SHUD模型用户手册: html
SHUD (Simulator for Hydrologic Unstructured Domains,水文非结构域模拟器)模型,是一个多时间尺度、多空间尺度、物理性的分布式水文模型,使用有限体积方法(Finite Volume Method)求解水文微分方程的数学模型。此模型可提供跟高时空分辨率的水文模拟,计算能力超过常见的水文模型。SHUD模型中水文变量求解空间由三角形构成(如Delaunay三角形),采用有限体积方法和全域隐式求解法,保证全域和局地水量平衡。 SHUD模拟洪水淹没、水文跟踪、地上地下水交互等等方面拥有其他产流模型完全无法替代的优势。该模型已在美国、非洲各地有诸多研究案例。
SHUD模型基于对空间水文动态的物理性描述,构建起地表、土壤、地下水和河道水全耦合的集成水文模型。 SHUD模型是分布式水文模型,水文模拟空间由三角形构成,采用有限体积方法和全域隐式求解法,保证全域和局地水量平衡。
SHUD的源代码是全新书写的,但其基本的概念层次模型和数学模型却是来源于PIHM(Penn State Integrated Hydrological Model)。SHUD的出现得益于PIHM模型的突破和经验积累。
Duffy于1996年构建了计算土壤水和地下水动态的“二态集成平衡”模型(Duffy, 1996);该模型中,垂直方向分为饱和与非饱和层,局地水量平衡公式集成计算水的交换。“二态集成平衡”模型在简化水文动态的同时,保留了自然中时空尺度对产流的响应。 之后Brandes 和Duffy 等 (1998) 继承了“二态集成平衡”模型并使用FEMWATER实现了数值方法计算山坡-河流尺度上水双向交互。 2004年,曲轶众(Qu 2004)在算法中加入了蒸散发过程和河道计算,并发布了Penn State Integrated Hydrologic Model (PIHM)——PIHM的1.0版本,是PIHM发展中最重要的里程碑,从此PIHM成为流域模拟的通用研究工具应用在不同尺度的流域中。
此后, Kumar, Bhartt和Duffy (Kumar et al., 2009; Kumar and Duffy, 2009) 有相继开发了PIHM v2.0和PIHMgis。 PIHM v2.0增强了模型中陆面过程和土地利用影响水文过程的计算过程。Gopal Bhartt 开发了生成PIHM输入、读取输出和分析结果的软件PIHMgis。PIHMgis分别出现了PIHMgis v2.3和v3.0两个常用版本,PIHMgis v2.3使用了QGIS内核,因此在部分平台上更新困难。 PIHMgis v3.0的支持性更好,可支持Mac或Windows操作系统。Leonard (2013) 开发了HydroTerre平台,为PIHM和其他水文模型提供基础的空间和时间数据。 PIHMgis和HydroTerre的出现极大的推动了PIHM模型在全美和全球的应用。
受益于PIHM模型的诸多优势,PIHM家族出现了若干耦合模型。 例如,Flux-PIHM将NOAH陆面过程模型与PIHM模型耦合,更精确的计算陆面与大气的能量交换、 蒸散发和积雪 (Shi et al., 2015, 2014)。张宇等(Zhang et al. 2016) 开发了LE-PIHM, 模型万年尺度由水文过程造就的地形地貌变化。 RT-PIHM 和 RT-Flux-PIHM(Bao, 2016; Bao et al., 2017)实现了化学反应与PIHM水文过程的耦合。由石宇宁领导的研究正试图将各种PIHM相关模型作为模块统一建立多模块PIHM系统(Multi-Module PIHM, MM-PIHM, https://github.com/PSUmodeling/MM-PIHM)。 除此之外,仍有多个与PIHM耦合的研究正在进行,如与湖泊、农业、经济的耦合研究。
在PIHM模型快速发展的同时,Kumar (Kumar et al., 2009),在PIHM v2.0基础上设计了 Finite volume-based Integrated Hydrologic Modeling (FIHM)模型,使用二阶精度和三维流动模拟水文过程。
下图展示了PIHM模型的发展和分支。
Figure 1: PIHM和SHUD模型的发展和分支。 PIHMgis和rSHUD分别是支持PIHM和SHUD的数据前后处理工具。 PIHMgis使用C++写成,rSHUD使用R.
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:
在技术层面SHUD模型:
SHUD模型有非常广泛的应用前景,已有模型应用案例及其社会经济价值包括: