3 数据准备

本节从原始数据要求到输入文件内涵,向用户详细介绍模型输入数据。

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

DWR
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。
DWR DWR
(a) Percentage of silt (b) Percentage of Clay
DWR DWR
(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。
DWR
南苏丹Pongo流域土地利用信息。土地利用数据来自USGS GLC数据。
DWR
FLDAS数据的覆盖范围,即气象站点位置信息。
DWR
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) Example of .sp.mesh file (block 2)

.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 备注
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 备注
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 备注
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 备注
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 备注
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 备注
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 备注
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 备注
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 备注
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 备注
第一列 时间 0 ~ \(N_{time}\) \(day\)
第2列 观测1 ? ?
第i列 观测 \(i-1\) ? ?
… … … …

end