Chapter 4 数据准备

本节从原始数据要求到输入文件内涵,向用户详细介绍模型输入数据。

4.1 原始数据

类型 数据名 必要性 要求(格式、步长、数量) 说明
空间数据 流域边界 矢量 连续、封闭、唯一多边形;
空间数据 河流网络 矢量 河流具有方向性;河流无向下分叉;
空间数据 高程 0 单位:米
空间数据 土地利用分类 矢量/栅格 \(n_{lc}\)个分类
空间数据 土壤分类 矢量/栅格 \(n_s\)个分类
空间数据 气象站点 矢量/栅格 \(n_{fc}\)个站点
参数 土地利用 \(n_{lc}\) 土地利用的水力学参数
参数 土壤 \(n_s\) 土壤性质:Silt百分比、Clay百分比、有机质含量、Bulk Density
时间序列数据 气象驱动 小时~日 降雨、气温、湿度、辐射、风速、气压
时间序列数据 叶面积指数(LAI) 小时~月 每类土地利用一个LAI时间序列
时间序列数据 融化系数 小时~月 一个时间序列
时间序列数据 观测数据 小时~月 通常为径流数据、地下水、蒸散发等

4.1.1 数据实例

DWR
南苏丹Pongo流域原始数据实例:流域边界(绿色实线),河流(红色实线)、DEM(背景)和气象站点覆盖范围(黑色虚线)。气象数据站点为GLDAS数据,因此为$ 0.25 x 0.25 $度覆盖范围。
DWR DWR
(a) Percentage of silt (b) Percentage of Clay
DWR DWR
(c) Organic mater (Organic Carbon) (d) Bulk density
南苏丹Pongo流域土壤数据:Silt百分比,Clay百分比,有机物含量,Bulk Density。数据来源:ISRIC_SoilGrids。
DWR
南苏丹Pongo流域土地利用信息。土地利用数据来自USGS GLC数据。
DWR
FLDAS数据的覆盖范围,即气象站点位置信息。
DWR
FLDAS的气象驱动数据。

4.2 模型输入文件

输入文件列表

File Category 备注 Header # of column
.mesh sp 三角形单元定义
.att sp 单元属性表
.riv sp 河流
.rivseg sp 三角形单元与河道单元拓扑信息
.calib cfg 物理参数校准文件
.para cfg 模型运行设置参数文件
.ic cfg 模型初始条件
.geol para 地下水层的水力学参数
.soil para 浅层土壤的水力学参数
.lc para 土地利用的水力学和能量参数
.forc tsd 气象驱动数据文件的列表
.csv tsd 气象驱动时间序列数据
.lai tsd 叶面积指数
.obs tsd 用于校准观测时间序列数据
.mf tsd 融雪参数时间序列数据
.rl tsd 计算潜在蒸散发的粗糙度时间序列数据
gis/domain 三角形单元的矢量文件 x x
gis/river Shapefile 河段的矢量文件 x x
gis/seg Shapefile 被三角形分割的河段矢量文件 x x

The screenshot of input files for SHUD

在文件夹 gisfig 中的文件与SHUD模拟无关,然后在数据分析和可视化中有很大作用,因此保留在输入文件当中。

4.3 空间数据

4.3.1 .sp.mesh 文件

Example of .sp.mesh file (block 1) Example of .sp.mesh file (block 2)

.mesh 文件中有两个表格,第一个表格为三角形的组成和拓扑关系;第二个表格为组成三角形的节点坐标信息。

  • 表格 1 (三角形单元)

  • 表头

值1 值2
行数 ( \(N_{cell}\)) 列数 (\(8\))
含义 取值范围 单位 备注
ID 单元序号 \(i\) 1 ~ \(N_{cell}\) -
Node1 三角形单元第1角点\(i\) 1 ~ \(N_{node}\) -
Node2 三角形单元第2角点 \(i\) 1 ~ \(N_{node}\) -
Node3 三角形单元第3角点 \(i\) 1 ~ \(N_{node}\) -
Nabr1 三角形单元第1邻居序号\(i\) 1 ~ \(N_{cell}\) -
Nabr2 三角形单元第2邻居序号\(i\) 1 ~ \(N_{cell}\) -
Nabr3 三角形单元第3邻居序号\(i\) 1 ~ \(N_{cell}\) -
Zmax 三角形单元地表高程 -9999 ~ +inf \(m\)
  • Block 2 (node information)

  • 表头:

值1 值2
行数( \(N_{node}\)) 列数 (\(5\))
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
ID 点序号 \(i\) 1 ~ \(N_{cell}\) -
X x坐标 \(i\) 1 ~ \(N_{node}\) -
Y y坐标 \(i\) 1 ~ \(N_{node}\) -
AqDepth 含水层厚度(地表至不透水层距离)\(i\) 0 ~ +inf \(m\)
Elevation 点的高程(z坐标) \(i\) -9999 ~ +inf \(m\)

