HYDRUS-2D模型在地下滴灌土壤水分运动模拟中的应用

"本文介绍了如何使用HYDRUS-2D软件进行数据分析和地下滴灌土壤水分运动的数值模拟。HYDRUS-2D是一款基于有限元的计算机模型，用于模拟二维或轴对称三维的饱和-非饱和土壤水流及溶质运移。" 在HYDRUS-2D的数据分析过程中，涉及的关键概念包括： 1. **非线性方程组**：土壤水分运动的求解通常表现为非线性方程组的形式，因为系数矩阵KCW中的元素与土壤水分状态有关，导致方程组的非线性。在数值计算中，必须对这些方程进行线性化以使其成为可解的线性代数问题。 2. **迭代法**：为了解决非线性方程组，HYDRUS-2D采用了迭代法。在每一步迭代中，先假设一个初始值，通过求解方程组得到当前时段末各节点的负压值，然后利用这些值更新土壤水分运动参数，进入下一次迭代。迭代过程持续到所有节点的负压值满足预设的允许误差标准。 3. **相对误差**（esp）：在迭代过程中，通过比较相邻两次迭代的负压值之差（max |hk+lp - hk il(p-1)|）来评估精度，当这个差值小于允许的相对误差esp时，迭代结束。 4. **理查兹方程**：在HYDRUS-2D中，水流控制方程是基于理查兹方程的，这是一个描述饱和-非饱和土壤水分运动的偏微分方程。为考虑作物根系吸水，方程进行了修正，加入了汇源项。 5. **边界条件**：软件能够处理各种边界条件，如定水头和变水头边界、给定流量边界、渗水边界、自由排水边界、大气边界以及排水沟等，适应不同的实际应用场景。 6. **有限元方法**：HYDRUS-2D使用伽辽金线状有限元法对不规则三角形网格的水流区域进行求解，这种方法允许模型适应复杂地形和土壤结构。 7. **VG模型**：对于非饱和土壤的水力特性，HYDRUS-2D采用VG（Van Genuchten-Mualem）模型，该模型能够描述水分在土壤孔隙中的流动和扩散行为，特别适合处理非均质和各向异性土壤。 8. **时间离散**：无论是饱和还是非饱和情况，时间离散都采用隐式差分，这是一种稳定的数值方法，能够较好地处理时间相关的非线性问题。 通过这些技术，HYDRUS-2D能够对地下滴灌条件下土壤水分运动进行精确模拟，帮助研究者理解和预测灌溉对土壤水分分布和作物生长的影响。这种模拟工具对于农业水管理、节水灌溉策略的制定具有重要意义。