R在水文模擬中應(yīng)用初探ppt課件

1、R在水文建模中的運(yùn)用初探在水文建模中的運(yùn)用初探匯報(bào)的主要內(nèi)容匯報(bào)的主要內(nèi)容n水文過程與模擬模型nR在水文模擬中的運(yùn)用n實(shí)例演示水文過程與模擬模型水文過程與模擬模型水文過程水文過程坡面水文過程坡面水文過程水文模型水文模型y = f (| x)y 徑流x 降水 參數(shù)集水文模型水文模型 f降水降水 x徑流徑流 yFlowTime 時(shí)間水文模型的種類水文模型的種類集總式水文模型：不包含任何空集總式水文模型：不包含任何空間信息，參數(shù)的物理意義不明間信息，參數(shù)的物理意義不明顯，容易估計(jì)顯，容易估計(jì)半分布式水文模型：經(jīng)過水文呼半分布式水文模型：經(jīng)過水文呼應(yīng)單元隱式包含空間信息，參應(yīng)單元隱式包含空間信息，參數(shù)

2、具有明顯的物理意義，容易數(shù)具有明顯的物理意義，容易獲取獲取分布式水文模型：顯式地包含空分布式水文模型：顯式地包含空間信息，參數(shù)具有明顯的物理間信息，參數(shù)具有明顯的物理意義，難以獲取意義，難以獲取個(gè)人觀念：當(dāng)前的分布式水文模個(gè)人觀念：當(dāng)前的分布式水文模型嚴(yán)厲地說都是半分布式水文型嚴(yán)厲地說都是半分布式水文模型，真正的分布式水文模型模型，真正的分布式水文模型是不存在的是不存在的TOPMODEL模型模型 半分布式水文模型代表半分布式水文模型代表TOPMODEL模型是英國模型是英國Lancaster大學(xué)大學(xué)Beven和和Kirkb于于1979年提年提出的一個(gè)基于地形的半分布式水出的一個(gè)基于地形的半分布式

3、水文模型文模型,該模型的實(shí)際根底是變動(dòng)該模型的實(shí)際根底是變動(dòng)源面積，中心是地形指數(shù)。閱歷源面積，中心是地形指數(shù)。閱歷了三十年的開展，了三十年的開展，TOPMODEL已然成為了半分布式水文模型的已然成為了半分布式水文模型的代表，在國內(nèi)外許多地域得到了代表，在國內(nèi)外許多地域得到了很好的運(yùn)用，遭到了廣泛的贊譽(yù)。很好的運(yùn)用，遭到了廣泛的贊譽(yù)。es.lancs.ac.uk/hfdg/research/hfdg_res_cat.htmProf. Keith Beven 徑流構(gòu)成機(jī)制徑流構(gòu)成機(jī)制P整個(gè)流域內(nèi)超滲產(chǎn)流部分區(qū)域超滲產(chǎn)流蓄滿產(chǎn)流PPqrqsqoPPPqofPPPqoffTOPMODEL中采用的是產(chǎn)

4、中采用的是產(chǎn)流機(jī)制是蓄滿流機(jī)制是蓄滿產(chǎn)流，適用于產(chǎn)流，適用于潮濕和半潮濕潮濕和半潮濕地域，不適用地域，不適用于干旱地域于干旱地域變動(dòng)源面積變動(dòng)源面積-TOPMODEL中的產(chǎn)流機(jī)制中的產(chǎn)流機(jī)制變動(dòng)源面積的含義是坡面流只在整個(gè)流域的在降雨事件中地下水位上變動(dòng)源面積的含義是坡面流只在整個(gè)流域的在降雨事件中地下水位上升至地表的飽和區(qū)域產(chǎn)生，此時(shí)降落到這個(gè)飽和區(qū)域上的降水將構(gòu)成升至地表的飽和區(qū)域產(chǎn)生，此時(shí)降落到這個(gè)飽和區(qū)域上的降水將構(gòu)成直接徑流。在整個(gè)降水過程中，源面積是不斷變化的，流域源面積的直接徑流。在整個(gè)降水過程中，源面積是不斷變化的，流域源面積的位置受流域地形和土壤水力特性的影響。飽和區(qū)域土壤水