4.3.2 .sp.att文件

Example of .sp.att file

  • 表头
值1 值2
行数( \(N_{cell}\)) 列数 (\(7\))
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
ID 单元序号\(i\) 1 ~ \(N_{cell}\) -
SOIL 土壤类型序号 1 ~ \(N_{soil}\) -
GEOL 类型序号 1 ~ \(N_{geol}\) -
LC 类型序号 1 ~ \(N_{lc}\) - \(N_{lc}\) = \(N_{lai}\)
FORC 气象站点序号 1 ~ \(N_{forc}\) -
MF 融雪指数序号 1 ~ \(N_{mf}\) -
BC 边界条件序号 1 ~ \(N_{bc}\) -
SS 源汇序号 1 ~ \(N_{bc}\) -

4.3.3 .sp.riv文件

Example of .sp.riv file

  • 表头
值1 值2
行数( \(N_{riv}\)) 列数 (\(5\))
含义 取值范围 单位 备注
ID 河段序号\(i\) 1 ~ \(N_{river}\) -
DOWN 下游河段序号 1 ~ \(N_{river}\) - Negative vlaue indicates outlet
Type 河流参数序号 1 ~ \(N_{rivertype}\) -
Slope 河床底坡度 -10 ~ 10 \(m/m\) Height/Length
Length 河段长度 \(i\) 0 ~ inf \(m\)

4.3.4 .sp.rivseg文件

Example of .sp.rivseg file

  • 表头
值1 值2
行数( \(N_{segment}\)) 列数 (\(4\))
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
ID 片段序号 \(i\) 1 ~ \(N_{segment}\) -
iRiv 所属河段序号 1 ~ \(N_{river}\) -
iEle 相交单元序号 1 ~ \(N_{cell}\) -
Length 片段长度 \(i\) 0 ~ inf \(m\)

4.4 水力学参数

4.4.1 .para.soil

土壤表层的水力学参数

4.4.2 .para.geol

地下水层的水力学参数

4.4.3 .para.lc

与土地利用有关的参数

4.5 模型配置文件

4.5.1 .cfg.para文件

Example of .cfg.para file

  • Table
含义 取值范围 单位 Default 值
VERBOSE 输出冗余信息 - - 0
INIT_MODE 初始条件模式 0~3 - 3 (0=Relief conditon, 1=Dry condition, 2=Default guess, 3=Warm start)
ASCII_OUTPUT 是否输出文本格式结果 1/0 - 0
Binary_OUTPUT 是否输出二进制格式结果 1/0 - 1
SPINUPDAY 模型预热天数 0 ~ inf \(day\) 0
SCR_INTV 屏幕输出间隔 0 ~ \(N_{threads}\) \(min\) 1440
ABSTOL CVODE绝对容差 1e-6 ~ 0.1 - 0.0001
RELTOL CVODE相对容差 1e-6 ~ 0.1 - 0.0001
INIT_SOLVER_STEP 初始迭代步长 - \(min\) 1
MAX_SOLVER_STEP 最大迭代步长 1~60 \(min\) 10
ET_STEP 正散发计算步长 1~360 \(min\) 60
START 模型开始时间(天数) 0 ~ inf \(day\) 0
END 模型结束时间(天数) - \(day\) -
dt_ye_snow 储量输出步长,积雪 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_ye_surf 储量输出步长,地表水 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_ye_unsat 储量输出步长,未饱和层 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_ye_gw 储量输出步长,地下水层 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_Qe_surf 单元流量输出步长,地表水 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_Qe_sub 单元流量输出步长, 地下水 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_qe_et0 单元流量输出步长,截流蒸发 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_qe_et1 单元流量输出步长,蒸腾 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_qe_et2 单元流量输出步长,蒸发 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_qe_etp 单元流量输出步长,潜在蒸散发 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_qe_prcp 单元流量输出步长,降雨 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_qe_infil 单元流量输出步长,下渗 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_qe_rech 单元流量输出步长,地下水补给 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_yr_stage 河段储量输出步长,河道 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_Qr_down 河段流量输出步长,向下游 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_Qr_surf 河段流量输出步长,向坡面 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_Qr_sub 河段流量输出步长,向地下水 0 ~ inf \(min\) 1440
dt_Qr_up 河段流量输出步长,向上游 0 ~ inf \(min\) 1440

