高震國(guó)，鐘瑞林，楊 帥，李小港，楊曉英*

Hydrus模型在中國(guó)的最新研究與應(yīng)用進(jìn)展①

高震國(guó)1，鐘瑞林2，楊 帥1，李小港1，楊曉英1*

(1 復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200438；2 贛州稀土集團(tuán)有限公司，江西贛州 341000)

美國(guó)國(guó)家鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Hydrus模型主要用于模擬包氣帶中水、溶質(zhì)和熱運(yùn)移過程，目前在世界各地得到廣泛應(yīng)用。本文篩選了CNKI和Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的2017—2020年間中國(guó)學(xué)者發(fā)表的347篇以Hydrus為主題的研究論文，系統(tǒng)分析我國(guó)在Hydrus模型領(lǐng)域的研究進(jìn)展。結(jié)果表明Hydrus能夠較好地模擬不同介質(zhì)中水與溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程。然而，目前我國(guó)的Hydrus應(yīng)用研究大都局限于小區(qū)域或?qū)κ覂?nèi)土柱的一維模擬；研究中確定模型水力和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的過程有待規(guī)范與提高；部分研究缺乏對(duì)Hydrus模擬結(jié)果的系統(tǒng)評(píng)估。未來我國(guó)Hydrus模型研究有待加強(qiáng)的領(lǐng)域包括：①將Hydrus與不同環(huán)境領(lǐng)域模型進(jìn)行耦合從而實(shí)現(xiàn)在流域等大尺度的全過程模擬；②基于實(shí)際研究需求，對(duì)Hydrus標(biāo)準(zhǔn)模塊缺乏的功能進(jìn)行擴(kuò)展。

Hydrus；包氣帶；水分運(yùn)移；溶質(zhì)運(yùn)移；模擬

地表以下潛水面以上的土壤稱為包氣帶。包氣帶是水文循環(huán)的重要組成部分，對(duì)降雨入滲、土壤水分運(yùn)移、蒸發(fā)、植物水分吸收、地下水補(bǔ)給、徑流、侵蝕等過程都有著顯著的影響[1]。近年來，由于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市廢棄物處置等人類活動(dòng)對(duì)地下環(huán)境造成的嚴(yán)重污染，水和溶質(zhì)在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化過程研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。

在過去數(shù)十年，國(guó)內(nèi)外對(duì)包氣帶水分和溶質(zhì)運(yùn)移過程的研究不斷深入，在過程分析和數(shù)學(xué)描述方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并涌現(xiàn)出如SWAP、SWAT、LEACHM、Hydrus等多種用于預(yù)測(cè)水和溶質(zhì)在地表與地下水水位之間運(yùn)移的理論概化和數(shù)值模擬模型[5-8]。

其中，美國(guó)國(guó)家鹽土實(shí)驗(yàn)室(U.S. Salinity Laboratory)開發(fā)的Hydrus模型近年來應(yīng)用較為廣泛，該模型具有以下特點(diǎn)：①基于有限元法求解Richard水分運(yùn)移方程和溶質(zhì)對(duì)流–彌散方程，適用于不同復(fù)雜程度的一維、二維、三維系統(tǒng)的水、溶質(zhì)和熱運(yùn)移過程模擬；②其水流方程涵蓋根系吸水過程，并可考慮雙孔隙型(部分孔隙水可流動(dòng)，部分孔隙水不可流動(dòng))和雙滲透型(部分孔隙水流動(dòng)相對(duì)較快，部分孔隙水流動(dòng)相對(duì)較慢)水流運(yùn)動(dòng)方式；③其熱傳輸方程包含熱傳導(dǎo)和對(duì)流，并可考慮水、蒸汽和能量的耦合傳輸過程；④其溶質(zhì)運(yùn)移方程涵蓋多種固–液相間的非線性、非平衡反應(yīng)過程和液–氣相間的線性平衡反應(yīng)過程，并包括用于模擬溶質(zhì)間發(fā)生順序連鎖反應(yīng)的一級(jí)溶質(zhì)生成和衰減過程，因此可用于對(duì)氮素、重金屬、核素、農(nóng)藥、激素、膠體、細(xì)菌等多種不同性質(zhì)溶質(zhì)的運(yùn)移過程模擬[1, 9]。

自2000年以來，我國(guó)學(xué)者在農(nóng)業(yè)灌溉[10]、水土保持[11]、污染評(píng)估[12]和污水處理[13]等領(lǐng)域?qū)ydrus進(jìn)行了廣泛的研究。然而，迄今為止，對(duì)于Hydrus模型在我國(guó)不同環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏系統(tǒng)的總結(jié)、評(píng)價(jià)與分析，已有的為數(shù)不多的Hydrus模型應(yīng)用綜述只局限于土壤灌溉和鹽土改良等某一應(yīng)用領(lǐng)域[14]。為豐富模型的研究與應(yīng)用，本文以Hydrus為主題詞，檢索和篩選了中國(guó)知網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱CNKI)和Web of Science(以下簡(jiǎn)稱WoS)數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的2017—2020年間中國(guó)學(xué)者發(fā)表的347篇有關(guān)Hydrus模型應(yīng)用的學(xué)術(shù)期刊論文，綜合評(píng)估Hydrus模型在不同環(huán)境領(lǐng)域中對(duì)水分、溶質(zhì)等運(yùn)移過程的模擬性能，系統(tǒng)分析Hydrus模型在我國(guó)各環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展與局限，聚焦Hydrus模型當(dāng)今應(yīng)用的熱點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢(shì)，為促進(jìn)Hydrus模型在我國(guó)環(huán)境領(lǐng)域進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展提供有力的支持。