5、力傳導(dǎo)性差、位置受流域地形和土壤水力特性的影響。飽和區(qū)域土壤水力傳導(dǎo)性差、坡面平緩，普通位于河道附近，隨著下滲的繼續(xù)，飽和區(qū)域向河道兩坡面平緩，普通位于河道附近，隨著下滲的繼續(xù)，飽和區(qū)域向河道兩邊的坡面延伸，在一定意義上，變動(dòng)源面積可看作是河道系統(tǒng)的延伸。邊的坡面延伸，在一定意義上，變動(dòng)源面積可看作是河道系統(tǒng)的延伸。在變動(dòng)源面積的概念中，飽和區(qū)域上構(gòu)成的徑流有兩種方式：飽和坡在變動(dòng)源面積的概念中，飽和區(qū)域上構(gòu)成的徑流有兩種方式：飽和坡面流和壤中流。面流和壤中流。PPqrqsqo流域水文外表分析流域水文外表分析n首先要識別那些周圍高、中間低的凹陷點(diǎn)，由于凹陷點(diǎn)的水流方向不首先要識別那些周圍高、中

6、間低的凹陷點(diǎn)，由于凹陷點(diǎn)的水流方向不能用代表流向的特征碼來表示。能用代表流向的特征碼來表示。n而后進(jìn)展流向分析，有單流向算法和多流向算法，前者包括而后進(jìn)展流向分析，有單流向算法和多流向算法，前者包括D8算法、算法、Rho8算法等。這里采用算法等。這里采用D算法。算法。 凹陷點(diǎn)凹陷點(diǎn)D算法算法807463696756605248807463696756605248Flowdirection.Steepest directiondownslope1212345678Proportion flowing toneighboring grid cell 3is 2/(1+2)Proportionflo

7、wing toneighboringgrid cell 4 is1/(1+2)Tarboton, D. G., (2019), A New Method for the Determination of Flow Directions and Contributing Areas in Grid Digital Elevation Models, Water Resources Research, 33(2): 309-319.) (/cee/faculty/dtarb/dinf.pdf)3216864412812地形指數(shù)地形指數(shù)-TOPMODEL中的水文

8、呼應(yīng)單元中的水文呼應(yīng)單元tanlnAT 1式中：A: 特定上坡面積；：坡度角。地形是影響徑流呼應(yīng)的重要因子，它決議了重力作用下地形是影響徑流呼應(yīng)的重要因子，它決議了重力作用下流域中水分運(yùn)動(dòng)的趨勢。流域中水分運(yùn)動(dòng)的趨勢。TOPMODEL提出了地形指數(shù)提出了地形指數(shù)作為水文呼應(yīng)單元來反映徑流運(yùn)動(dòng)的分布規(guī)律，不論空作為水文呼應(yīng)單元來反映徑流運(yùn)動(dòng)的分布規(guī)律，不論空間位置的水文單元，只需有著一樣地形指數(shù)，其水文學(xué)間位置的水文單元，只需有著一樣地形指數(shù)，其水文學(xué)特性就類似。地形指數(shù)表達(dá)了土壤濕度、地表飽和度的特性就類似。地形指數(shù)表達(dá)了土壤濕度、地表飽和度的空間分布和徑流生成的過程，它是空間分布和徑流生成的

9、過程，它是TOPMODEL的中心，的中心，其計(jì)算公式如下。其計(jì)算公式如下。地形數(shù)據(jù)易獲取地形數(shù)據(jù)易獲取n地形圖n免費(fèi)的DEM：如SRTM90m，GTOPO301 /srtmimagegallery//SELECTION/inputCoord.aspSanta Barbara, CaliforniaSRTM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.html涇河流域涇河流域DEM/portal/lpdata/Jingh

10、e/Topo.jpgR在水文模擬中的運(yùn)用在水文模擬中的運(yùn)用-RHydro和和TOPMODEL包包source.ggy.bris.ac.uk/wiki/Hydrology_in_RRHydro可以從可以從這里下載這里下載TOPMODEL在在R中直接安裝中直接安裝RHydro package in Rhelp(package=RHydro)topmodel package in Rhelp(package=topmodel)Topographical analysis using RHydrodem=read.table(“dem.txt,skip=6)#讀入DEM數(shù)據(jù)dem=as.matrix(

11、dem)demdem=-9999=NA #DEM數(shù)據(jù)預(yù)處置ARCGIS導(dǎo)出的GRID格式的DEM dem.filled - sinkfind(dem, cellsize=25, degree=0.1)#凹陷點(diǎn)填充 topidx - atb(dem.filled, cellsize=25) #計(jì)算地形指數(shù)topidx$atb和上源面積 topidx$areaoutlet(topidx$area,c(28,8),2) #定義出水口catchment - subcatch(dem.filled, c(29,8) #進(jìn)展流域分割flowlength - flowlength(dem.filled, c