4.5.2 .cfg.calib文件

Example of .cfg.calib file

  • Table
含义 取值范围 单位 备注
GEOL_KSATH 水平水力传导度,地下水层 ? -
GEOL_KSATV 垂直水力传导度,地下水层 ? -
GEOL_KMACSATH 大孔隙水平水力传导度,地下水层 ? -
GEOL_DMAC 大孔隙深度,地下水层 -
GEOL_THETAS 地下水层孔隙度,地下水层 -
GEOL_THETAR 土壤残留含水量,地下水层 -
GEOL_MACVF 大孔隙面积比,地下水层 -
SOIL_KINF 饱和水力传导度,未饱和层 ? -
SOIL_KMACSATV 大孔隙垂向水力传导度,未饱和层 ? -
SOIL_DINF 下渗深度参数,未饱和层 ? -
SOIL_ALPHA \(\alpha\)值,van Genuchten公式 -
SOIL_BETA \(\beta\)值,van Genuchten公式 -
SOIL_MACHF 大孔隙面积比,未饱和层 -
LC_VEGFRAC 植被覆盖度 -
LC_ALBEDO 反照率 -
LC_ROUGH 地表曼宁粗糙度 -
LC_SOILDGD 土壤劣化系数 -
LC_IMPAF 不透水面积比 -
LC_ISMAX 最大截流系数 -
AQ_DEPTH+ 含水层深度 \(m\)
TS_PRCP 降雨 -
TS_SFCTMP+ 温度 \(C\)
ET_ETP 潜在蒸散发 -
ET_IC 冠层截流 -
ET_TR 植被蒸腾 -
ET_SOIL 直接蒸发 -
RIV_ROUGH 河道曼宁粗糙度 -
RIV_KH 河床水力传导度 -
RIV_DPTH+ 河道深度 \(m\)
RIV_WDTH+ 河道宽度 \(m\)
RIV_SINU 河道绵延度 -
RIV_CWR 谢才公式系数\(C_{wr}\) -
RIV_BSLOPE+ 河床坡度 \(m/m\)
IC_GW+ 地下水水位初始条件 \(m\)
IC_RIV+ 河道水量初始条件 \(m\)

4.5.3 .cfg.ic文件

Example of .cfg.ic file

  • 表1 (三角单元初始条件)

  • 表头

值1 值2
行数( \(N_{cell}\)) 列数 (\(6\))
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
ID 单元序号\(i\) 1 ~ \(N_{cell}\) -
Canopy 冠层截流 \(i\) 0 ~ inf \(m\)
Snow 积雪 \(i\) 0 ~ inf \(m\)
Surface 地表水 \(i\) 0 ~ inf \(m\)
Unsat 未饱和层水 \(i\) 0 ~ inf \(m\)
GW 地下水 \(i\) 0 ~ inf \(m\)
  • 表2 (河段初始条件)

  • 表头:

值1 值2
行数( \(N_{riv}\)) 列数 (\(2\))
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
ID 河段序号 \(i\) 1 ~ \(N_{riv}\) -
Stage 河段水位 \(i\) 0 ~ inf \(m\)

4.6 时间序列数据

4.6.1 .tsd.forc文件

Example of .tsd.forc file

  • Line 1: 气象站点数量 | 开始日期 (YYYYMMDD)
  • Line 2: 驱动数据文件所在文件夹
  • Line 3~N: 时间序列数据文件名

Example of .csv forcing file

  • 表头:
值1 值2
( \(0\)) 列数 (\(6\))
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
Day 日数 0 ~ \(N_{day}\) \(day\)
PRCP 降雨 0 ~ 1 \(mm/day\)
TEMP 气温 -100 ~ 70 \(C\)
RH 相对湿度 0 ~ 1 \(-\)
wind 风速 0 ~ inf \(m/s\)
Rn 太阳净辐射 ? \(W/m^2\)

4.6.2 .tsd.lai文件

Example of .tsd.lai file

  • 表头:
值1 值2 值3
天数 ( \(N_{time}\)) 列数 (\(N_{lc}\)) 开始日期 (YYYYMMDD)
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
第一列 时间 0 ~ \(N_{time}\) \(day\)
第2列 叶面积指数1 0 ~ inf \(m^2/m^2\)
第i列 叶面积指数\(i-1\) 0 ~ inf \(m^2/m^2\)

4.6.3 .tsd.rl文件

Example of .tsd.rl file

  • 表头:
值1 值2 值3
天数 ( \(N_{time}\)) 列数 (\(N_{lc}\)) 开始日期 (YYYYMMDD)
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
第一列 时间 0 ~ \(N_{time}\) \(day\)
第2列 粗糙度1 0 ~ inf \(m\)
第i列 粗糙度\(i-1\) 0 ~ inf \(m\)

4.6.4 .tsd.mf文件

Example of .tsd.mf file

  • 表头:
值1 值2 值3
天数 ( \(N_{time}\)) 列数 (\(N_{mf}\)) 开始日期 (YYYYMMDD)
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
第一列 时间 0 ~ \(N_{time}\) \(day\)
第2列 融雪因子1 0 ~ inf -
第i列 融雪因子\(i-1\) 0 ~ inf -

4.6.5 .tsd.obs文件

Example of .tsd.obs file

  • 表头:
值1 值2 值3
天数 ( \(N_{time}\)) 列数 (\(N_{obs}\)) 开始日期 (YYYYMMDD)
  • Table
含义 取值范围 单位 备注
第一列 时间 0 ~ \(N_{time}\) \(day\)
第2列 观测1 ? ?
第i列 观测 \(i-1\) ? ?

end