HYDRUS-1D Infiltration

HYDRUS-1D（Ver.4）による浸潤過程の計算

2008.5.11

HYDRUS-1D は，HYDRUS-2D とほぼ等しい入力画面，入力パラメータを持つため，HYDRUS-2D マニ
ュアル教本 1 章も参照のこと(説明文中に，マニュアル教本の参照ページを示す)。なお，入力画面は，バージョンによって若干異なる。大気境界条件の湛水等，新たに加わった入力項目もあるので，なるべく最新のバージョンを用いること。
例題 1-1 1 次元シルト層への水分浸潤
深さ 50cm のシルト層に，一定水分フラックス 0.5cm/day で浸潤。
・

初期条件 ： シルト全体の圧力-2000cm

・境界条件 ： 上端 一定フラックス 0.5cm/day， 下端 自由排水条件(Free drainage)(圧力勾配をゼロと仮定する自由排水条件は，下端への水分到達以降，近似が成立しない場合もあるので注意すること。)

・

観測点 0,10, 20, 30, 40 cm（1）プロジェクトの作成 New ProjectFile→Project Manager:ワークススペースの下に,新しいプロジェクトを作成。
Name:プロジェクト名を半数英角 8 文字以内で入力。
Description:プロジェクトの説明を入力。プロジェクト数が増えたときの識別に便利（空欄でも可）。
OK を選択。

Directory: プロジェクトファイルの保存フォルダ。この例では，指定したフォルダ内に SiltInf1.h1d とSiltInf1 名のフォルダ，SiltEva フォルダ内に，入出力ファイルが保存される。SiltInf1.h1d と SiltInf1 のフォルダをコピーすれば，他のワークスペースでの実行，または他のユーザーとの共有が可能である。
（2）主要な計算条件 Main Processes
Heading: プロジェクトの見出し（空欄でも可）。
Simulate: 水分移動 (Water Flow)を選択。

1

HYDRUS-1D Infiltration（3）土層に関する情報 Main Geometry Information
Length Unit: 長さ単位。
Number of Materials: 計算に用いる土の種類の数。
Number of layers for Mass Balances: マスバランスを計算する層の数。マスバランスの計算は，土の層と一致する必要はなく，いくつかの土による構成でも良い。後述のグラフィカルエディターProfile
では，マスバランス領域を Subregion とよぶ。
Decline from Vertical Axes: 流れ方向角度 x の cos x 値。1:垂直流れ; 0:水平流れ。
Depth of the Soil Profile: 計算する土層の長さ。

（4）時間情報 Time Information
Time Units: 時間単位。
Time Discretization: 離散化時間の設定。
Initial Time:計算開始時間。
Final Time: 計算終了時間。
Initial Time Step:初期時間刻み幅。
Minimum Time Step:最小時間刻み幅。計算の非線形性が強いときには，数値計算の収束が困難になる。
収束が悪い場合には，初期時間刻み幅，最小時間刻み幅を小さくする必要がある(たとえぱ数日間の計算に対して 10-8 日程度)。
Maximum Time Step:最大時間刻み幅。
Boundary conditions:表面境界条件が時間変化する場合，Time-Variable Boundary Conditions を選択。
境界条件が一定である今回のプロジェクトでは使用しない。
2

HYDRUS-1D Infiltration（5）印刷情報 Print Information
Print Options 印刷オプション
T-Level Information: 選択すると，計算時間に対する平均水分量，平均水分溶質フラックス，積算水分フラックス，繰り返し計算等に関する情報が，ファイル（T_LEVEL.OUT）に出力される。Every ntime steps に値を入力することで，出力データを間引くことが可能。
Print at Regular Time Interval: 入力した時間間隔で T-Level Information を出力。
Screen Output: 選択すると，計算実行中に画面に計算結果が出力される。
Print Fluxes for Observation Nodes: 選択すると，観測点におけるフラックスを出力。
Hit Enter at End: 選択すると，計算終了時に Enter キーで実行画面を閉じる。計算終了時に表示される計算所要時間を確認することができる。
Print Times 印刷時間
Number of Print Times: 出力ファイル(NOD_INF.OUT)にデータ (圧力水頭，含水率，濃度，水分フラックス，水分収支，溶質収支等)を出力する印刷時間数。データ数を入力後，Select Print Timesを選択して印刷時間を入力する。

