3 数据准备 | SHUD水文模型

3.1 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	高	矢量	连续、封闭、唯一多边形；
空间数据	河流网络	高	矢量	河流具有方向性；河流无向下分叉；
空间数据	高程	高	0	单位：米
空间数据	土地利用分类	中	矢量/栅格	$n_{lc}$个分类
空间数据	土壤分类	中	矢量/栅格	$n_s$个分类
空间数据	气象站点	中	矢量/栅格	$n_{fc}$个站点
参数	土地利用	中	$n_{lc}$ 组	土地利用的水力学参数
参数	土壤	中	$n_s$组	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	高	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)	中	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	低	小时～月	一个时间序列
时间序列数据	观测数据	高	小时～月	通常为径流数据、地下水、蒸散发等

3.1.1 数据实例


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。


(a) Percentage of silt	(b) Percentage of Clay

(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。


南苏丹Pongo流域土地利用信息。土地利用数据来自USGS GLC数据。


FLDAS数据的覆盖范围，即气象站点位置信息。


FLDAS的气象驱动数据。

3.2 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	是
.att	sp	单元属性表	是
.riv	sp	河流	是
.rivseg	sp	三角形单元与河道单元拓扑信息	是
.calib	cfg	物理参数校准文件	是
.para	cfg	模型运行设置参数文件	是
.ic	cfg	模型初始条件	是
.geol	para	地下水层的水力学参数	是
.soil	para	浅层土壤的水力学参数	是
.lc	para	土地利用的水力学和能量参数	是
.forc	tsd	气象驱动数据文件的列表	是
.csv	tsd	气象驱动时间序列数据	是
.lai	tsd	叶面积指数	是
.obs	tsd	用于校准观测时间序列数据	是
.mf	tsd	融雪参数时间序列数据	是
.rl	tsd	计算潜在蒸散发的粗糙度时间序列数据	是
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 gis 和 fig 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。

3.3 空间数据

3.3.1 .sp.mesh 文件

Example of .sp.mesh file (block 1)

.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 ($8$)

表

列	含义	取值范围	单位
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

列	含义	取值范围	单位
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	$m$

3.3.2 .sp.att文件

Example of .sp.att file

表头

值1	值2
行数( $N_{cell}$)	列数 ($7$)

Table

列	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 ~ $N_{bc}$	-

3.3.3 .sp.riv文件

Example of .sp.riv file

表头

值1	值2
行数( $N_{riv}$)	列数 ($5$)

表

列	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	$m$

3.3.4 .sp.rivseg文件

Example of .sp.rivseg file

表头

值1	值2
行数( $N_{segment}$)	列数 ($4$)

Table

列	含义	取值范围	单位
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	$m$

3.4 模型配置文件

3.4.1 .cfg.para文件

Example of .cfg.para file

Table

列	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

3.4.2 .cfg.calib文件

Example of .cfg.calib file

Table

列	含义	取值范围	单位
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		$m$

3.4.3 .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

列	含义	取值范围	单位
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

列	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	$m$

3.5 时间序列数据

3.5.1 .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

列	含义	取值范围	单位
Day	日数	0 ~ $N_{day}$	$day$
PRCP	降雨	0 ~ 1	$m/day$
TEMP	气温	-100 ~ 70	$C$
RH	相对湿度	0 ~ 1	$-$
wind	风速	0 ~ inf	$m/day$
Rn	太阳净辐射	?	$J/day/m^2$

3.5.2 .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

列	含义	取值范围	单位
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	$m^2/m^2$
…	…	…	…

3.5.3 .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

列	含义	取值范围	单位
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	$m$
…	…	…	…

3.5.4 .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

列	含义	取值范围	单位
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	-
…	…	…	…

3.5.5 .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

列	含义	取值范围	单位
第一列	时间	0 ~ $N_{time}$	$day$
第2列	观测1	?	?
第i列	观测 $i-1$	?	?
…	…	…	…

end

列	含义	取值范围	单位
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	\(m\)

列	含义	取值范围	单位
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	\(m\)

列	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 ~ \(N_{bc}\)	-

列	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	\(m\)

列	含义	取值范围	单位
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	\(m\)

列	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	\(m\)

列	含义	取值范围	单位
Day	日数	0 ~ \(N_{day}\)	\(day\)
PRCP	降雨	0 ~ 1	\(m/day\)
TEMP	气温	-100 ~ 70	\(C\)
RH	相对湿度	0 ~ 1	\(-\)
wind	风速	0 ~ inf	\(m/day\)
Rn	太阳净辐射	?	\(J/day/m^2\)

列	含义	取值范围	单位
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	\(m^2/m^2\)
…	…	…	…