R在水文建模中的应用初探课件

R在水文建模中的应用初探在水文建模中的应用初探东北林业大学东北林业大学东北林业大学东北林业大学 生态学生态学生态学生态学06060606级硕士级硕士级硕士级硕士 王化儒王化儒王化儒王化儒2008.11.142008.11.142008.11.142008.11.14R在水文建模中的应用初探东北林业大学 生态学06级硕士 王1汇报的主要内容汇报的主要内容n水文过程与模拟模型nR在水文模拟中的应用n实例演示汇报的主要内容水文过程与模拟模型水文过程与模拟模型水文过程与模拟模型水文过程与模拟模型3水文过程水文过程水文过程坡面水文过程坡面水文过程坡面水文过程水文模型水文模型y=f(|x)y 径流径流x 降水降水 参数集参数集水文模型水文模型 f（）（）降水降水 x径流径流 yFlowTime 时间水文模型水文模型 f（）降水 x径流 yFlowTime 水文模型的种类水文模型的种类集总式水文模型集总式水文模型：不包含任何空：不包含任何空间信息，参数的物理意义不明间信息，参数的物理意义不明显，容易估计显，容易估计半分布式水文模型半分布式水文模型：通过水文响：通过水文响应单元隐式包含空间信息，参应单元隐式包含空间信息，参数具有明显的物理意义，容易数具有明显的物理意义，容易获取获取分布式水文模型分布式水文模型：显式地包含空：显式地包含空间信息，参数具有明显的物理间信息，参数具有明显的物理意义，难以获取意义，难以获取个人观点：个人观点：当前的分布式水文模当前的分布式水文模型严格地说都是半分布式水文型严格地说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水文模型的种类集总式水文模型：不包含任何空间信息，参数的物理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模型是英国模型是英国Lancaster大学大学Beven和和Kirkb于于1979年提出年提出的一个基于地形的半分布式水文模的一个基于地形的半分布式水文模型型,该模型的理论基础是变动源面该模型的理论基础是变动源面积，核心是地形指数。经历了三十积，核心是地形指数。经历了三十年的发展，年的发展，TOPMODEL已然成为已然成为了半分布式水文模型的代表，在国了半分布式水文模型的代表，在国内外许多地区得到了很好的应用，内外许多地区得到了很好的应用，受到了广泛的赞誉。受到了广泛的赞誉。http:/www.es.lancs.ac.uk/hfdg/research/hfdg_res_cat.htmProf.Keith Beven TOPMODEL模型 半分布式水文模型代表TOPMODEL径流形成机制径流形成机制P整个流域内超渗产流部分区域超渗产流蓄满产流PPqrqsqoPPPqofPPPqoffTOPMODEL中采用的是产中采用的是产流机制是蓄满流机制是蓄满产流，适用于产流，适用于湿润和半湿润湿润和半湿润地区，不适用地区，不适用于干旱地区于干旱地区径流形成机制P整个流域内超渗产流部分区域超渗产流蓄满产流PP变动源面积变动源面积-TOPMODEL中的产流机制中的产流机制变动源面积的含义是坡面流只在整个流域的在降雨事件中地下水位上变动源面积的含义是坡面流只在整个流域的在降雨事件中地下水位上升至地表的饱和区域产生，此时降落到这个饱和区域上的降水将形成升至地表的饱和区域产生，此时降落到这个饱和区域上的降水将形成直接径流。在整个降水过程中，源面积是不断变化的，流域源面积的直接径流。在整个降水过程中，源面积是不断变化的，流域源面积的位置受流域地形和土壤水力特性的影响。饱和区域土壤水力传导性差、位置受流域地形和土壤水力特性的影响。饱和区域土壤水力传导性差、坡面平缓，一般位于河道附近，随着下渗的持续，饱和区域向河道两坡面平缓，一般位于河道附近，随着下渗的持续，饱和区域向河道两边的坡面延伸，在一定意义上，变动源面积可看作是河道系统的延伸。边的坡面延伸，在一定意义上，变动源面积可看作是河道系统的延伸。在变动源面积的概念中，饱和区域上形成的径流有两种方式：饱和坡在变动源面积的概念中，饱和区域上形成的径流有两种方式：饱和坡面流和壤中流。面流和壤中流。PPqrqsqo变动源面积-TOPMODEL中的产流机制变动源面积的含义是坡流域水文表面分析流域水文表面分析n首先要识别那些周围高、中间低的凹陷点，因为凹陷点的水流方向不首先要识别那些周围高、中间低的凹陷点，因为凹陷点的水流方向不能用代表流向的特征码来表示。能用代表流向的特征码来表示。n而后进行流向分析，有单流向算法和多流向算法，前者包括而后进行流向分析，有单流向算法和多流向算法，前者包括D8算法、算法、Rho8算法等。这里采用算法等。这里采用D算法。算法。凹陷点凹陷点流域水文表面分析首先要识别那些周围高、中间低的凹陷点，因为凹D 算法算法807463696756605248807463696756605248Tarboton,D.G.,(1997),A New Method for the Determination of Flow Directions and Contributing Areas in Grid Digital Elevation Models,Water Resources Research,33(2):309-319.)(http:/www.engineering.usu.edu/cee/faculty/dtarb/dinf.pdf)3216864412812D算法80746369675660524880746369地形指数地形指数-TOPMODEL中的水文响应单元中的水文响应单元 1式中：式中：A:A:特定上坡面积；特定上坡面积；：坡度角。：坡度角。地形是影响径流响应的重要因子，它决定了重力作用下地形是影响径流响应的重要因子，它决定了重力作用下流域中水分运动的趋势。流域中水分运动的趋势。TOPMODEL提出了地形指数提出了地形指数作为水文响应单元来反映径流运动的分布规律，不论空作为水文响应单元来反映径流运动的分布规律，不论空间位置的水文单元，只要有着相同地形指数，其水文学间位置的水文单元，只要有着相同地形指数，其水文学特性就相似。地形指数体现了土壤湿度、地表饱和度的特性就相似。地形指数体现了土壤湿度、地表饱和度的空间分布和径流生成的过程，它是空间分布和径流生成的过程，它是TOPMODEL的核心，的核心，其计算公式如下。其计算公式如下。