Hydrus软件的红壤中铁离子运移模拟(2)
相比之下，模型模拟的方法则具有成本低、演算快、易操作和灵活性高的特点，同时模型还可以模拟多种情境下的水分和溶质运移情况，在大尺度和长时间的模拟研究中扮演着重要角色。在众多水文模拟软件中，Hydrus 软件是应用范围较广的软件之一[15]。 Hydrus 软件由 Šimůnek 和 Genuchten 共同开发，现有 Hydrus-1D 和 Hydrus-2D/3D两种版本。上述两个版本都可以用来分析土壤中的水流、溶质和热量在不饱和、部分饱和及完全饱和介质中的运移和分布[3]。该软件操作界面将参数输入和结果展示两部分有机整合，简单易懂，操作方便[16]，同时可供模拟的条件多种多样。Hydrus-1D软件界面如图1所示。界面左侧是输入窗口，模拟前需要依次输入模拟类型、几何结构、时间步长、水流和溶质参数等条件，界面右侧是结果显示窗口，依次列出了软件模拟的各观察点结果、土壤剖面结果和相关水文信息。从应用的角度来看，截至目前，已有不少研究利用 Hydrus 软件对土壤的水分和溶质运移过程进行了模拟。Siyal 等从田间灌溉入手，设置了多种水压条件情景，利用Hydrus-3D 软件还原并模拟了渗灌区上壤的湿润状况[17]。Doltra 等利用 Hydrus-2D 软件和土壤水动力学模型同时模拟了作物实施轮作时的土壤水分变化规律和氮的淋溶过程，结果表明，该模型模拟效果较好，相应结论能够为当地农业中的氮素施用和灌溉管理提供指导[18]。刘群昌（1998）等利用 Hydrus-1D软件重复模拟了不同生长阶段的玉米在水温不同、灌溉制度不同的年份中田间水分运移情况，并对深层土壤的水分运移和灌水量之间的关系进行了量化[4]。
曹巧红和龚元石（2003）应用 Hydrus-1D 软件模拟了冬小麦的农田水分和氮的运移情况[5]。虎胆等（2008）将室内试验与Hydrus 软件结合，进一步测定了模型关键参数，采用模型里的反演计算功能求出了土壤水分传导度的实际值，并用Van Genuchten 方程拟合了相关参数[6]。 从原理的角度来看，软件的计算基于理查德方程： 式中，为土壤含水率，t 为运移时间，ｚ为土壤深度，h为压力水头，S为植物根系吸水量[19]。在对上述方程进行改进并对特定函数进行调整后，现在的 Hydrus-1D软件通过van Genuchten模型（VG模型）对非饱和土壤的水文过程进行模拟。 式中，q(h)表示土壤物理特征曲线，θr表示土壤剩余含水率，θs表示土壤饱和含水率，h表示压力水头，K(h)表示为压力水头下的导水率，Ks 表示土壤饱和导水率，α，n，m，l 表示经验常数[7]。上述参数中，土壤饱和导水率 Ks是影响土壤水分运移的关键参数，它是土壤最要的物理性质之一， Hydrus 中Ks设定的恰当与否直接影响模拟的精确度[20]。 对于红壤，已有研究尚存在一些认知上的空白，这主要表现在对红壤肥力的现状及其动态变化认知上的不足。现在的红壤相关特征参数主要参考的是第二次全国土壤普查资料的内容，人们对红壤现状的了解还不充分，对其水分和溶质运移的长时间动态特征也了解较少。在用 Hydrus 软件进行模拟时，应注意到大部分模型都有过于理想化的缺点[21]，在这里，仅通过 Hydrus 软件中已有的土壤参数直接模拟红壤中的水分和溶质运移并不能反映实际情况[7]。因此，为了减小模型模拟结果与真实值的差距，还需要结合红壤的特性，完善优化软件的重要参数。本研究选定 Ks为优化对象，通过对 Ks的实际测量以期减小模拟结果的偏差。