1 Hydrus模型

1.1 Hydrus模型發(fā)展過程

Hydrus模型的發(fā)展最初可以追溯到Van Genuchten[15-16]建立的SUMATRA和WORM模型、Vogel[17]建立的SWMI模型以及 Kool和 van Genuchten[18]建立的舊版Hydrus模型。其中，SUMATRA中使用Hermitian cubic有限元數(shù)值格式，WORM和舊版Hydrus代碼中使用線性有限元來求解水流和溶質(zhì)運(yùn)移方程，而SWMI則使用有限差分來求解流動(dòng)方程。1998年Simunek[19]發(fā)布基于Windows的第一版Hydrus 1D模型，后經(jīng)多個(gè)版本更新和系列發(fā)展，Hydrus逐漸演變成為一款可以用于模擬水分、溶質(zhì)、熱、二氧化碳、病毒、細(xì)菌等在土壤介質(zhì)中遷移和轉(zhuǎn)化過程的模型工具。

Hydrus模型系列中的Hydrus 1D模型包括水分運(yùn)移(water flow)、熱和溶質(zhì)運(yùn)移 (heat and solute transport)、根系吸水 (root water uptake)、剖面信息(soil profile)設(shè)置、模擬結(jié)果后處理、參數(shù)反演(inverse solution)等模塊[1, 9, 20]，可用于模擬一維變飽和條件下的地下水流、根系吸水、溶質(zhì)運(yùn)移和熱運(yùn)移等過程。由于Hydrus 1D屬于開放性軟件，可以從Hydrus模型官網(wǎng)(www.pc-progress.com)上免費(fèi)下載使用[21]，其在世界各地的應(yīng)用尤為廣泛[12, 22-26]。

與Hydrus1D模型相比，Hydrus 2D/3D支持模擬更加復(fù)雜的二維和三維對(duì)象，可以用于模擬二維垂直或水平平面、軸對(duì)稱三維區(qū)域或完全三維變飽和區(qū)域的水流、溶質(zhì)和熱傳輸。除了內(nèi)置算法和初始條件不同以外，Hydrus 2D/3D模型的模擬功能也更為強(qiáng)大。例如，其增加了模擬人工濕地(constructed wetlands)和邊坡穩(wěn)定性(slope stability)的模塊、熏劑(fumigant)運(yùn)移選項(xiàng)、允許對(duì)灌溉方式設(shè)定和溶質(zhì)反應(yīng)參數(shù)隨土壤水分含量變化等功能，這些新功能使得Hydrus 2D/3D模型適用于更多的模擬場(chǎng)景[9, 27-28]。

1.2 Hydrus模型原理

1.2.1 水分運(yùn)移模擬 外界環(huán)境中的水通過降雨下滲等方式進(jìn)入土壤，在土壤中被生物利用或吸收，剩余的水分通過蒸發(fā)、內(nèi)部運(yùn)移等方式離開土壤[29]。自1856年達(dá)西定律問世以來，土壤水分運(yùn)移的研究已有百余年的歷史，目前基于達(dá)西定律推導(dǎo)得到的Richards方程是研究土壤水分運(yùn)動(dòng)的基本方程。

水分運(yùn)移模擬是Hydrus中最為基礎(chǔ)的模擬模塊。Hydrus假設(shè)空氣在水分流動(dòng)過程中的作用并不明顯，利用修正的Richards方程描述飽和與非飽和帶的水流運(yùn)動(dòng)[1]：

1.2.2 根系吸水 根系吸水是土壤水分運(yùn)移的重要組成部分，式1中源匯項(xiàng)即代表根系吸水。Hydrus使用3類模型解釋根系吸水過程：①吸水削減模型(water uptake reduction model)使用Feddes水分脅迫響應(yīng)函數(shù)或型函數(shù)將根系潛在吸水率降低為實(shí)際吸水率；②溶質(zhì)壓力模型(solute stress model)可增加鹽分脅迫對(duì)根系吸水量的影響；③主動(dòng)溶質(zhì)吸收模型(active solute uptake model)充分考慮主動(dòng)和被動(dòng)兩種根部養(yǎng)分吸收。

以吸水削減模型中最常用的Feddes函數(shù)為例[38-39]，它將源匯項(xiàng)定義為：

式中：h為滲透水頭(cm)，這里假設(shè)它是所有溶質(zhì)濃度的線性組合；()為根系吸水脅迫響應(yīng)函數(shù)；S為潛在吸水率(d–1)。

Hydrus通過根系吸水參數(shù)、根系分布參數(shù)和根系生長(zhǎng)參數(shù)來控制整個(gè)根系吸水模擬過程。除了基于實(shí)驗(yàn)測(cè)定根系吸水參數(shù)取值以外，Hydrus還提供分別適用于Feddes水分脅迫響應(yīng)函數(shù)和鹽分脅迫函數(shù)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.3 蒸散發(fā)量 Hydrus模型基于氣象數(shù)據(jù)使用Penman-Monteith(以下簡(jiǎn)稱PM)公式或Hargreaves方程[40]計(jì)算潛在蒸散發(fā)通量。此外，蒸散發(fā)通量還與根系吸水模塊輸入的植物參數(shù)相關(guān)。

PM公式如式(3)所示：

式中：ET0為蒸散發(fā)量(mm/d)；λ為汽化潛熱(MJ/kg)；R為地面凈輻射(MJ/(m2·d))；為熱通量(MJ/(m2·d))；為空氣密度(kg/m3)；C為濕空氣的比熱(1.013 kJ/(kg·℃))；e為溫度T下蒸汽壓(kPa)；e為實(shí)際蒸汽壓(kPa)；r為作物樹冠阻力(s/m)；r為空氣動(dòng)力阻力(s/m)；為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)。

Hargreaves方程如式(4)所示：

式中：ETp為蒸散發(fā)量(mm/d)；R為與外空輻射等價(jià)的水量(mm/d)；T為日平均氣溫(℃)；TR是日最高與最低溫度差(℃)。

1.2.4 溶質(zhì)運(yùn)移 土壤溶質(zhì)運(yùn)移旨在研究各種有機(jī)、無機(jī)溶質(zhì)在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的過程、機(jī)理和規(guī)律[41]。20世紀(jì)60年代Nielson和Bigga建立的對(duì)流–彌散CDE方程[15-16]是目前研究土壤溶質(zhì)運(yùn)移過程的基本方程。Hydrus基于對(duì)流–彌散方程來模擬溶質(zhì)在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化過程，忽略氣態(tài)影響，其一般形式如下：