地形指数-TOPMODEL中的水文响应单元 地形数据易获取地形数据易获取n地形图n免费的DEM：如SRTM（90m），GTOPO30（1 km）地形数据易获取地形图http:/srtm.usgs.gov/srtmimagegallery/index.htmlhttp:/srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.aspSanta Barbara,CaliforniaSRTM数据数据http:/srtm.usgs.gov/srtmimagehttp:/www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.htmlhttp:/www1.gsi.go.jp/geowww/g泾河流域泾河流域DEMhttp:/ package in Rhelp(package=RHydro)RHydro package in Rhelp(packagtopmodel package in Rhelp(package=topmodel)topmodel package in Rhelp(packTopographical analysis using RHydrodem=read.table(“dem.txt”,skip=6)#读入DEM数据dem=as.matrix(dem)demdem=-9999=NA#DEM数据预处理ARCGIS导出的GRID格式的DEM dem.filled-sinkfind(dem,cellsize=25,degree=0.1)#凹陷点填充 topidx-atb(dem.filled,cellsize=25)#计算地形指数topidx$atb和上源面积 topidx$areaoutlet(topidx$area,c(28,8),2)#定义出水口catchment-subcatch(dem.filled,c(29,8)#进行流域分割flowlength-flowlength(dem.filled,c(29,8)#计算河网长度rivers-river(dem.filled,topidx$atb,topidx$area,cellsize=25,thatb=12.35,tharea=10000)#划分河流网络catchmentcatchment=0-NArivers-rivers*catchment#提取流域内的河网Topographical analysis using RDEM地形指数地形指数上源面积上源面积分割的流域分割的流域流域的河网流域的河网流域的地形指数流域的地形指数DEM地形指数上源面积分割的流域流域的河网流域的地形指数data(Huagrahuma)#没有观测流量数据情况下的模拟 Qsim-topmodel(parameters,topidx,delay,rain,ET0)#这个命令会返回 Qobs,qo,qs 和S:topmodel(parameters,topidx,delay,rain,ET0,verbose=TRUE)plot(Qobs);points(Qsim,col=red,type=l)#Monte carlo模拟生成一个随机的样本参数集: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 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 topmodeldata(Huagrahuma)Hydrological 模型模拟及效果评价模型模拟及效果评价模拟效果采用模拟效果采用Nash-Sutcliffe 效率进行评价，它是评价水文效率进行评价，它是评价水文模型的常用指标。模型的常用指标。E表示表示Nash-Sutcliffe效率，效率，Qo 是是t时刻观测的径流，时刻观测的径流，Qm是是t时时刻模拟的径流。刻模拟的径流。E的范围在的范围在-到到1之间；当之间；当E为为1时，模拟结果时，模拟结果与实测数据能够完美地匹配；当与实测数据能够完美地匹配；当E越接近于越接近于1，模拟效果越好。，模拟效果越好。模型模拟及效果评价模拟效果采用Nash-Sutcliffe Nash-Sutcliffe效率为0.828Nash-Sutcliffe效率为0.828讨论：讨论：n模型模拟的不确定性模型模拟的不确定性n数据与模型的融合，数据同化（数据与模型的融合，数据同化（data assimilation）?nR为多学科交叉提供一种理念和实现途径为多学科交叉提供一种理念和实现途径讨论：模型模拟的不确定性不确定性分析不确定性分析nGeneralised Sensitivity Analysis(GSA)nHSY Generalised Sensitivity Analysis nGeneralised Likelihood Uncertainty Estimation(GLUE)nMonte Carlo Markov Chain methods http:/www.uncertain-future.org.uk/RSoftware.htm不确定性分析Generalised Sensitivity n气候数据：气候数据：nACACIA Regional Climate Data Access 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 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中水文气候数据处理方法中水文气候数据处理方法nhttp:/cran.r-project.org/web/views/Spatial.htmlnAcquire and process GRIB format GCM climate data files nLocate,read and analyze NetCDF format climate data files气候数据：实例演示实例演示实例演示30利用利用R 中的中的TOPMODEL 包和包和RHydro 包在流域水文表面分析的基础上包在流域水文表面分析的基础上流域水文过程进行模拟，设置是否进行填洼处理来考察其对地形指数流域水文过程进行模拟，设置是否进行填洼处理来考察其对地形指数等水文响应单元的影响，并展示水分地形分析和水文模拟的结果。等水文响应单元的影响，并展示水分地形分析和水文模拟的结果。利用R 中的TOPMODEL 包和RHydro 包在流域水文R在水文建模中的应用初探课件R在水文建模中的应用初探课件 谢谢！谢谢！