CN117216822A - 一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法及系统，该方法包括：构建初始模型并生成初始模型附属的输入文件；修改初始模型运行结束模式为每次运行完后自动结束；生成运行模型的命令文件；确定模拟时需输入的各个参数所需批量模拟的范围或参数值；读取输入文件，并定位参数行，将原本固定参数值改为变量；执行批量模拟计算；执行批量提取输出结果。本发明通过遍历函数直接改写模型输入文件，自动批量计算不同参数组合的HYDRUS‑1D模型，节省大量的人力成本，提高了计算效率；在遍历不同参数组合的HYDRUS‑1D模型时，自动提取模型输出结果文件中所需分析的结果参数内容，极大程度降低了人为操作的失误率，并提高了数据分析效率。
Description
技术领域
本发明涉软件开发技术领域，具体是一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法及系统。
背景技术
HYRUS-1D软件是目前国内外应用最广的非饱和带土壤一维水-盐运移数值模拟计算软件。饱和渗透系数和土壤水分特征曲线(SWCC)表征了土壤水分运移的基本特征，是求解非饱和带土壤水-盐运移模型中不可或缺的输入参数。其中SWCC常采用van Genuchten模型描述：
式中：θ(h)为土壤体积含水率[L3L-3]；θs为土壤饱和体积含水率[L3L-3]；θr为残余土壤体积含水率[L3 L-3]；h为土壤吸力[L]；Ks为饱和渗透系数[LT-1]；K(h)为土壤非饱和渗透系数[LT-1]；Se为有效含水率[-]；α、m、n和l均为经验参数，量纲分别为[1/L]、[-]、[-]、[-]。采用van Genuchten模型在HYRUS-1D计算土壤非饱和带水盐运移数值模拟时需输入以下6个参数(如图3所示)：Qr(θr)、Qs(θs)、Alpha(α)、n、Ks、l。
在多种HYDRUS-1D软件应用场景中，如数值模拟试验、参数敏感性分析等，通常需要手动逐个输入各参数不同的值，逐个运行模型；每个模型运行完成后，还需逐个打开所需的输出结果文件，逐个提取所需的数值模拟结果数据。此外，由于土壤水分运移参数一般与结果存在较强的非线性关系，模拟参数范围越大、间隔越小，参数组合越多，越能避免分析结果代表性不足的问题。其中，模型输出结果文件包括、但不限于以下文件：①BALANCE.OUT；②I_CHECK.OUT；③NOD_INF.OUT；④OBS_NODE.OUT；⑤PROFILE.OUT；⑥RUN_INF.OUT；⑦SOLUTE1.OUT；⑧T_LEVEL.OUT。可见，以上处理方法存在大量重复性工作，而由于输出结果文件较多、各文件存在交叉内容，每次人工结果提取时均可能出现人为操作失误的情况，计算效率低、易出错且出错后检查难度高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对HYDRUS-1D软件本身无法自动批量计算基于不同输入参数值的水盐运移数值模型，以及批量提取模型输出结果效率低、易出错的缺陷，提出一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法及系统，使用python批量修改HYDRUS-1D输入文件、批量自动运行以及批量提取结果。
本发明解决该技术问题所采取的技术方案如下：
一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法，包括以下步骤：
步骤一、构建初始模型：基于HYDRUS-1D的图形用户界面GUI构建一个初始模型，并自动生成所述初始模型附属的输入文件，所述输入文件是所有输入参数的合集，在HYDRUS-1D的图形用户界面GUI修改参数，所述输入文件中对应的参数值会自动同步改变，反之所述图形用户界面GUI中的参数也会随着输入文件中参数值修改而自动同步改变；
步骤二、修改所述初始模型运行结束模式：将所述初始模型的结束模式修改为每次运行完后自动结束；
步骤三、生成运行模型的命令文件：在所述初始模型相同目录下新建命令文件，将所述初始模型的路径输入所述命令文件中，为通过外部程序调用所述初始模型计算时提供路径参数；
步骤四、确定批量计算参数值：根据用户需求确定模拟时需输入的各个参数所需批量模拟的范围或参数值；
步骤五、执行参数改写：读取初始模型的输入文件，并定位参数行，将原本固定参数值改为变量，以便在遍历模型时进行参数改写；
步骤六、执行批量模拟计算：调用HYDRUS-1D软件执行程序，遍历运行所需的组合参数值的土壤水分、溶质运移模型；
