FAQ

关于SHUD模型

为什么使用非结构域,而不使用规则网格?

水文计算中非结构网格有以下几个优点:

  • 通常,非结构域中的计算单元数量远少于规则域。
  • 由于自然环境中的变量和特征从来不是横平竖直的规则分布,因此非结构域比规则域更易于表达空间异质性特征,包括海拔、地形、土壤、图例利用等等。
  • 非结构域的边界较为灵活,在不显著增加计算单元的情况下,可以详细描述计算域的边界形状。
  • 非结构域的单元大小灵活,可根据模型和研究区域的特征在特定区域加密计算单元,而同时在外围地区保持较粗单元,即保证的计算域的边界影响最小,有能保证在所关心区域内的高精度高分辨率的模拟。
  • 非结构网格更容易表达复杂边界。当研究区域边界复杂时,规则域的计算单元以指数级增长,实现对复杂边界和空间异质性的表达,而非结构域则无此限制。

非结构域的缺点:

  • 比较难以建立
  • 建立非结构域的算法多种多样,用户需要有较长的学习过程。
  • 建立求解过程相比于规则域要复杂
  • 空间数据的解读不如规则域简单直观,通常空间数据的可视化中——需要对非结构域结果进行空间插值,实现规则域形式的可视化。

Reference: https://en.wikipedia.org/wiki/Grid_classification

SHUD模型和PIHM的区别?

SHUD模型是PIHM的一个继承者,继承了1996年由Duffy提出的二相耦合概念模型,并且继承了部分PIHM 1.0和2.0当中的成熟经验。之后作者修改了模型中部分过程、计算和实现语言,SHUD模型已经与PIHM模型不再兼容,因此使用新名称对模型进行命名。

SHUD与PIHM的区别:

  1. SHUD使用C++面向对象编程,将计算封装起来,避免内存泄露等PIHM常见问题。
  2. SHUD使用了不同的坡面与河道的交互。PIHM中河道与两个三角形坡面相邻,带来了四个问题:1. 河道的长度极大的影响和模型的计算单元数量,用户不得不在简单河道和计算单元数量之间做权衡。2. 平原地区的河道绵延曲折,导致大量微小三角形单元和非结构三角形,使得模型计算容易突破库容常数而使得模型变慢。3. 容易出现局部积水点(sink),个别积水点就可以极大的拖慢整个流域的求解速度。 4. 为解决以上问题,模型用户需要反复手动对河流形状进行修改,降低了模型的可重复性和效率。SHUD的河道覆盖在三角形单元之上,坡面和河道水量交换给予河道水位和地下水、地表水的坡度计算,整体计算效率显著提升。
  3. SHUD模型中计算入渗、地下水补给和河流交互的公式与PIHM不同。公式的采用基于经验和模型设计时的需求。未来将会就此进行模型对比,展示两个模型的差异。
  4. SHUD模型确保了计算中的水量平衡。

在技术层面SHUD模型:

  • 支持CVODE 5.0及以上版本
  • 支持OpenMP并行计算
  • 采用和与PIHM不同的数据结构和算法
  • 支持可读性强的输入和输出文件
  • 统一的时间序列数据操作
  • 指定步长输出模型状态,作为后续模型运行的初始条件。
  • 自动检查模型的输入数据和参数的有效性
  • 加入模型调试选项,监控每一步长内的非法值和内存操作。

SHUD模型需要什么数据来驱动?

  • 空间数据:高程、流域边界、河流、土壤分类、地质背景、土地利用、气象站点

  • 属性数据: 土壤/地质特征、河道剖面几何特征、土地利用参数

  • 时间序列数据:气象驱动(包括降雨,气温,湿度,风速和净辐射),叶面积指数,用于蒸发计算的粗糙度,融雪指数。

    部分数据缺失的时候,可以使用SHUD模型的默认数据。具体请参考SHUD理论指南https://www.shud.xyz/Book_CN/.

SHUD模型在全球有哪些适用的流域?

SHUD模型作为物理性水文模型,理论上可适用于任何流域和区域,而且SHUD模型非常灵活,可适应各种不同的背景和研究目的。

至今最小的模拟区域是Vauclin试验——模拟 $2m \times 3m \times 0.05 m $ ($ 高 \times 长 \times 宽 $)的水槽箱,顶部投影面结仅仅$ 0.1 m^2$,计算单元面积小于$ 0.1 cm^2$,本试验关注土壤水和地下水的计算精度。

最大应用案例为模拟萨克拉门托河流域40年水资源变化状况,面积700,000 $km^2$。使用 ~$7 km^2$面积的分辨率,每两小时完成一年模拟,计算时间步长小于10分钟。

部分应用案例可从链接 https://www.shud.xyz/applications/查看.