Select Print Times 印刷時間の入力
3

HYDRUS-1D Infiltration

Default を選択すると等間隔時間となる。
Default（log）を選択すると対数時間の等間隔となる。計算初期の印刷時間を密にするときに用いる。
計算開始時間は含めず，印刷時間の最大値は計算終了時間と同値であること。

(6)反復計算 Iteration Criteria
Iteration Criteria 反復計算に関する条件設定。p.1.8 参照。
Maximum Number of Iterations:各時間ステップでの最大反復回数。10 程度。
Water Content Tolerance:不飽和流れの水分量許容誤差。0.001 程度。
Pressure Head Tolerance:飽和流れの圧力水頭許容誤差。1cm 程度。
Time Step Contorol

時間ステップ制御。

Lower Optimal Iteration Range:収束回数がこの値以下では時間刻み幅を増加させる。推奨値 3。
Upper Optimal Iteration Range:収束回数がこの値以上では時間刻み幅を減少させる。推奨値 7。
Lower Time Step Multiplication Factor:時間刻み幅の減少割合。推奨値 1.3。
Upper Time Step Multiplication Factor: 時間刻み幅の増加割合。推奨値 0.7
Iternal Interpolation Tables HYDRUS は，計算を行う前に，入力された水分移動パラメータに基づく，水分量，不飽和透水係数，比水分容量の表を作成する。そして，反復計算の際には，作成した表の該当部分を線形補完することで水分移動特性値を決定する。この補間表の利用により，計算処理を早めることができる。この補間による計算を行いたくない場合は，補間の圧力水頭上下限値の両方に 0 を入力する。
Lower Limit of the Tension Interval: 1e−006 程度。
Upper Limit of the Tension Interval: 10000 程度。

この反復計算に関する設定は，計算に問題が生じない限り，デフォルト設定値を用いた方がよい。

4

HYDRUS-1D Infiltration（7）土の水分移動モデル Soil Hydraulic Model
Hydraulic model: 水分移動特性モデルの選択。van Genuchten モデルが広く用いられる。Clay や Silty
clay の浸潤においては,with Air-Entry Value of –2cm（AEV）を選択した方が良い。粘土の透水係数は飽和流域で非線形性が強いため,−2ｃｍまでの透水係数を飽和透水係数として扱うことで安定した解が得られる(p.6.10 参照)。

Hysteresis:ヒステリシスを含まないときは，No hysterisis を選択。
(8) 土の水分移動パラメータ Water Flow Parameters(7)で選択した水分移動モデルに対して，試料の水分移動特性を与える。(3)で複数の土を指定した場合
は，土の数に応じて行が追加される。HYDRUS は，土の水分移動パラメータに関して，2 種類の補助入力機能を持っている。土性の種類 (たとえばシルト，ローム粘土) 以外の情報がない場合，Soil Catalogの選択リストをドラッグダウンして土性を選択すると，必要な入力パラメータの値が与えられる(ただし，ここで与えられるパラメータの値は，あくまで，それぞれの土性に対するおおよその推定値であることに注意)。
ここではシルトを選択する。Neural Network Prediction(ニューラルネットワークによる予測)については，p.1.11 を参照。
5

HYDRUS-1D Infiltration(9) 水分流れの境界条件 Water Flow Boundary Conditions

・Upper Boundary Condition: 上端の境界条件。ここでは，Constant Flux を選択する。この条件を選択した後，次の画面でフラックス値を指定する。
・Lower Boundary Condition:

下端の境界条件。ここでは，重力による排水条件である Free drainage を選択する。

・Initial Condition: 初期条件を，圧力水頭と水分量のどちらで与えるかを選択。ここでは初期条件を圧力で与える。

上端フラックス値 0.5cm を設定する。HYDRUS1D では，鉛直上向きを正として，フラックスを与えるので，ここではマイナス値を与える。
グラフィカルエディターProfile による設定を行う場合は，OK を選択。