步骤七、执行批量提取输出结果：新建输出结果汇总文本文件，写入所需提取参数的名称作为文本文件首行；提取输出结果文件中所需的数据列；遍历运行所有模型的过程中，同时自动提取每次输出结果，并以追加写入的方式，填充该新建的输出结果汇总文本文件。
进一步的，所述步骤四中模拟时需输入的各个参数包括θr、θs、α、n、Ks、l，θr为残余土壤体积含水率[L3 L-3]；θs为土壤饱和体积含水率[L3L-3]；α、n和l均为经验参数；Ks为饱和渗透系数[LT-1]。
进一步的，所述步骤四具体包括：对各参数在某个区间范围内的值进行连续、等间隔的模拟，通过设置list(range())函数中的最小值、最大值、递增间隔值数来实现。
进一步的，所述步骤五具体包括：所述输入文件为“SELECTOR.IN”，通过open()、readlines()函数读取初始模型的输入文件“SELECTOR.IN”，通过搜索“BLOCK B”来定位参数行，或者通过line[]来定位行数行；参数行定位后，将原本固定参数值改为变量{θr}、{θs}、{Alpha}、{n}、{Ks}、{l}，以便在遍历模型时进行参数改写。
一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的系统，包括：
初始模型构建模块，用于基于HYDRUS-1D的图形用户界面GUI构建一个初始模型，并自动生成所述初始模型附属的输入文件，所述初始模型是所有输入参数的合集，在HYDRUS-1D的图形用户界面GUI修改参数，所述输入文件中对应的参数值会自动同步改变，反之所述图形用户界面GUI中的参数也会随着输入文件中参数值修改而自动同步改变；
运行模式修改模块，用于将所述初始模型的结束模式修改为每次运行完后自动结束；
命令文件生成模块，用于在所述初始模型相同目录下新建命令文件，将所述初始模型的路径输入所述命令文件中，为通过外部程序调用所述初始模型计算时提供路径参数；
批量计算参数值确定模块，用于根据用户需求确定模拟时需输入的各个参数所需批量模拟的范围或参数值；
参数改写模块，用于读取初始模型的输入文件，并定位参数行，将原本固定参数值改为变量，以便在遍历模型时进行参数改写；
批量模拟计算执行模块，用于调用HYDRUS-1D软件执行程序，遍历运行所需的组合参数值的土壤水分、溶质运移模型；
输出结果批量提取模块，用于新建输出结果汇总文本文件，写入所需提取参数的名称作为文本文件首行；提取输出结果文件中所需的数据列；遍历运行所有模型的过程中，同时自动提取每次输出结果，并以追加写入的方式，填充该新建的输出结果汇总文本文件。
进一步的，所述批量计算参数值确定模块中模拟时需输入的各个参数包括θr、θs、α、n、Ks、l，θr为残余土壤体积含水率[L3 L-3]；θs为土壤饱和体积含水率[L3L-3]；α、n和l均为经验参数；Ks为饱和渗透系数[LT-1]。
进一步的，所述批量计算参数值确定模块具体用于：对各参数在某个区间范围内的值进行连续、等间隔的模拟，通过设置list(range())函数中的最小值、最大值、递增间隔值数来实现。
进一步的，所述参数改写模块具体用于：通过open()、readlines()函数读取初始模型的输入文件，通过搜索“BLOCK B”来定位参数行，或者通过line[]来定位行数行；参数行定位后，将原本固定参数值改为变量{θr}、{θs}、{Alpha}、{n}、{Ks}、{l}，以便在遍历模型时进行参数改写。
本发明具有以下有益效果：
1、由于土壤水分运移参数多与运行结果存在较强的非线性相关性，在进行参数敏感性分析时，模拟参数范围越宽、间隔越小，模拟参数组合越多，越能有效避免结果规律代表性不足的情况。本发明通过遍历函数直接改写模型输入文件“SELETOR.IN”，自动批量计算不同参数组合的HYDRUS-1D模型，节省了大量的人力成本，提高了计算效率。若采用常规模拟方法，每次修改参数需在GUI界面双击“Water Flow Parameters”，修改6个参数中的其中一个或多个，点击“ok”，运行模型；若采用本方法及系统，点击1次运行即可。以点击次数来评价，计算效率可提升3倍；考虑人工修改参数过程、运行模型中的时间间隔以及操作失误引起的时间消耗，计算效率至少提升5倍。
2、在遍历不同参数组合的HYDRUS-1D模型时，自动提取模型输出结果文件中所需分析的参数内容，极大程度降低了人为操作的失误率，并提高了数据分析效率。模型附属文件目录中输出结果文件一般不少于8个，以常用的T_Level.out输出文件为例，其中有22列数据，人工操作提取所需的结果数据极易出现错列的情况。若采用常规模拟方法，每个参数组合的模型运行结束后，均需打开附属文件夹，双击结果文件，选取目标列数据，复制、粘贴至目标文件中；若采用本方法及系统，点击1次运行即可。以操作步骤来评价，本方法及系统可使结果提取效率提升至少5倍；考虑人工修改参数过程、运行模型中的时间间隔以及操作失误引起的时间消耗，结果提取效率至少提升10倍。
