 3 1.2 HYDRUS-1D模型界面介绍 4 1.3 HYDRUS-(2D/3D)模型界面介绍 5 1.3.1 HYDRUS-(2D/3D)菜单栏 5 1.3.2 HYDRUS-(2D/3D)工具栏、工作区和状态栏 13 1.3.3 HYDRUS-(2D/3D)导航栏 14 1.3.4 HYDRUS-(2D/3D)编辑栏 16 2 土壤物理性质 19 2.1 土壤质地 19 2.2 土壤基质的三相比及其综合性质 19 2.3 土壤水分表示方法 21 3 土壤水分运动 23 3.1 土壤水势 23 3.2 土壤水分特征*线 25 3.2.1 土壤水分特征*线的定义 25 3.2.2 土壤水分特征*线模型 25 3.2.3 土壤水分特征*线的用途 27 3.3 饱和土壤中的水流 28 3.3.1 土壤水分运动状态 28 3.3.2 达西定律 28 3.4 非饱和土壤中的水流 30 3.4.1 白金汉-达西定律 30 3.4.2 非饱和导水率 31 3.4.3 非饱和导水率模型 31 3.5 土壤水分运动基本方程 33 3.5.1 连续方程 33 3.5.2 Richards方程 34 3.5.3 Richards方程的扩展 35 3.6 土壤水力学特性的缩放 35 3.7 滞后现象 36 3.8 根系吸水 37 3.8.1 根系分布密度函数 37 3.8.2 潜在蒸腾量与蒸发量 38 3.8.3 水分胁迫和盐分胁迫 40 3.8.4 根系吸水的补偿机制 42 3.8.5 根系生长 42 3.9 土壤水流运动的初始条件 43 3.10 土壤水流运动的边界条件 43 3.10.1 水头边界条件 43 3.10.2 通量边界条件 44 3.10.3 梯度边界条件 44 3.10.4 大气边界 44 3.10.5 深层排水 46 3.10.6 渗透面 47 3.10.7 水平排水沟 47 3.10.8 积雪边界 47 3.11 双孔隙度模型 48 3.12 双渗透率模型 49 3.13 水蒸气流 50 3.14 土壤水力学特性与温度的关系 51 4 土壤溶质运移 53 4.1 土壤溶质及其迁移转化形式 53 4.1.1 土壤溶质存在形态 53 4.1.2 土壤溶质运移基本方程 53 4.1.3 溶质在土壤中的反应 57 4.1.4 根系吸收溶质 58 4.2 对流弥散方程 61 4.3 吸附性溶质的迁移 61 4.3.1 平衡吸附 61 4.3.2 非挥发性、非反应性、线性吸附溶质的迁移 62 4.3.3 双点位化学非平衡吸附模型 63 4.3.4 胶体运移 65 4.3.5 双孔隙度模型 69 4.3.6 双孔隙度-单动力学点位模型 69 4.3.7 双渗透率模型 70 4.3.8 双渗透率-可动区-不可动区模型 71 4.3.9 双渗透率-双点位吸附模型 72 4.4 土壤溶质运移的初始条件 73 4.4.1 溶解态浓度 73 4.4.2 吸附态浓度 74 4.5 土壤溶质运移的边界条件 74 4.5.1 常规边界条件 74 4.5.2 挥发性溶质边界条件 75 4.6 温度和土壤含水量对模型参数的影响 76 4.6.1 温度对模型参数的影响 76 4.6.2 土壤含水量对模型参数的影响 76 5 土壤热量传输 77 5.1 土壤热性质 77 5.1.1 土壤热容量 77 5.1.2 土壤导热率 77 5.2 土壤热通量 78 5.3 土壤热量传输基本方程 79 5.4 土壤热量传输的初始条件 80 5.5 土壤热量传输的边界条件 80 5.6 土壤温度的日变化 81 第二篇 HYDRUS-1D模型 6 水流模型 85 6.1 单层土壤积水入渗 85 6.1.1 问题描述 85 6.1.2 模型构建 85 6.1.3 土壤剖面图形编辑 94 6.1.4 模型运算 97 6.1.5 模型结果 98 6.2 单层土壤稳态流 104 6.2.1 问题描述 104 6.2.2 模型构建 104 6.2.3 土壤剖面图形编辑 104 6.2.4 模型结果 105 6.3 多层土壤瞬态流根系吸水问题 105 6.3.1 