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HYDRUS-1D Infiltration(10)グラフィカルエディターProfile
Profile では，空間刻み幅，土の分布等を設定する。Conditions(基本的には上から下の項目の順序)ある
いはアイコン (基本的には左から右の順序) により入力項目を選択して設定を行う
1. プロファイルの離散化 Profile descritazation
Conditions→Profile Discretization あるいはアイコン選択。

a. 節点数(Number of Nodes): Edit→Number of Nodes あるいは画面左の Edit nodes から選択。デフォル
ト設定値は 101 である。
b. 固定点の挿入(Insert Fixed Point): 節点の分布密度を設定するために固定ポイントを挿入する。何も選択しないと，表面と下端の 2 点が自動的に選択される。
c. .密度(density): 各固定点の上下の密度を与える。

7

HYDRUS-1D Infiltration

初期設定値は 1 である。上部と下部の密度の比は，固定点上下の節点間隔の比を与える。両者の密度の値が等しければ，固定点上下の節点間隔は等しくなる(Use upper density for both を選択すると，上下の密度と等しくなる)。2 つの固定ポイントのあいだの節点の分布密度は，それぞれの設定に応じての段階的に変化する。通常の計算では，上下の節点間隔があまり大きく変化しないように 0.7-1.5 程度の密度の値を用いることが推奨されている。
2. 土層の分布 Material distribution
Conditions→Material Distriburion あるいはアイコン選択。土層の分布を指定する。マウスで該当する節点を選択し，土の種類を指定する。土の種類の数は，(3)の Main Geometry Information 中の Number ofMaterials で入力する。ただし均一試料の場合では，全層が土層 1 に指定され，ここでの変更は必要ない。

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HYDRUS-1D Infiltration

3. 初期分布 Initial distribution
Conditions→Initial Conditions あるいはアイコン選択。(9)Water Flow Boundary Conditions で指定した圧力水頭あるいは体積含水率について初期分布を指定する。複数の節点を選択し，上部と下部に異なる値を入力すると，その区間では直線的な分布が与えられる。ここでは Edit condition で全層を選択し，h=－2000ｃｍを設定する。

設定した初期分布は，右から 3 番目のアイコンを選択すると，分布図が示される。
4. マスバランスを計算する層 Subregion Distribution
Conditions→Subregions あるいはアイコン選択。(3)の Main Geometry Information 中の Number of layers
で指定した数のマスバランス領域を設定する。ここでは，層全体の 1 領域である。
5. 観測点 Observation Points
Conditions→Observation Points あるいはアイコン選択。観測位置の節点を選択することにより設定する。
図中には赤四角のマークで示される。観測位置における圧力，含水率の経時変化の計算結果に対するグラフが示される。なお設定した順に，観測位置番号として登録される。画面左の Insert を選択して，画面右下の座標を見ながら，位置 0, -10, -20, -30, -40 cm の節点を選択する。

9

HYDRUS-1D Infiltration(11)土プロファイルのサマリー Soil Profile Summary
グラフィカルエディターProfile を終了すると，設定した分布の表が示される。このデータは Profile.dat に保存されている。またこの表を用いて，手入力でデータの修正が行える。
z:位置，h:初期圧力水頭，Root:根の吸い込み，Axz:圧力に関するスケーリングファクター，Bxz:透水係数に関するスケーリングファクター，Dxz:含水率に関するスケーリングファクター，Mat:土の種類 (Material)
番号である。

以上の入力に誤りがなければ，プログラムを実行する(Calculation→Excecute HYDRUS あるいは上部アイコンを利用)。計算結果は以下の出力ファイルに基づき，グラフ表示される。出力ファイルの詳細につい10HYDRUS-1D Infiltrationては，HYDRUS1D マニュアルを参照のこと。
出力されるテキストファイル
・プロファイルに関するデータ: Nod_inf.out
・観測点の圧力および水分量に関するデータ: Obs_node.out
・マスバランスに関するデータ: Balance.out
・計算時間に関するデータ: Run_inf.out
・境界面の圧力および水分フラックスに関するデータ: T_level.out

計算結果(1) 観測点での圧力および体積含水率変化 Observation Points(2) 圧力，体積含水率，透水係数，水分容量，水分フラックス分布の変化 Profile Information
Profile Information: Water Content

Profile Information: Pressure Head00-10-10-20-20-30-30-40-40-50-2000-1500-1000-5000-500.150.200.25

h [cm]