附图说明
图1是本发明实施例一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法的流程图；
图2本发明实施例的输出结果示意图；
图3是本发明实施例采用van Genuchten模型在HYRUS-1D计算土壤非饱和带水盐运移数值模拟时输入的6个参数的界面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本发明实施例提供一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法，包括以下步骤：
(1)构建初始模型
根据用户需求，基于HYDRUS-1D构建一个初始模型TEST.h1d，为便于输出结果提取，可先运行一遍初始模型。在创建、运行TEST.h1d后，该文件同目录下自动生成附属文件夹，文件夹内包括2个输入信息文件(ATMOSPH.IN和SELECTOR.IN)、9个输出结果文件(A_Level.out、Balance.out、I_Check.out、Nod_Inf.out、Obs_Node.out、Profile.out、Run_Inf.out、solute1.out、T_Level.out)。所述输入文件是所有输入参数的合集，包括BLOCK A(BASIC INFORMATION)、BLOCK B(WATER FLOW INFORMATION)、BLOCK C(TIMEINFORMATION)、BLOCK D(ROOT GROWTH INFORMATION)、BLOCK E(HEAT TRANSPORTINFORMATION)、BLOCK F(SOLUTE TRANSPORT INFORMATION)、BLOCK G(ROOT WATER UPTAKEINFORMATION)其中的部分或全部模块信息，具体根据模型模拟需求设置。在HYDRUS-1D的GUI界面修改参数，SELECTOR.IN文件中对应的参数值也会自动同步改变，反之亦然。
以研究土柱下边界通量对参数Ks变化的敏感性分析为例，至少取5个大小、间距合适的Ks进行模拟，并对比分析各模拟结果中的下边界通量。其中参数Ks的信息在SELECTOR.IN文件中，下边界通量在多个输出结果文件中均有相关信息，其中T_Level.out文件中的信息结构最便于提取下边界通量随时间变化的数据，即Time与vBot列。但T_Level.out共有22列数据(表1)，在人工操作多次提取数据时极易出错。
表1输出文件T_Level.out中的数据列信息
| 列数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 信息 | Time | rTop | rRoot | vTop | vRoot | vBot |
| 列数 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 信息 | sum(rTop) | sum(rRoot) | sum(vTop) | sum(vRoot) | sum(vBot) | hTop |
| 列数 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
| 信息 | hRoot | hBot | RunOff | sum(RunOff) | volumn | sum(Infil) |
| 列数 | 19 | 20 | 21 | 22 | / | / |
| 信息 | Sum(Evap) | Tlevel | Cum(WTrans) | SnowLayer | / | / |
(2)修改模型运行结束模式
HYDRUS-1D软件默认每个模型运行完成后，需按“Enter”键以结束本次计算。在本次批量计算方法中取消“Hit Enter at End”选项，否则在遍历模型时需不断按“Enter”键以继续计算，工作量仍然较大。在本次批量计算方法中取消“Hit Enter at End”选项，模型每次运行完后自动结束。
(3)生成运行模型命令文件
在初始模型相同目录下(D:\)新建“LEVEL_01.DIR”命令文件，将初始模型TEST.h1d路径输入该命令文件中，即D:\TEST，然后保存、关闭。如此可将初始模型的路径输入该命令文件中，为通过外部程序调用初始模型计算时提供路径参数。
(4)确定批量计算参数值
