模型对比

SHUD对比性优势

与非数值方法模型(SWAT和TopModel为代表)对比:

物理性分布式水文模型:基于物理公式(达西定律、理查德方程、简化圣维南方程等)描述流域水文过程。由最基本原理描述来求解整体流域响应,属于自下而上方法,更能表现模拟客观性;即物理性模型优于概念模型和集总式模型。并且物理性模型可用于无观测流域的模拟研究。

  • 超高时间分辨率:SHUD模型的时间分辨率为秒至分钟级,对于描述流域变化的快过程有显著优势,例如描述洪水过境、洪水淹没以及水化学过程。尤其是模型内根据变化速度自动调整的自适应时间步长既显著提高模型整体运行效率,又满足数值计算的收敛性要求。以SWAT为代表的模型,通常计算时间分辨率为天。

  • 空间连续性:空间连续性有利于耦合研究,例如模型详细描述水从山坡汇流的路径,有利于生物化学、污染物运动、湖泊、生态以及地貌变迁等方面的模型耦合。与之对比,SWAT以HRU为单元计算水的产汇流,但无法描述水从HRU最远点到河流的过程,因而也无法描述污染物在HRU内的传播路径。

  • 地表-地下全耦合:比传统模型更真实地表述了地表地下水的交互过程,同时增强了模型在不同流域的通用性。例如传统模型固定了地下水向河流的流向——坡面流向河道,导致无法表达干旱地区河流渗漏补给地下水的过程。SHUD模型的地表地下紧耦合方法中,地下水与河流交互方向由实时水力梯度决定,即水可以双向流动。

  • 土地利用的水力学表达:模型中通过蒸发、地表径流、植被物候规律以及土壤特性变化四个方面来体现土地利用,有效地表达了土地利用的水力学特征。对比SWAT模型,其土地利用特征由CN值表达,CN值缺少足够物理性而难以测量;CN值同时包含土壤透水性和土地利用导致的粗糙度与不透水面积,并且难以表达物候特征,因此模型不确定性较大。

与其他数值方法水文模型(以ParFlow、SHE、PAWS为代表)对比:

表1总结了SHUD模型与国际相似数值方法水文模型的区别。

  • 非结构化空间分割:相比于结构化网格(即矩形网格),非结构网格更有利于表达流域边界、河流和空间特征,其边界条件控制也更符合数值理论(Beven 2012)。在计算上,非结构化网络可以实现模拟空间内重点区域局部加密,或者局部疏松——实现边界条件不变的情况下,有效的控制了数值方法的计算规模。

  • 全局隐式求解:流域快过程(地表径流等)与慢过程(地下水流动等)同时求解。保证每一步长水文状态变量都满足收敛性要求,保证了水文变量的连续性、一致性和收敛性。

  • 局地和全局水量平衡:有限体积法和程序内算法共同保证了模型局地和全局的水量平衡。

  • 灵活的空间分辨率:现有研究结果验证了模型可在厘米至公里级别分辨率上运行,并取得预期的模拟效果。其中厘米分辨率应用于Vauclin等(1979)水槽箱试验模拟中,公里分辨率已应用于实际流域研究中(Shu等2020)。

  • 河道与三角形单元的交叉拓扑关系:非结构网格中常见河道与三角形单元的相邻关系,但由于河道自身弯曲绵延,会导致4个问题:(1)为描述河道而产生大量微小三角形单元;(2)河道附近三角形单元出现大钝角,影响模拟精度;(3)河道起始点容易出现异常积水单元;以及(4)通过简化河道后,河道坡度出现负值。SHUD在非结构网络中引入结构网络常用的交叉拓扑关系即可以解决以上问题,显著提高数据制备和模拟效率。

  • 开源模型:促进模型自身快速发展,同时有效支撑相关学科耦合研究。当前源代码访问量大于每月40人次。

模型名称 求解方式 耦合方式 空间网格 数值方法 河道与坡面单元关系 开源 文献
SHUD 一阶精度 全局隐式 非结构 有限体积 交叉 Shu et al. (2020)
PIHM 一阶精度 全局隐式 非结构 有限体积 相邻 Qu and Duffy (2007)
CATHY 边界条件交互 次序迭代 非结构 有限元 无显式河道单元 Aquanty Inc. (2013)
HydroGeoSphere 一阶精度 全局隐式 非结构 有限元 Bixio et al. (2002); Camporese et al. (2010)
OpenGeoSys 一阶精度 次序迭代 非结构 有限元 相邻 Delfs et al., (2009, 2012)
ParFlow 压力连续 全局隐式 结 构 有限差分 交叉 Kollet and Maxwell, (2006); Kollet et al., (2010);
PAWS 一阶精度 非同步连接 结构 有限差分 交叉 Shen and Phanikumar, (2010)
tRIBS 一阶精度 非同步连接 非结构 有限元 相邻 Ivanov et al. (2004)
MIKE SHE 边界条件交互 非同步连接 结构 有限差分 交叉 Hansen et al. (2013)
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