式中：為體積含水量(cm3/cm3)；為溶質(zhì)液態(tài)濃度(g/L)；ρ為土壤容重(g/cm3)；為溶質(zhì)吸附態(tài)濃度(g/g)；q為水流通量(cm/h)；D為彌散系數(shù)(cm2/h)；為水流方程中的匯項(xiàng)；C為匯項(xiàng)中的濃度(g/cm3)；為零階、一階反應(yīng)匯項(xiàng)，包含了零階生成、一階降解以及一階衰變/生成反應(yīng)等。

此外，Hydrus允許包氣帶中的溶質(zhì)在其液態(tài)和吸附態(tài)間存在非平衡的相互作用，并利用廣義非線性方程來描述溶質(zhì)的吸附等溫線：

式中：為線性吸附常數(shù)；、為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；為時(shí)間。

1.2.5 土壤溫度和熱運(yùn)移 水和溶質(zhì)在土壤介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化速率均受土壤溫度的控制，忽略水蒸氣擴(kuò)散的影響，土壤中的熱傳導(dǎo)方程可以表示為[42]：

式中：為溫度(K)，λ()為土壤的表觀導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))；q為水流通量(cm/h)；() 和C分別為多孔介質(zhì)和液相的體積熱容(J/(m3·K))。

1.3 Hydrus參數(shù)反演

根據(jù)模擬過程不同，建立Hydrus模型需要確定土壤水力、溶質(zhì)運(yùn)移、溶質(zhì)反應(yīng)、熱運(yùn)移等多種參數(shù)的取值?；贛arquardt-Levenberg參數(shù)優(yōu)化算法，Hydrus允許基于瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同參數(shù)取值進(jìn)行反演，但其無法對(duì)根系吸水相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反演，實(shí)現(xiàn)這一功能需要修改模型源代碼或者使用外部拓展工具[21]。

反演過程通過選擇一個(gè)與目標(biāo)參數(shù)有關(guān)的函數(shù)來衡量實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)之間的一致性，并通過最小化目標(biāo)函數(shù)得到最優(yōu)擬合參數(shù)[21]。Marquardt-Levenberg是一種局部梯度優(yōu)化算法，對(duì)于每個(gè)反演參數(shù)，需要設(shè)定其初始值和梯度取值范圍，從而計(jì)算出在該梯度范圍內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)最小值。因此，Hydrus建議使用不同的初始值和梯度范圍進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，從而能夠在全值范圍內(nèi)選出使得目標(biāo)函數(shù)取值最小的參數(shù)。

2 我國(guó)Hydrus模型應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

將在CNKI 和WoS數(shù)據(jù)庫(kù)中以Hydrus為主題詞檢索得到的347篇2017—2020年間第一作者或通訊作者為中國(guó)學(xué)者的期刊論文，按Hydrus模擬對(duì)象和研究?jī)?nèi)容進(jìn)行分類，結(jié)果如圖1所示。土壤水分模擬是目前Hydrus應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域，其中CNKI 包含105篇論文，WoS包含 107篇論文，共計(jì)212篇。除水分模擬外，Hydrus還應(yīng)用于對(duì)多種溶質(zhì)在不同多孔介質(zhì)中的運(yùn)移模擬，主要包括水鹽、重金屬、有機(jī)物和氮，其中水鹽和氮循環(huán)過程模擬論文數(shù)量較多，分別為41篇和35篇；重金屬和有機(jī)物運(yùn)移過程模擬研究較少，分別為13篇和11篇。此外，有8篇論文將Hydrus應(yīng)用于熱運(yùn)移模擬，剩余的27篇論文主要涉及Hydrus模型的綜合應(yīng)用以及模型的功能擴(kuò)展與改進(jìn)。根據(jù)文獻(xiàn)檢索結(jié)果，本文以下重點(diǎn)分析總結(jié)我國(guó)學(xué)者應(yīng)用Hydrus模型開展水分和不同溶質(zhì)(水鹽、氮、重金屬、有機(jī)物)運(yùn)移過程模擬的研究現(xiàn)狀。此外，本文還就Hydrus在熱運(yùn)移模擬、污水處理系統(tǒng)模擬、多模型耦合等方面的應(yīng)用加以介紹，以較為完整地反映Hydrus在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀。

圖1 中國(guó)學(xué)者Hydrus論文研究領(lǐng)域分布(2017—2020年)

2.1 水分模擬

2.1.1 土壤水平衡 土壤水分含量關(guān)系到植物能否正常生長(zhǎng)。Hydrus能夠模擬包括降雨帶來的水分輸入、植物蒸騰、地表蒸散發(fā)以及土壤水下滲在內(nèi)的土壤水分平衡過程，在水土保持、生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。近年來有學(xué)者使用Hydrus模擬黃土高原等干旱或極端干旱條件下的土壤水分平衡，研究發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)降水都通過蒸散發(fā)方式流失[22,43]，但不同的種植措施下地表蒸騰作用差異大，可以達(dá)到不同的保水效果。例如種植苜蓿時(shí)土壤表面蒸騰量對(duì)氣候響應(yīng)較強(qiáng)，土壤水分流失大于補(bǔ)給[43]，而在天然草地下地表蒸騰量對(duì)氣候響應(yīng)較弱，土壤水分能夠達(dá)到平衡[44]。除地表蒸散發(fā)外，深層滲漏也是干旱地區(qū)水分流失的重要方式之一，有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間低強(qiáng)度的降雨有利于更深層的下滲[45]。