根据用户需求，确定模拟时需输入的各个参数(θr、θs、Alpha、n、Ks、l)所需批量模拟的范围或参数值。一般有批量模拟需求的，是对各参数在某个区间范围内的值进行连续、等间隔的模拟，可通过设置list(range())函数中的最小值、最大值、递增间隔值等参数来实现。
本次以参数Ks为例，在无法确定其范围、大小与间距时，需尽量多地模拟不同Ks的初始模型TEST.h1d，并获取该条件下的下边界通量输出值。本次拟模拟范围为1～50cm/d，模拟参数间距为1cm/d，即需模拟50次，提取结果50次，若采用传统人工操作，工作量巨大。
(5)执行参数改写
通过open()、readlines()函数读取初始模型的输入文件“SELECTOR.IN”，通过搜索“BLOCK B”来定位参数行。由于在仅改变参数值的批量计算过程中，参数行在SELECTOR.IN文件中的位置不变，因此，也可以直接通过line[]来定位行数行。参数行定位后，将原本固定参数值改为变量{θr}、{θs}、{Alpha}、{n}、{Ks}(参数l则直接采用默认值0.5)，以便在遍历模型时进行参数改写。
本实施例通过readlines()函数读取文件“SELECTOR.IN”，再通过line[]定位至参数行，将固定值Ks改为变量“Ks”，以便在遍历模型时进行参数改写。在初始模型结构不变的情况下，“SELECTOR.IN”中参数行编号不会改变，本次为第27行，但line索引从0开始，即本例将line[26]处原本Ks值的位置改为变量“Ks”。在PyCharm中通过定义函数def modify_input()实现参数改写功能，代码如下：
(6)执行批量模拟计算
通过subprocess.run()调用并执行HYDRUS-1D软件的计算程序“H1D_CALC”。在PyCharm中代码如下：
(7)执行批量提取输出结果
模型批量计算过程中，每一个参数组合，会产生一套计算结果。如果在初始模型中修改参数，另存为一个新模型再运行，在批量计算过程中，会消耗大量的计算机存储容量，人力成本也会大幅度增加；如果在同一个初始模型中修改参数再运行，可大幅度降低计算存储负担，但模拟结果会覆盖上一次的模拟结果，因此，在每一次模型运行结束后，需要提取结果，再进行下一次的计算，具体操作如下：新建输出结果汇总文本文件，写入所需提取参数的名称作为文本文件首行；提取输出结果文件中所需的数据列，一般可通过“end”定位所需提取数据的截止行；遍历运行所有模型的过程中，同时自动提取每次输出结果，并以追加写入的方式，填充该新建的输出结果汇总文本文件。
本实施例中，先新建的汇总文本文件BF-collect.txt(如图2所示)，并根据所需要的数据写入表头，如本例需在汇总文件中显示“Ks、alpha、time、vBot”等4列数据。然后，采用readlines()函数逐行读T_level.out文件，采用split()函数将每行数据按空格拆分，将原本的string格式转为list，即将数据分为22列。最后，提取T_level.out文件中的第1列time和第6列vBot数据追加入新建的汇总文本文件BF-collect.txt中；当行首为“end”时，停止本次提取。在遍历Ks参数运行模型时，每次模型运行结束后，均在BF-collect.txt文件追加提取信息。在PyCharm中定义结果提取函数extract_BF()实现以上提取功能，代码如下：
本发明通过遍历函数直接改写模型输入文件“SELETOR.IN”，自动批量计算不同参数组合的HYDRUS-1D模型，节省了大量的人力成本，提高了计算效率；在遍历不同参数组合的HYDRUS-1D模型时，自动提取模型输出结果文件中所需分析的参数内容，极大程度降低了人为操作的失误率，并提高了数据分析效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、构建初始模型：基于HYDRUS-1D的图形用户界面GUI构建一个初始模型，并自动生成所述初始模型附属的输入文件，所述输入文件是所有输入参数的合集，在HYDRUS-1D的图形用户界面GUI修改参数，所述输入文件中对应的参数值会自动同步改变，反之所述图形用户界面GUI中的参数也会随着输入文件中参数值修改而自动同步改变；
步骤二、修改所述初始模型运行结束模式：将所述初始模型的结束模式修改为每次运行完后自动结束；
步骤三、生成运行模型的命令文件：在所述初始模型相同目录下新建命令文件，将所述初始模型的路径输入所述命令文件中，为通过外部程序调用所述初始模型计算时提供路径参数；
步骤四、确定批量计算参数值：根据用户需求确定模拟时需输入的各个参数所需批量模拟的范围或参数值；
步骤五、执行参数改写：读取初始模型的输入文件，并定位参数行，将原本固定参数值改为变量，以便在遍历模型时进行参数改写；
步骤六、执行批量模拟计算：调用HYDRUS-1D软件执行程序，遍历运行所需的组合参数值的土壤水分、溶质运移模型；