问题描述 105 6.3.2 模型构建 106 6.3.3 土壤剖面图形编辑 111 6.3.4 模型结果 113 6.4 参数反演—单步出流实验 115 6.4.1 问题描述 115 6.4.2 模型构建 116 6.4.3 反演数据类型 118 6.4.4 土壤剖面图形编辑 121 6.4.5 模型结果 122 6.5 参数反演—番茄农田根系吸水实验 123 6.5.1 问题描述 123 6.5.2 模型构建 125 6.5.3 无滞后现象和根系生长的模型结果 126 6.5.4 考虑持水*线滞后现象的模型结果 127 6.5.5 考虑根系生长的模型结果 128 7 溶质运移模型 131 7.1 单层土壤定水头-溶质运移 131 7.1.1 问题描述 131 7.1.2 模型构建 131 7.1.3 模型结果 135 7.1.4 弥散度减小后的模型结果 137 7.1.5 吸附增大后的模型结果 138 7.1.6 考虑溶质反应的模型结果 138 7.2 单层土壤定通量-溶质运移 140 7.2.1 问题描述 140 7.2.2 模型构建 140 7.2.3 模型结果 140 7.2.4 模型结果（链反应） 140 7.3 多层土壤瞬态流-溶质运移和根系吸收 143 7.3.1 问题描述 143 7.3.2 模型构建 143 7.3.3 模型结果 144 7.4 参数反演—示踪剂穿透*线 145 7.4.1 问题描述 145 7.4.2 模型构建 145 7.4.3 模型结果 147 7.5 参数反演—有机污染物穿透*线 148 7.5.1 问题描述 148 7.5.2 模型构建 148 7.5.3 模型结果（双点位化学非平衡） 149 7.5.4 模型结果（单点位化学非平衡） 150 7.6 参数反演—胶体迁移穿透*线 151 7.6.1 问题描述 151 7.6.2 模型构建 151 7.6.3 模型结果（TKSM3） 153 7.6.4 模型结果（OKSM3） 154 7.6.5 模型结果（OKSM2） 155 8 水汽热盐耦合模型 156 8.1 问题描述 156 8.2 模型构建 156 8.3 模型结果 158 第三篇 HYDRUS-(2D/3D)模型 9 基于C-Ride模块的胶体携带污染物迁移 161 9.1 问题描述 161 9.2 理论基础 161 9.2.1 胶体运移方程 161 9.2.2 污染物运移方程 163 9.3 模型构建 164 9.4 土壤剖面图形设计 172 9.4.1 几何域 172 9.4.2 有限元网格 175 9.4.3 域特性 176 9.4.4 初始条件 178 9.4.5 边界条件 181 9.5 模型结果 183 10 污染源泄漏 186 10.1 问题描述 186 10.2 模型构建 186 10.3 土壤剖面图形设计 188 10.3.1 几何域 188 10.3.2 有限元网格 189 10.3.3 初始条件 190 10.3.4 边界条件 191 10.4 偷排结果 191 10.5 跑冒滴漏问题 193 11 沟灌和根系吸水 196 11.1 问题描述 196 11.2 模型构建 196 11.3 土壤剖面图形设计 198 11.3.1 几何域 198 11.3.2 域特性 199 11.3.3 初始条件 201 11.3.4 边界条件 202 11.4 模型结果 202 12 污染源泄漏3D简单模型 204 12.1 问题描述 204 12.2 模型构建 204 12.2.1 域特性 207 12.2.2 初始条件 208 12.2.3 边界条件 210 12.3 模型结果 211 13 土壤污染物淋洗3D层状模型 213 13.1 问题描述 213 13.2 模型构建 213 13.3 土壤剖面图形设计 214 13.3.1 几何域 214 13.3.2 有限元网格 215 13.3.3 初始条件 216 13.3.4 边界条件 216 13.4 模型结果 218 参考文献 219 附录 HYDRUS-1D反演求解目标函数 221