2.1.2 農(nóng)業(yè)灌溉 在不同的氣候與土壤條件下種植不同作物需要因地制宜采取適宜的作物種植措施。灌溉措施是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一，盡管在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可通過大田試驗(yàn)確定適應(yīng)的灌溉方案，但其耗時(shí)耗力且試驗(yàn)結(jié)果易受天氣變化影響。由于Hydrus能模擬不同時(shí)空尺度和灌溉條件下的土壤水分變化[46]，可用于評(píng)估在不同環(huán)境條件下多種灌溉措施的供水效率。例如：在西北干旱地區(qū)，Hydrus被用于分析128種灌溉情景下的深層滲漏和水分脅迫情況，并進(jìn)一步結(jié)合灌溉方案尋優(yōu)函數(shù)來確定最佳灌溉方案[47]。

除進(jìn)行野外模擬外，部分研究建立Hydrus模型模擬不同室內(nèi)試驗(yàn)過程。例如：徐俊增等[48]基于盆栽試驗(yàn)結(jié)果建立Hydrus 1D模型，定量分析黑土區(qū)土壤含水率與飽和土壤埋深的動(dòng)態(tài)關(guān)系。此外，一些學(xué)者基于土柱/土箱試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立Hydrus模型，模擬灌溉過程中入滲量和濕潤(rùn)體形狀與半徑之間的關(guān)系[49]、不同灌溉措施的灌溉效果[10]，以及不同土壤性質(zhì)和負(fù)壓灌溉條件下的土壤水分變化[50]。

最后，Hydrus將滴灌器設(shè)為點(diǎn)源或等效線源，因而較適于模擬滴灌系統(tǒng)中的土壤水分變化情況[51-52]，近年來國(guó)內(nèi)也有相關(guān)應(yīng)用。例如：高金花等[53]使用Hydrus 1D模型作為田間滴灌試驗(yàn)的補(bǔ)充，研究60 cm深的鹽堿土區(qū)域內(nèi)土壤含水量變化。李豆豆等[54]使用Hydrus 2D/3D模型替代田間試驗(yàn)以確定優(yōu)化的滴灌參數(shù)和模式。

2.2 溶質(zhì)運(yùn)移模擬

自然或人類活動(dòng)產(chǎn)生的各種溶質(zhì)一旦進(jìn)入土壤環(huán)境中，一般要同時(shí)進(jìn)行大量的物理、化學(xué)和生物過程，包括吸附–解吸、揮發(fā)、生物降解以及動(dòng)力學(xué)等過程。Hydrus多樣的溶質(zhì)方程使得其能夠模擬性質(zhì)各異的溶質(zhì)在包氣帶的遷移轉(zhuǎn)化過程，并均能取得較好的模擬效果。

2.2.1 水鹽 土壤鹽分是植物正常生長(zhǎng)的必要條件，其運(yùn)移過程與土壤水分密切相關(guān)[55-57]。由于常見鹽分的賦存形態(tài)較為穩(wěn)定，使用Hydrus模擬水鹽運(yùn)移時(shí)通常只需要確定溶質(zhì)隨水分進(jìn)行運(yùn)移的參數(shù)而不需要確定其反應(yīng)參數(shù)。近年來我國(guó)學(xué)者借助Hydrus模擬土壤水鹽變化的研究較多，例如模擬分析滴灌、暗管排水等節(jié)水灌溉技術(shù)下土壤的水鹽動(dòng)態(tài)，比選最優(yōu)灌溉方案[53,58]；預(yù)測(cè)分析土壤鹽堿化進(jìn)程，為制定灌溉策略和土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)[11]；將Hydrus與農(nóng)作物生長(zhǎng)聯(lián)系起來以預(yù)測(cè)不同水鹽條件下農(nóng)作物產(chǎn)量[59]等。此外，姚榮江等[60]利用多源數(shù)據(jù)和機(jī)理模型進(jìn)行生態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)EnKF同化算法可有效提升Hydrus的水鹽模擬效果。

2.2.2 氮循環(huán) 在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、工業(yè)等領(lǐng)域，氮循環(huán)一直是廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。與其他溶質(zhì)相比，氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程較為特殊，氮素可以以不同的形態(tài)賦存，其反應(yīng)過程也各異。例如，銨態(tài)氮既可以與土壤粒子發(fā)生吸附反應(yīng)被土壤截留，也可以揮發(fā)成為氣態(tài)，還可以沿硝化反應(yīng)鏈轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮；而硝態(tài)氮既可以隨土壤水流動(dòng)傳輸，也可以發(fā)生反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮?dú)狻?/p>

作為一種普適性溶質(zhì)運(yùn)移模擬模型，Hydrus不提供內(nèi)置的氮循環(huán)模擬概念框架。已有的Hydrus氮素研究大都根據(jù)具體的模擬需求，選取關(guān)鍵的一種或多種氮素的運(yùn)移過程進(jìn)行模擬。目前Hydrus對(duì)氮素遷移轉(zhuǎn)化過程的模擬主要集中于銨態(tài)氮吸附過程、硝化與反硝化過程，而對(duì)有機(jī)氮的礦化過程、碳源對(duì)氮循環(huán)過程的影響、植物的氮吸收等過程的研究涉及較少。尹芝華等[61]在模擬污水泄露事件時(shí)僅考慮硝化和反硝化過程，其從歷史文獻(xiàn)中獲取氮反應(yīng)過程參數(shù)值并通過模型反演進(jìn)行優(yōu)化，該研究結(jié)果表明由于吸附作用氨氮在土壤表層出現(xiàn)累積，而硝態(tài)氮更容易遷移，是下伏含水層和下游河流污染的主要來源。楊紅薇等[13]在研究人工快滲系統(tǒng)時(shí)重點(diǎn)考慮銨態(tài)氮在土壤中的吸附和硝化過程，其通過吸附試驗(yàn)確定吸附系數(shù)，從文獻(xiàn)中獲取銨態(tài)氮在微生物作用下的硝化反應(yīng)速率，該研究結(jié)果表明：所建Hydrus 1D模型能夠較好模擬不同運(yùn)行條件和填料層厚度下銨態(tài)氮在系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程。Pan等[62]重點(diǎn)研究地下滲濾系統(tǒng)中的反硝化過程，其從文獻(xiàn)中獲取反硝化速率常數(shù)并校正，利用所建模型研究不同水力條件和溫度對(duì)反硝化過程的影響并建立經(jīng)驗(yàn)公式。Hou等[63]基于Hydrus模型分析施肥對(duì)土壤氮?jiǎng)討B(tài)的影響，該研究重點(diǎn)考慮銨態(tài)氮在土壤中的吸附和運(yùn)移，并發(fā)現(xiàn)化學(xué)非平衡模型為最優(yōu)模擬模型。此外該研究的基于土柱試驗(yàn)進(jìn)行敏感性分析的結(jié)果顯示水土分配系數(shù)(K)是影響銨態(tài)氮運(yùn)移過程最為關(guān)鍵的參數(shù)。