步骤七、执行批量提取输出结果：新建输出结果汇总文本文件，写入所需提取参数的名称作为文本文件首行；提取输出结果文件中所需的数据列；遍历运行所有模型的过程中，同时自动提取每次输出结果，并以追加写入的方式，填充该新建的输出结果汇总文本文件。
2.如权利要求1所述的批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法，其特征在于：所述步骤四中模拟时需输入的各个参数包括θr、θs、α、n、Ks、l，θr为残余土壤体积含水率[L3 L-3]；θs为土壤饱和体积含水率[L3L-3]；α、n和l均为经验参数；Ks为饱和渗透系数[LT-1]。
3.如权利要求1所述的批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法，其特征在于：所述步骤四具体包括：对各参数在某个区间范围内的值进行连续、等间隔的模拟，通过设置list(range())函数中的最小值、最大值、递增间隔值数来实现。
4.如权利要求1所述的批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的方法，其特征在于：所述步骤五具体包括：所述输入文件为“SELECTOR.IN”，通过open()、readlines()函数读取初始模型的输入文件“SELECTOR.IN”，通过搜索“BLOCK B”来定位参数行，或者通过line[]来定位行数行；参数行定位后，将原本固定参数值改为变量{θr}、{θs}、{Alpha}、{n}、{Ks}、{l}，以便在遍历模型时进行参数改写。
5.一种批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的系统，其特征在于，包括：
初始模型构建模块，用于基于HYDRUS-1D的图形用户界面GUI构建一个初始模型，并自动生成所述初始模型附属的输入文件，所述输入文件是所有输入参数的合集，在HYDRUS-1D的图形用户界面GUI修改参数，所述输入文件中对应的参数值会自动同步改变，反之所述图形用户界面GUI中的参数也会随着输入文件中参数值修改而自动同步改变；
运行模式修改模块，用于将所述初始模型的结束模式修改为每次运行完后自动结束；
命令文件生成模块，用于在所述初始模型相同目录下新建命令文件，将所述初始模型的路径输入所述命令文件中，为通过外部程序调用所述初始模型计算时提供路径参数；
批量计算参数值确定模块，用于根据用户需求确定模拟时需输入的各个参数所需批量模拟的范围或参数值；
参数改写模块，用于读取初始模型的输入文件，并定位参数行，将原本固定参数值改为变量，以便在遍历模型时进行参数改写；
批量模拟计算执行模块，用于调用HYDRUS-1D软件执行程序，遍历运行所需的组合参数值的土壤水分、溶质运移模型；
输出结果批量提取模块，用于新建输出结果汇总文本文件，写入所需提取参数的名称作为文本文件首行；提取输出结果文件中所需的数据列；遍历运行所有模型的过程中，同时自动提取每次输出结果，并以追加写入的方式，填充该新建的输出结果汇总文本文件。
6.如权利要求5所述的批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的系统，其特征在于：所述批量计算参数值确定模块中模拟时需输入的各个参数包括θr、θs、α、n、Ks、l，θr为残余土壤体积含水率[L3 L-3]；θs为土壤饱和体积含水率[L3L-3]；α、n和l均为经验参数；Ks为饱和渗透系数[LT-1]。
7.如权利要求5所述的批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的系统，其特征在于：所述批量计算参数值确定模块具体用于：对各参数在某个区间范围内的值进行连续、等间隔的模拟，通过设置list(range())函数中的最小值、最大值、递增间隔值数来实现。
8.如权利要求5所述的批量处理非饱和带水盐运移数值模拟的系统，其特征在于：所述参数改写模块具体用于：通过open()、readlines()函数读取初始模型的输入文件，通过搜索“BLOCK B”来定位参数行，或者通过line[]来定位行数行；参数行定位后，将原本固定参数值改为变量{θr}、{θs}、{Alpha}、{n}、{Ks}、{l}，以便在遍历模型时进行参数改写。
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Also Published As
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