Hydrus软件应用

HYDRUS模型介绍与实例演练报告人：易军导师：邵明安研究员赵英副教授报告提纲•模型的概念•Hydrus模型的基本结构•Hydrus1D模拟农田水分运动实例•Hydrus1D-3D模拟坡面水分运动实例模型的概念•研究对象为原型，客观存在性。•模型是研究对象的替代物，是客观存在的简化、抽象和类比表示。•物理模型&数学模型。实物模型•物理模型：以模型和原型之间的物理相似性或几何相似性为基础。渗流研究原型：山坡物理模型：土槽•数学模型：以模型和原型之间在数学形式上的相似为基础。渗流研究数学模型：Hydrus-2D模型原型：山坡•为何使用模型？•减少精力、金钱的花费；•更加直观的了解整个系统的状态和过程；•更强的可控性和目的性；•模型的缺陷：•与真实情况有一些差异，很难完全的代表实际情况。数学模型模拟的过程•选着合适的研究对象进行模拟•构建模型-输入控制方程、边界条件、初始条件以及其它需要的数据/信息•得到需要的输出•对比模型输出结果和实际测定结果•参数调整和优化•拿另一段时间的实测数据进行检验正向模拟Predict逆向拟合Inverse（检验）HYDRUS模型的基本结构•控制方程：水/热/溶质运移方程•边界条件：第一类/第二类•输入：初始值/剖面理化参数等•输出：不同时间、不同位置的水-热-溶质信息；参数优化结果等System/BlackBoxInputOutput控制方程边界条件泛定方程定解条件解方程的必须要素以Hydrus1D为例•控制方程的选择•边界条件的选择Dirichlet边界条件Neumann边界条件直接给出含水量/溶质浓度/温度在边界上随时间变化的值直接给出水/溶质/温度在边界上随时间变化的通量非系统依耐性边界系统依耐性边界特殊梯度边界条件•输入信息-需要准备的数据资料土壤水力参数边界条件需要的数据剖面结构和初始条件时间信息空间信息根系生长、叶面积指数、株高等其它数据。•输出结果观测点信息剖面信息通量信息土壤水力学特性信息运算时间信息物质平衡信息实例1-农田水分的1D模拟•模拟玉米生育期农田水分动态剖面基本信息土壤水力参数蒸散发数据初始含水量4个深度的实测水分数据模拟拟合/调参依据以上信息开展模型模拟结果-正向模拟为什么模型得到的输出和实测相差这么大？需要调整模型输入？调参结果1调参结果n调参结果可以继续进行…..以获取更好的结果对模拟结果的定量判断标准•误差Difference•偏差Bias•均方根MSE(Meansquareerror)•绝对误差MAE(Meanabsoluteerror)•RRMSE、RMAE、EF、Correlationcoefficient、WillmottDindex等实例2-Hydrus1D-3D模拟坡面水分运动ShaleHills1D2D3D垂直剖面2维坡面3维坡面1D2D3D点面立体•现有数据信息•坡面长度、高度、土壤在坡面的大致分布，土壤中有大量的页岩风化残留物•气象数据•有树木生长，地表有落叶覆盖•从上坡到下坡4个位点共18个深度的土壤水分监测数据和质地、石头和有机质含量•缺少数据信息•根系分布、蒸散发实测数据、下边界、落叶分布、降雨截留时空分布、土壤水力参数等依据以上信息开展模型模拟5years-1D&2D0.00.10.20.30.40.00.10.20.30.00.10.20.32007/1/12008/1/12009/1/12010/1/12011/1/10.00.10.20.3MS_1DS_2DS_3DSite_53Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)123cm73cm22cm10cmdate0204060800.00.10.20.30.40.00.10.20.30.00.10.20.32007/1/12008/1/12009/1/12010/1/12011/1/10.00.10.20.3MS_1DS_2DS_3DSite_74Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)37cm17cm10cm5cmdate0204060800.00.10.20.30.40.00.10.20.30.00.10.20.32007/1/12008/1/12009/1/12010/1/12011/1/10.00.10.20.3MS_1DS_2DS_3DSite_51Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)162cm92cm40cm18cmdate0204060800.00.10.20.30.40.50.00.10.20.30.40.00.10.20.30.42007/1/12008/1/12009/1/12010/1/12011/1/10.00.10.20.30.4MS_1DS_2DS_3DSite_15Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)109cm72cm52cm13cmdate020406080VGandDLModelStonyandnon-stony2D0.00.10.20.30.40.00.10.20.30.00.10.20.32007/1/12007/4/12007/7/12007/10/12008/1/10.00.10.20.3MNSSSite_74Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)37cm17cm10cm5cmdate0204060800.00.10.20.30.40.00.10.20.30.00.10.20.32007/1/12007/4/12007/7/12007/10/12008/1/10.00.10.20.3MNSSSite_53Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)123cm73cm22cm10cmdate0204060800.00.10.20.30.40.00.10.20.30.00.10.20.32007/1/12007/4/12007/7/12007/10/12008/1/10.00.10.20.3MNSSSite_51Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)162cm92cm40cm18cmdate0204060800.00.10.20.30.40.50.00.10.20.30.40.00.10.20.30.42007/1/12007/4/12007/7/12007/10/12008/1/10.00.10.20.30.4MNSSSite_15Volumetricmoisturecontent(cm3cm-3)Precipitation(mm)109cm72cm52cm13cmdate020406080土壤水/热/溶质运移模拟成功的必要条件•对研究对象的水热溶质运移的基本过程有很好的感性和理性认知•合理的研究对象、控制方程、边界条件•优质的监测数据•符合实际的参数•坚实的土壤物理学基础知识借助Hydrus软件可进行的工作•在常规分析的基础上借助于模型模拟得到细化的过程。散点连续过程。•通过模型设定各种情形，单独比较不同因子（土壤类型/分布/地下水位等）对水热溶质运移过程的影响。现实很难实现•实验设计前期利用模型进行初步模拟，保证实验设计的合理性。减少不必要投入Hydrus可用之处非常多，根据各自实际研究寻找结合点。借助模型模拟的一些个人看法•对研究对象进行的各种实际监测研究工作是最基础、最重要的工作。对研究对象的认知水平对模拟工作有很大的影响。•模型不是万能的，但却可以更好的提升研究工作的质量，大大的充实和完善研究工作。•各种模拟得到的结果必须是符合实际的，必须经得起实测数据的检验。•土壤物理学等相关学科的基础知识储备是非常重要也是非常必须的。谢谢！欢迎各位批评指正！