2.2.3 重金屬 土壤中的重金屬種類繁多，賦存形態(tài)復(fù)雜，能夠在土壤環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是世界許多國(guó)家面臨的環(huán)境污染治理難題[64]。吸附作用是土壤截留重金屬的主要過程之一，考慮到土壤水分流動(dòng)和吸附反應(yīng)的復(fù)雜性，Hydrus提供多種物理/化學(xué)非平衡吸附模式用于模擬重金屬在土壤中的吸附和運(yùn)移過程。

選取合適的重金屬運(yùn)移模式并確定相應(yīng)的運(yùn)移參數(shù)是運(yùn)用Hydrus模擬重金屬運(yùn)移過程的關(guān)鍵。在已有研究中，確定不同重金屬運(yùn)移參數(shù)取值的方式主要包括實(shí)驗(yàn)測(cè)定[65]、文獻(xiàn)查閱[66]和模型反演等[67-68]。例如，茅佳俊和劉清[65]通過吸附試驗(yàn)確定Cr的吸附模式和吸附參數(shù)，通過土柱試驗(yàn)計(jì)算溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建粉煤灰土柱的Hydrus 1D模型，用于預(yù)測(cè)粉煤灰中Cr的析出規(guī)律；馮禎[66]從歷史文獻(xiàn)中獲取Ni彌散系數(shù)和吸附系數(shù)，用于模擬青藏高原某礦山排土場(chǎng)重金屬Ni的遷移轉(zhuǎn)化過程；Dai等[68]通過查閱歷史文獻(xiàn)、吸附試驗(yàn)和模型反演3種方式獲得Pb的運(yùn)移參數(shù)，用于模擬磷酸鹽和生物質(zhì)炭對(duì)土壤和地下水中重金屬Pb的去除效果；Zhang等[69]基于土柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到Sb的遷移參數(shù)，用于研究礦渣濾液中Sb的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。此外，還有部分重金屬運(yùn)移研究只關(guān)注重金屬隨水流的遷移過程而未考慮其在土壤中可能發(fā)生的吸附過程[64]。

2.2.4 有機(jī)物 人類產(chǎn)生的抗生素、激素等有機(jī)物進(jìn)入土壤后會(huì)對(duì)植物、微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)產(chǎn)生不利影響。Hydrus可以利用不同的反應(yīng)模式和參數(shù)模擬不同類型有機(jī)物在土壤中發(fā)生的降解轉(zhuǎn)化過程。例如，Lyu等[70]使用基于Hydrus 1D模擬北京某再生污水灌溉系統(tǒng)中PPCPs(藥品和化妝品)的濃度和分布，并考慮其降解過程，該模型中的PPCPs降解參數(shù)通過EPI SuiteTM軟件基于PPCPs的分子結(jié)構(gòu)計(jì)算而得。

不過，并非所有基于Hydrus的有機(jī)物運(yùn)移過程模擬研究都考慮了目標(biāo)有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化過程。例如張步迪等[71-72]、張惠等[73]在利用Hydrus模擬抗生素磺胺嘧啶在土壤中的運(yùn)移過程方面開展一系列研究，包括利用室內(nèi)土柱運(yùn)移試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演抗生素磺胺嘧啶在某農(nóng)田土壤中的運(yùn)移參數(shù)，分析有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、重金屬和pH等對(duì)磺胺嘧啶運(yùn)移的影響，這些研究均未考慮該抗生素是否在土壤中發(fā)生降解。李新峰和許薔薇[74]使用Hydrus 1D模擬某儲(chǔ)油罐泄露事件中石油烴類污染物進(jìn)入土壤后的遷移過程，旨在預(yù)測(cè)石油烴到達(dá)潛水含水層的濃度和時(shí)間，該研究也未考慮石油烴是否進(jìn)行降解與轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

2.3 熱運(yùn)移模擬和土壤溫度

2.4 污水處理

除模擬不同溶質(zhì)在自然環(huán)境中的運(yùn)移過程外，Hydrus也被成功應(yīng)用于模擬氮、磷、有機(jī)物等污染物在不同種人工污染物處理系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程。土壤滲濾是一種常見的污水處理方法，滲濾系統(tǒng)中的土壤分層系人為設(shè)定，顆粒分布均勻而且進(jìn)入系統(tǒng)的流量可控，因此該系統(tǒng)較適合采用Hydrus進(jìn)行模擬。例如，楊紅薇等[13]發(fā)現(xiàn)在將從文獻(xiàn)中獲取的銨態(tài)氮運(yùn)移參數(shù)進(jìn)行反演率定后，Hydrus 1D可以很好地模擬人工快速滲濾系統(tǒng)中銨態(tài)氮的出水濃度，2與MSE分別為0.97和0.30 mmol/L。Pan等[62]利用土柱試驗(yàn)?zāi)M地下滲濾系統(tǒng)中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化過程，并建立Hydrus 1D模型，模擬量化滲濾系統(tǒng)的水力條件和溫度變化對(duì)氮轉(zhuǎn)化過程的影響。李家科等[79]將Hydrus 1D用于生物滯留系統(tǒng)中水和溶質(zhì)的運(yùn)移模擬，系統(tǒng)中溶質(zhì)反應(yīng)參數(shù)取值均基于文獻(xiàn)查閱和實(shí)驗(yàn)率定，該模型水量和溶質(zhì)模擬結(jié)果的Nse值均高于0.85。