0.30

0.35

0.400.45

Theta [-]

Profile Inform.: Hydraulic Conductivity

Profile Information: Hydraulic Capacity

00-10-10-20-20-30-30-40-40

11 -50

-50
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.00000.0005K [cm/days]

0.0010C [1/cm]c=dθdh0.0015

HYDRUS-1D Infiltration

Profile Information: Water Flux
0-10-20-30-40-50-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1

0.0v [cm/days](3) 境界での水分フラックスおよび圧力水頭 Boundary Water Fluxes and Pressure Heads

Bottom Flux

Cum. Actual Surface Flux

0.00-0.1-5-0.2-10-0.3-15-0.4-0.5-2005101520253035040

510152025303540

Time [days]

Time [days]

Surface Pressure Head

Bottom Pressure Head

00-100-500-200-300

-1000

-400
-1500
-500
-600-2000
05101520253035400

Time [days]

5101520
Time [days]

1225303540

HYDRUS-1D Infiltration(5) 計算時間に関する情報 Run-Time Information
Run-Time Information: Time vs. dt

Run-Time Information: Level vs. dt

2.52.52.02.01.51.51.0

1.00.50.50.00.002040608010012014016001805101520253035

Time [days]

Level

Run-Time Information: Time vs. Iter
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.00510152025303540

Time [days]

例題 1-2 一次元シルト層への水分浸潤 (水分フラックス小)一定水分フラックス 0.25cm/day で浸潤。
・

初期条件 ： シルト全体の圧力−2000cm

・境界条件 ： 上端 一定フラックス 0.25cm/day， 下端 自由排水条件(Free drainage)

以下変更点のみ示す。
（1）プロジェクトのコピー Copy Project
例題の SiltInf1 をコピーしてプロジェクトを作成する。

1340

HYDRUS-1D Infiltration（4）時間情報 Time Information
計算時間を 60 日に変更。

（5）印刷情報 Print Information
印刷時間数を 24 に変更。

(9) 水分流れの境界条件 Water Flow Boundary Conditions
水分フラックスを変更。

14HYDRUS-1D Infiltration

計算結果
圧力，体積含水率，透水係数，水分容量，水分フラックス分布の変化 Profile Information

Profile Information: Pressure Head

Profile Information: Water Content

00-10-10-20-20-30-30-40-40-50-2000-1500-1000-500-500.150h [cm]

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

Theta [-]

境界での水分フラックスおよび圧力水頭 Boundary Water Fluxes and Pressure Heads
Bottom Flux
0.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25
0102030405060Time [days]

例題 1-3 一次元シルト層への水分浸潤 (下端浸出条件)
高さ(深さ) 50cm，幅 10cm のシルト層に，一定水分フラックス 0.5cm/day で浸潤。下端は大気に開放。
・境界条件： 上端 一定フラックス 0.5cm/day， 下端 浸出条件(Seepage Face)

以下変更点のみ示す。
（1）プロジェクトのコピー Copy Project
例題の SiltInf1 をコピーしてプロジェクトを作成する。

15

HYDRUS-1D Infiltration(9) 水分流れの境界条件 Water Flow Boundary Conditions
下端境界を Seepage face に変更。
Version 4 では浸出条件の圧力を指定できる。大気開放は h=0。

計算結果
圧力，体積含水率，透水係数，水分容量，水分フラックス分布の変化 Profile Information
Profile Information: Pressure Head

Profile Information: Water Content

00-10-10-20-20-30-30-40-40-50-2000-1500-1000-500-500.150h [cm]

0.20

0.25

0.30

0.35

Theta [-]

160.400.45

0.50

HYDRUS-1D Infiltration

境界での水分フラックスおよび圧力水頭 Boundary Water Fluxes and Pressure Heads
Bottom Pressure Head

Bottom Flux
0.00-0.1-500-0.2-1000-0.3-1500-0.4
-2000

-0.5

005101520253035

51040

1520
Time [days]

Time [days]

その他 1 次元浸潤の応用問題
z

他の土性に対する浸潤z

負圧灌漑(表面の境界圧力を負圧にする)z潅漑法(異なる強度，潅漑間隔)の違いによる浸潤の違い

z

成層土への浸潤等

1725303540