环境土壤物理模型HYDRUS建模方法与多案例应用

HYDRUS是由著名土壤学家Rien van Genuchten和Jirka Simunek等人基于Windows系统界面开发的环境土壤物理模拟软件，是模拟一维和多维变饱和多孔介质的水流、溶质运移、根系吸水和溶质吸收、热量传输等的强有力工具。除基础功能以外，该模型还附有一系列扩展模块。其界面美观、操作灵活，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。

2022年4月，HYDRUS发布了全新版本5.01。该版本融合了原本独立的一维（HYDRUS-1D，4.xx版本）和多维（HYDRUS 2D/3D，3.xx版本）模型，模拟能力大大提升，在结果展示方面也做了较大的改进。
HYDRUS 5.01新增了PFAS（全氟烷基化合物）、COSMIC（宇宙射线中子法）、DPU（动态植物吸收）等模块；此外还增加了一维模式下的粒子示踪（Particle Tracking）和C-Ride模块（含参数反演）功能，以及三维模式下的UnsatChem模块和Reservoir边界条件。

本教程是迄今为止针对HYDRUS模型功能的最完整的一次系统学习，内容不仅涵盖水流、溶质运移和热量传输等基础功能，还包括各个扩展模块（Slope Cube和Slope Classic除外），以及模型外部接口的调用方法。通过学习，能够掌握HYDRUS-1D/2D/3D的建模步骤并具备解决实际农田水文与水资源、场地土壤污染物迁移路径与范围评估等问题的能力。

【专家】：胡恩柱（副教授），长期利用Hydrus从事环境土壤物理学和土壤修复研究工作。发表SCI/EI论文30余篇，独立编写Hydrus模型专著1部。主持国家自然科学基金等各类纵向科研项目10项。

第一讲 HYDRUS模型概述

介绍HYDRUS发展历程和主要应用领域；介绍软件界面、基础功能、附加模块等；详细介绍5.01版的新特征与新功能。

第二讲土壤和地下水流问题基础知识

讲解饱和/非饱和水流问题的基本原理——土壤水力学特性、达西定律、Richards方程、滞后效应、双孔隙度/双渗透率、根系吸水等。阐释各种水流边界条件及其适用情景。结合入渗、蒸发、蒸腾、地下水流等实际案例演示建模与参数反演流程，解读模拟结果。

例1：单层土壤积水入渗水流模型
例2：单层土壤稳态流模型
例3：多层土壤瞬态流根系吸水模型
例4：参数反演单步出流实验
例5：参数反演番茄农田根系吸水实验
例6：沟灌与根系吸水2D模型

第三讲溶质运移问题模拟

讲解标准溶质运移模拟的基本原理——对流弥散方程、反应性溶质运移、平衡吸附、动力学吸附、胶体运移、双孔隙度/双渗透率溶质迁移、根系被动吸收和主动吸收等。分别针对土柱实验、农田三氮迁移转化与根系吸收、污染源跑冒滴漏、废渣淋溶、胶体运移、胶体携带污染物迁移等问题，演示溶质运移问题的建模与参数反演流程。

例7：污染源跑冒滴漏-通量浓度边界
例8：废渣淋溶-浓度边界
例9：农田三氮迁移转化与根系吸收
例10：参数反演示踪剂穿透曲线
例11：参数反演污染物迁移穿透曲线
例12：参数反演胶体迁移穿透曲线
例13：污染源跑冒滴漏2D模型-定水头/定通量
例14：污染源偷排2D模型-变水头/通量
例15：污染羽垂向-横向复合迁移过程2D模型
例16：土壤污染物淋洗3D层状模型

第四讲热量传输问题模拟

介绍对流传导方程的基本原理等。演示水汽-热量-溶质耦合问题的建模流程。

例17：水汽-热量-溶质耦合问题

第五讲模型外部接口

例18：在MATLAB中运行HYDRUS-1D
例19：针对MODFLOW的HYDRUS工具包

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