除滲濾系統(tǒng)和生物滯留系統(tǒng)外，Hydrus還被用于模擬人工濕地系統(tǒng)中的水分和溶質(zhì)運(yùn)移[80]。例如，Dai等[81]使用從濕地取出的完整土柱進(jìn)行室內(nèi)溶質(zhì)滲透試驗(yàn)，利用Hydrus 1D模擬原狀土累積流量，研究濕地土壤對(duì)水分和溶質(zhì)的截留作用，并進(jìn)而研究濕地退化過程。John等[82]使用Hydrus人工濕地模塊模擬飽和垂直上流式人工濕地，研究曝氣強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)底物的分布影響和系統(tǒng)處理重慶某生活污水的效果，不過該研究未基于實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Hydrus模擬性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.5 模擬現(xiàn)狀分析

表1總結(jié)了我國(guó)學(xué)者在2017—2020年間使用Hydrus模擬土壤水和溶質(zhì)運(yùn)移的一些代表性研究。對(duì)這些研究的模型版本、研究類型、模擬時(shí)空尺度、參數(shù)確定方法、模型評(píng)價(jià)指標(biāo)等基本特征進(jìn)行比較分析，可以看出目前我國(guó)的Hydrus模擬研究呈現(xiàn)以下主要特征。

1)Hydrus模擬以1D研究為主。在目前，我國(guó)開展的Hydrus模擬研究中，建立1D模型的研究數(shù)量遠(yuǎn)多于2D/3D模型。一方面這是由于只有Hydrus 1D模型可以免費(fèi)使用；另一方面，Hydrus基于有限元法計(jì)算水和溶質(zhì)運(yùn)移，Hydrus 2D/3D模型需要進(jìn)行更為復(fù)雜的有限元網(wǎng)格劃分，當(dāng)1D模擬變?yōu)?D/3D模擬時(shí)，有限元網(wǎng)格數(shù)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)，由此造成計(jì)算結(jié)果更加難以收斂。

2)水分運(yùn)移模擬以短時(shí)段、小區(qū)域?yàn)橹?，野外模擬大都包括根系吸水過程。除個(gè)別研究外，無論是室內(nèi)土柱/土箱試驗(yàn)研究還是野外模擬研究，所建Hydrus模型的模擬深度大都在2 m以內(nèi)，而模擬時(shí)段多在一年以內(nèi)，有的土柱試驗(yàn)?zāi)M時(shí)長(zhǎng)只有數(shù)小時(shí)。此外，根系吸水過程可以顯著影響土壤水分運(yùn)移，因此進(jìn)行野外模擬的Hydrus模型大都包含根系吸水模塊。由于室內(nèi)土柱和土箱內(nèi)極少布置植物，因此在相關(guān)Hydrus模型中極少涵蓋根系吸水過程。

3)溶質(zhì)運(yùn)移模擬以小區(qū)域?yàn)橹?，模擬時(shí)段范圍較廣。近年來我國(guó)開展的Hydrus溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究以建立模擬室內(nèi)土柱試驗(yàn)結(jié)果為主。除個(gè)別研究外，無論是室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究還是野外模擬研究，所建Hydrus模型的模擬深度大都在3 m以內(nèi)，但模擬時(shí)段長(zhǎng)短不一，其中室內(nèi)土柱試驗(yàn)的模擬期變化范圍為500 min至600 d；室外模擬研究的模擬期變化范圍為800 min至20 a。

表1 典型Hydrus水和溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究比較

續(xù)表1

注：①Nse為納什效率系數(shù)，MSE為均方誤差，RMSE為均方根誤差，2為決定系數(shù)，RE為相對(duì)誤差，MRE為平均相對(duì)誤差(%)，MAE為平均絕對(duì)誤差，ME為平均誤差，NRMSE為歸一化均方根誤差，RMAE為相對(duì)平均絕對(duì)誤差(%)，T為T檢驗(yàn)值，F為F檢驗(yàn)值；N/A表示缺乏此數(shù)據(jù)②C為率定期；V為驗(yàn)證期；③Y、N分別代表考慮與未考慮根系吸水。

4)確定土壤水力參數(shù)取值多為實(shí)驗(yàn)測(cè)定/模型預(yù)測(cè)與反演率定相結(jié)合。確定合適的土壤水力參數(shù)取值是Hydrus水分運(yùn)移模擬的關(guān)鍵步驟，部分Hydrus研究基于實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果確定土壤水力參數(shù)取值[10, 51-52]。此外，Hydrus的土壤水力參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模塊允許用戶基于土壤粒徑分布、容重以及一、二個(gè)水分保持曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)分層計(jì)算土壤水力參數(shù)取值。表1顯示，不少學(xué)者使用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊估計(jì)Hydrus模型土壤水力參數(shù)取值[10, 22, 47- 48, 55]。然而，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊獲得的土壤水力參數(shù)取值往往存在較大誤差且不適用于深層土壤，且其對(duì)于美國(guó)以外研究區(qū)域的適用性有待研究[56]。為減少實(shí)驗(yàn)測(cè)定或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)造成的參數(shù)估計(jì)誤差[57]，多數(shù)研究會(huì)基于實(shí)地土壤水分監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)土壤水力參數(shù)取值進(jìn)一步進(jìn)行反演率定。