模型安装与运行

那里下载SHUD模型源码?

SHUD模型源码可以从github(https://github.com/SHUD-System/SHUD),SHUD网站(shud.xyz),以及作者处(lele.shu@gmail.com)获取

SHUD支持的操作系统平台有哪些?

SHUD模型由C++书写,rSHUD使用了R,因此SHUD模拟环境可以在Windows, Linux, Mac OS, Unix等等各种操作系统平台上无缝迁移。在各种平台上都需要安装C/C++编译器, R运行环境来支持模型构建和运行。

如何安装SUNDIALS/CVODE?

SUNDIALS (https://computing.llnl.gov/projects/sundials) 是一个强大的数学库,能够高效求解工程物理和科学问题。CVODE是SUNDIALS套件中的一个求解器,用于求解初值问题的常微分方程。SHUD模型需要使用CVODE,因此用户需要编译和安装CVODE保证模型运行。关于SUNDIAL/CVODE安装过程,请参考:https://www.shulele.net/en/post/20191119_sundials/](https://www.shulele.net/en/post/20191119_sundials/)。除了使用SUNDIALS/CVODE的安装器之外,还可以使用源码中的文件 configure来安装。

SHUD模型计算效率如何?

理论上的计算效率与5个要素有关:

  1. 空间单元分辨率和河流长度。计算单元和河道数量越多,计算所需时间越长。同时,当计算单元越小,隐式数值方法所需要的时间不长也越小,导致计算效率变低。因此,用户需要权衡模拟空间精度与模拟效率,选择合适的分辨率。
  2. 参数集;作为物理性数值方法模型,当不合理参数出现时,将会极大的影响计算空间中的变化速率,变化速率变大,会导致迭代的时间步长变小甚至出现异常数值。
  3. 流域地形特征;坡度较陡的地形也会使得计算的变化速率过快,导致计算效率变慢。通常这类情况出现在局部山区,通过调整格网位置或者局部加粗分辨率可以得到改善。
  4. 计算资源;并行计算通常要比单线程计算效率高,并且耗时更可预测。
  5. 降雨强度;当发生大暴雨时,整个计算空间中的地表水和河道水都快速变化,模型会自动缩小迭代时间不长——通常小于1分钟,会极大降低模拟效率,当暴雨结束、洪水退去之后,模型进入较为稳定状态,运行效率会恢复到较高水平。

已有案例中,较为常见的模拟效率为:面积 192 $km^2$,划分1100个单元,约5小时可以完成17年模拟,约每小时3年; 更常见的情况时每小时实现半年模拟。

如何开启SHUD并行模式?

首先,你需要安装OpenMP。然后测试-fopen编译选项是否可用。

然后,开启OpenMP的条件下重新编译CVODE,请参考:https://www.shulele.net/en/post/20191119_sundials/

最后,编译并行版的SHUD模型:

make shud_omp

测试并行:

./shud_omp ccw

计算单元最优的面积大小,或者最优计算单元的数量?

此问题没有绝对答案。计算单元大小高度依赖研究的问题和研究区域特征。 分辨率可跨越$ \sim 1 cm^2$ 到 $ \sim 10 km^2$,根据研究的需求决定。

rSHUD工具箱

如何安装rSHUD?

首先你需要有R环境——先安装R,再推荐使用Rstudio。

在R中,首先需要安装devtools, 然后通过GitHub安装rSHUD。

install.packages("devtools")
devtools::install_github("SHUD-System/rSHUD")

除了rSHUD之外,需要安装RTriagle。请使用GitHub上的版本,因为CRAN上的版本无法满足要求。

install.packages("devtools")
devtools::install_github("shulele/RTriangle", subdir="pkg")

rSHUD是否已经提交R CRAN?

尚未提交。 曾经试图提交,但是CRAN的管理员提出需要提交若干详细的案例和引用文献,费时费力,而且rSHUD的用户是模型使用者,应该可以驾驭几行简单的命令行——使用两行命令实现安装。但是未来我们还是会尽力向CRAN提交整个开发包。

rSHUD的源代码

源代码可以通过GitHub获取:https://github.com/SHUD-System/rSHUD。但使用仅限非商业用途,商业用途请直接联系作者。