Simulator for Hydrologic Unstructured Domains -- 水文非结构域模拟器

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概述

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特征

站在巨人肩上

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。

PIHM模型简史

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_tree 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与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:

资源

应用案例

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:

  1. 宾夕法尼亚兰卡斯特郡项目(美国环保属EPA,2012-2016)。利用SHUD模型研究过度的人类农业和城市扩张如何改变了地下水的空间分布模式;同时研究森林减少对河流水量和洪水的影响。
  2. 古代玛雅城市地下水项目(美国国家自然科学基金NSF,2013-2015)。历史上玛雅人建设了各种水利工程设施,它们在多年干旱气候下水资源如何变化?这些变化是由土地过度开发-水土流失造成的,还是气候变化造成的?亦或二者共同造就?由此可以从水资源和生态角度解释玛雅文明没落的原因。SHUD模型在其中模拟了气候和土地利用变化影响下的水资源变化。
  3. 人类-自然耦合关系研究项目(美国自然科学基金NSF, 2015-2018)。人类活动对湖泊水量水质造成影响,通过水文、水质、湖泊、农业、经济等诸多模型耦合,加之完整的人类-自然耦合关系模型,为各种社会经济决策服务。SHUD模型与水质、农业和湖泊生态的耦合是该项目的研究重点。
  4. 人工智能驱动的水资源和粮食安全问题(美国国防高级研究计划局,2016-2018)。如何自动化的获取、处理和模拟水文-灾害-粮食-经济模型,并为国家社会经济的稳定性提供决策依据。AutoSHUD在此项目中提供基础数据,SHUD进行水灾害和水资源模拟。
  5. 加州中央谷水资源问题研究(加州能源局,2017-2020)。利用SHUD模型计算加州的四大“水库”——积雪、土壤水、地下水、湖泊,如何在气候波动下为工农业生产生活提供水源,如何通过水文预报合理分配水资源,并对复杂气候和地形的时间异质性导致水的时空分布规律进行研究。