5)土壤溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)取值多為實(shí)驗(yàn)測(cè)定/文獻(xiàn)資料與反演率定相結(jié)合。與土壤水力參數(shù)不同，Hydrus沒有提供幫助確定溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的模塊。建立Hydrus溶質(zhì)運(yùn)移模型需要確定縱向彌散度(Disp)、自由水分子擴(kuò)散系數(shù)(Diff-W)、土壤中空氣分子擴(kuò)散系數(shù)(Diff- G)等溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)。此外，對(duì)于部分溶質(zhì)還需要確定模擬吸附過程的吸附參數(shù)和降解轉(zhuǎn)化過程中的零階、一階反應(yīng)速率等參數(shù)。已有溶質(zhì)遷移研究大都首先基于實(shí)驗(yàn)測(cè)定或文獻(xiàn)查閱確定溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)初值，然后利用Hydrus反演模塊，基于實(shí)測(cè)溶質(zhì)濃度或通量等數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)取值進(jìn)行反演。

美國(guó)制起司越來越不“美式”，美式起司的衰頹可從農(nóng)業(yè)部資料看出一二。1920-1950年代約七成以上的美國(guó)制起司都是美式起司，然后比例逐年遞減，到了1980年代末期美式起司已無法維持一半的占比。1990年代美式起司努力讓比例維持四開頭，2017年占比則為40%。

此外，在重金屬運(yùn)移模擬中，有研究表明相較于批量吸附試驗(yàn)，基于土柱吸附試驗(yàn)得到的吸附系數(shù)模擬性能更優(yōu)[75]。在有機(jī)物運(yùn)移模擬中，除實(shí)驗(yàn)測(cè)定和文獻(xiàn)查閱外，也有研究利用第三方軟件EPI SuiteTM基于溶質(zhì)分子結(jié)構(gòu)估計(jì)運(yùn)移參數(shù)取值[71]。在氮循環(huán)模擬中，鑒于氮循環(huán)過程的復(fù)雜性，相關(guān)研究大都只模擬研究涉及的主要氮轉(zhuǎn)化過程，而忽略被認(rèn)為是次要的反應(yīng)過程。例如：尹芝華等[61]只關(guān)注硝化與反硝化過程；楊紅薇等[13]、Hou等[63]只模擬氨氮吸附過程；Pan等[62]只考慮反硝化過程。由于前期在氮循環(huán)領(lǐng)域開展了廣泛的基礎(chǔ)研究，在氮循環(huán)的Hydrus模擬研究中，更多學(xué)者通過歷史文獻(xiàn)確定氮循環(huán)反應(yīng)參數(shù)的初值。

2.6 Hydrus應(yīng)用局限與展望

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，盡管Hydrus在多個(gè)環(huán)境領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于前期研究的分析也揭示出目前在Hydrus應(yīng)用中仍然存在一些局限。

1)基于室內(nèi)土柱試驗(yàn)獲取的Hydrus模型參數(shù)取值往往無法直接應(yīng)用于野外的環(huán)境過程模擬，鮮有研究探索構(gòu)建室內(nèi)土柱模型與野外模型參數(shù)取值間的有效關(guān)聯(lián)途徑。此外，已有的Hydrus模型多局限于室內(nèi)土柱、室外山體剖面等小尺度應(yīng)用，將小尺度的模擬結(jié)果外推至大區(qū)域范圍伴隨著巨大的不確定性，有限的模擬結(jié)果外推效果不夠理想[22,53-54]。

2)部分Hydrus研究未能明確溶質(zhì)運(yùn)移等參數(shù)的確定方式和最終取值，對(duì)模型的模擬性能缺乏客觀的評(píng)估。同時(shí)，大部分研究沒有將模擬時(shí)段分成獨(dú)立的參數(shù)率定期和驗(yàn)證期，并對(duì)模型的模擬參數(shù)取值進(jìn)行獨(dú)立的率定和驗(yàn)證，這可能造成Hydrus模型參數(shù)的過擬合，削弱模型對(duì)于不同模擬環(huán)境條件的適應(yīng)性和模擬結(jié)果的可靠性。

3)Hydrus模型缺乏動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整。以根系吸水模型為例，在Hydrus中輸入根系吸水參數(shù)初始值后，這些參數(shù)無法動(dòng)態(tài)變化[84]，因此不能充分考慮根系生長(zhǎng)對(duì)水分消耗的影響，隨著模擬時(shí)間的增加，模擬結(jié)果的誤差會(huì)不斷累積[34, 83]。此外，Chen等[85]在研究中發(fā)現(xiàn)Hydrus在同時(shí)模擬兩種作物時(shí)只能輸入一組根系吸收參數(shù)，無法對(duì)間作情景進(jìn)行模擬，因此他們將Hydrus 1D進(jìn)行修正允許同時(shí)輸入兩組參數(shù)，但是由于缺乏相應(yīng)的模型率定模塊，相關(guān)參數(shù)需要手動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4)Hydrus模擬性能受模擬深度影響顯著。不少研究結(jié)果顯示Hydrus對(duì)表層土壤的模擬性能不佳[22, 48, 86]，而在環(huán)境條件更為穩(wěn)定的土壤深層，模擬效果有明顯提升[22]。究其原因，土壤表層更易受外界環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)較大的壓力梯度，即使在小區(qū)域Hydrus也會(huì)生成數(shù)百萬個(gè)有限元網(wǎng)格，模型模擬效果會(huì)受到顯著影響。此外，為使迭代計(jì)算能夠順利進(jìn)行，Hydrus限制最多只能將土壤分為10層，這又對(duì)其深層土壤或者復(fù)雜土壤屬性下的應(yīng)用造成限制[83]。