12、(29,8) #計(jì)算河網(wǎng)長度rivers - river(dem.filled, topidx$atb, topidx$area, cellsize=25, thatb=12.35, tharea=10000) #劃分河流網(wǎng)絡(luò)catchmentcatchment = 0 - NArivers-rivers*catchment#提取流域內(nèi)的河網(wǎng)DEM地形指數(shù)地形指數(shù)上源面積上源面積分割的流域分割的流域流域的河網(wǎng)流域的河網(wǎng)流域的地形指數(shù)流域的地形指數(shù)data(Huagrahuma) #沒有觀測流量數(shù)據(jù)情況下的模擬 Qsim - topmodel(parameters,topidx,delay,ra

13、in,ET0) # 這個(gè)命令會(huì)前往 Qobs, qo, qs 和S: topmodel(parameters,topidx,delay,rain,ET0,verbose = TRUE) plot(Qobs); points(Qsim, col=red, type=l)# Monte carlo模擬生成一個(gè)隨機(jī)的樣本參數(shù)集: runs-10;qs0 - runif(runs)*4e-5;lnTe- runif(runs)*3-2;m- runif(runs)*0.2 Sr0 - runif(runs)*0.02;Srmax - runif(runs)*2;td - runif(runs)*3-3

14、 vch - 1000;vr - 100+runif(runs)*2400;k0 - runif(runs)*0.01CD - runif(runs)*5;dt - 0.25 parameters-cbind(qs0,lnTe,m,Sr0,Srmax,td,vch,vr,k0,CD,dt)result-topmodel(parameters,topidx,delay,rain,ET0,Qobs = Qobs) Hydrological simulation using topmodel模型模擬及效果評價(jià)模型模擬及效果評價(jià)模擬效果采用模擬效果采用Nash-Sutcliffe 效率進(jìn)展評價(jià)，它是評

15、價(jià)水文效率進(jìn)展評價(jià)，它是評價(jià)水文模型的常用目的。模型的常用目的。TtotoTttmtoQQQQE1212)()(1E表示表示Nash-Sutcliffe效率，效率，Qo 是是t時(shí)辰觀測的徑流，時(shí)辰觀測的徑流，Qm是是t時(shí)時(shí)辰模擬的徑流。辰模擬的徑流。E的范圍在的范圍在-到到1之間；當(dāng)之間；當(dāng)E為為1時(shí)，模擬結(jié)果時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)可以完美地匹配；當(dāng)與實(shí)測數(shù)據(jù)可以完美地匹配；當(dāng)E越接近于越接近于1，模擬效果越好。，模擬效果越好。Nash-Sutcliffe效率為0.828討論：討論：n模型模擬的不確定性模型模擬的不確定性n數(shù)據(jù)與模型的交融，數(shù)據(jù)同化數(shù)據(jù)與模型的交融，數(shù)據(jù)同化data assim

16、ilation?nR為多學(xué)科交叉提供一種理念和實(shí)現(xiàn)途徑為多學(xué)科交叉提供一種理念和實(shí)現(xiàn)途徑不確定性分析不確定性分析nGeneralised Sensitivity Analysis (GSA)nHSY Generalised Sensitivity Analysis nGeneralised Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) nMonte Carlo Markov Chain methods .uk/RSoftware.htmn氣候數(shù)據(jù)：氣候數(shù)據(jù)：nACACIA Regional Climate Data A

17、ccess SystemnClimate Research Unit (CRU) Global Climatology Data Set (10 minute Resolution)nNational Center for Atmospheric Research (NCAR)nIPCC Data Distribution Centre Climate Model Data PortalnNASA Global Change Master Data Set DirectorynNational Climactic Data Center (NCDC) ArchivesnNCAR Climate

18、 and Global Dynamics DivisionnNOAA Earth System Research Laboratory /Physical Sciences Division (ESRL/PSD)nUnion of Concerned Scientists: Global Environment IPCC PagenWorld Climate Research Program/ Coupled Model Intercomparison Project (WCRP / CMIP3)nR中水文氣候數(shù)據(jù)處置方法中水文氣候數(shù)據(jù)處置方法/web/views/Spatial.htmlnAcquire and proc