Hydrus具備多種邊界條件，不僅能輸入、輸出水和溶質(zhì)的濃度和通量，還能計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡，近年來許多研究將Hydrus與其他模型進(jìn)行耦合來解決實(shí)際問題。例如將Hydrus與地下水模型耦合[87]，建立較大流域范圍內(nèi)的水流循環(huán)模型[88]，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)定[89]、人工試錯(cuò)以及算法優(yōu)化[90]等方法獲得模型參數(shù)，提高模擬效果；將Hydrus與隨機(jī)森林模型、ICON框架結(jié)合形成一套完整的溫室氣象–土壤溫度含水量預(yù)報(bào)框架[91]；基于Hydrus 3D模擬土壤的水循環(huán)過程，基于DNDC模擬氮循環(huán)過程，并將二者耦合模擬太湖某丘陵山坡硝態(tài)氮的淋溶過程等[36]。目前，Hydrus模型與其他模型耦合的工作才剛剛起步，主要側(cè)重于與地下水和土壤生化循環(huán)模型間的松散耦合?？梢灶A(yù)期未來將出現(xiàn)更多Hydrus與天氣、地下水、地表徑流、河流、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等不同環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域模型間的耦合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶質(zhì)在流域等大尺度范圍內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程的全過程模擬，以研究自然與人類活動(dòng)雙重因素對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響，確定影響污染物遷移的關(guān)鍵過程和因素以及指導(dǎo)污染治理措施的制定與優(yōu)化。

此外，Hydrus的模擬功能有待進(jìn)一步加強(qiáng)與完善。例如Hydrus缺乏對(duì)根系吸水和根系分布參數(shù)的優(yōu)化功能[92]、不能考慮土壤表層的復(fù)雜徑流[84]、缺乏根系生長(zhǎng)模擬的溫度響應(yīng)[93]等。而許多學(xué)者針對(duì)Hydrus模型功能局限所開發(fā)的離心力、凍融過程、同位素和根系生長(zhǎng)等擴(kuò)展功能，也有待納入Hydrus模塊中，因而限制其廣泛應(yīng)用[94]。

3 結(jié)論

經(jīng)過數(shù)十年的不斷修改與完善，Hydrus已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)成熟的土壤物理環(huán)境模擬工具，在我國(guó)被廣泛應(yīng)用于不同環(huán)境領(lǐng)域的水分、溶質(zhì)和熱運(yùn)移模擬研究中。此外，Hydrus還被用于研究土壤滲濾系統(tǒng)、生物滯留系統(tǒng)、人工濕地等人工污染物去除系統(tǒng)中氮磷和有機(jī)物等污染物的去除效果與影響因素。已有研究結(jié)果顯示，Hydrus能夠較好地模擬水、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、有機(jī)物等溶質(zhì)在不同屬性的多孔介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化過程。然而，對(duì)于目前我國(guó)已開展的Hydrus水分和溶質(zhì)運(yùn)移研究的綜合分析結(jié)果顯示我國(guó)在Hydrus應(yīng)用的一些領(lǐng)域還有待進(jìn)一步規(guī)范與加強(qiáng)。例如，已有的水分和溶質(zhì)運(yùn)移研究大都局限于對(duì)小區(qū)域或者室內(nèi)土柱的一維模擬，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土柱模擬獲得的參數(shù)不直接適用于野外模擬，小區(qū)域的模擬研究結(jié)果在大區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)用受限；一些研究未能明確對(duì)Hydrus模型水力和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的確定過程；已有研究大都缺乏對(duì)模型參數(shù)取值進(jìn)行獨(dú)立的率定和驗(yàn)證，從而削弱了模型對(duì)于不同模擬環(huán)境條件的適應(yīng)性，并增加了模擬結(jié)果的不確定性；同時(shí)，部分研究缺乏對(duì)模型模擬效果的系統(tǒng)評(píng)估，模擬性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)也有待統(tǒng)一。

Hydrus模型的設(shè)計(jì)初衷主要用于模擬包氣帶中水和不同溶質(zhì)的運(yùn)移過程。近年來，有學(xué)者嘗試進(jìn)一步將Hydrus與其他環(huán)境領(lǐng)域的模型進(jìn)行耦合，從而實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)在流域等大尺度范圍內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程的全程模擬。迄今，Hydrus模型耦合研究大都局限于與地下水和土壤地化模型的松散耦合。預(yù)計(jì)未來基于多源數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)Hydrus與多種環(huán)境領(lǐng)域模型和深度學(xué)習(xí)算法的有機(jī)融合將成為進(jìn)一步拓展Hydrus應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

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Recent Progresses in Research and Applications of Hydrus Model in China

GAO Zhenguo1, ZHONG Ruilin2, YANG Shuai1, LI Xiaogang1, YANG Xiaoying1*

(1 Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200438, China; 2 Ganzhou Rare Earth Group Co., Ltd., Ganzhou, Jiangxi 341000, China)

The Hydrus model, developed by the U.S. Salinity Laboratory, is mainly designed to simulate the transport of water, solutes and heat in the vadose zone, and currently, it has been used widely all over the world. In this paper, we systematically analyzed the progresses of Hydrus model researches in China based on screening 347 literatures from the CNKI and Web of Science databases, and these papers were published by Chinese scholars from 2017 to 2020. The results showed that Hydrus could well simulate the transport and transformation processes of water and solutes in different media. However, current application of Hydrus in China has been mostly limited to the one-dimensional simulation of small areas or indoor soil columns. In addition, the processes of calibrating the hydraulic and solute transport parameters needed to be further standardized and improved, while some studies lacked the systematic evaluation of Hydrus simulation results. It was suggested that future research on Hydrus models in China should be strengthened in two aspects: Firstly, Hydrus could be coupled with different environmental domain models to achieve the simulation of the whole process at a large scale such as cross a river basin; Secondly, the standard modules of Hydrus could be extended to add new functions to meet the real-world research needs.

Hydrus; Vadose zone; Water transport; Solute transport; Simulation

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.002

高震國(guó), 鐘瑞林, 楊帥, 等. Hydrus模型在中國(guó)的最新研究與應(yīng)用進(jìn)展. 土壤, 2022, 54(2): 219–231.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFC1805100)資助。

(xiaoying@fudan.edu.cn)

高震國(guó)(1997—)，男，安徽滁州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲廴疚镄袨檠芯颗c運(yùn)移模擬。E-mail: 19210740070@fudan.edu.cn