WEP模型的开发与分布式流域水循环模拟.doc
WEP模型的基本原理和程序基础
用Penman-Monteith公式计算实际蒸发蒸腾量
土壤实际蒸发量计算 Green-Ampt模型的累积入渗量计算 积雪融雪计算
三、如何读懂WEP程序
程序结构
– 打开程序
三、如何读懂WEP程序
读懂程序的技巧：
– 需要掌握的基础知识：水文学、水力学、微积分、
数值分析、FORTRAN – 从输入、输出文件入手 – 写注释、做文档 – 分工合作，加强交流
URBAN
SOILVEG SVEI SVIR SVNI SVGA RESIS ALBEDO
计算单元内都市域的水热通量计算
计算单元内裸地－植被域的水热通量计算 计算单元内裸地－植被域的水热通量计算 (非强降雨时期) 计算单元内灌溉农田域的水热通量计算 计算单元内非灌溉农田域的水热通量计算 强降雨时期各透水域的水热通量计算（用Green-Ampt模型计算入渗） 空气动力学阻抗与植被群落阻抗的计算 短波放射量反射率的計算
二、WEP模型原理简介
WEP模型发展历程
WEP——Water and Energy transfer Process
WEP模型(1995-1998)：日本 IWHR-WEP模型(2002-2003)：黑河 WEP-L模型(2004)：黄河
一维坡面汇流
一维河道汇流
二、WEP模型原理简介
dS SW SM E dt
二、WEP模型原理简介
模型的垂向结构（基本计算单元内）
三、如何读懂WEP程序
程序结构 读懂程序的技巧 中级篇、高级篇
输入输出文件的开设
水文气象
三、如何读懂WEP程序
数据、参数输入模块
共有参数、变量及数组的定义模块
WEPP水蚀预报流域模型
第18卷第5期1998年10月水土保持通报Bullet in of So il and W ater Co nser vat ionVo l.18N o.5Oct.,1998 WEPP水蚀预报流域模型*刘宝元 史培军(北京师范大学资源与环境科学学院・北京・100875)摘 要 WEPP是“新一代水蚀预报技术”开发的计算机土壤侵蚀预报模型,可用于水土保持规划、环境规划及评价。
WEPP是以随机天气生成模型、入渗理论、水文学、土壤物理、作物科学、水力学和侵蚀力学为基础开发的,它在坡面的应用及流域版的基本功能使它比现有侵蚀预报模型有明显优越性,主要包括:(1)估算土壤侵蚀时空分布即全坡面或坡面任一点的净土壤流失量及其随时间的变化。
(2)WEPP模型是过程模型,可应用于更广泛的条件下。
主要介绍了W EPP模型流域版的基本概况和用美国6个不同地方15个小流域实测资料的检验结果。
中图分类号:S157.1关键词: 水蚀预报 WEPP模型 敏感性分析Water Erosion Prodiction Project(WEPP)Model for Watershed ScaleL iu B aoy uan S hi P eij un(Beij ing N or mal U niver sity,Beij ing,100875,PR C)Abstract T he Water Erosion Prodictio n Pro ject(WEPP)w atershed scale model w as devel-oped by the USDA for soil erosio n assessment and conservation planning.Serveral sensitivity analy ses and evaluation studies have been co nducted fo r the WEPP hillslope v er sion,but few efforts have been m ade to evaluate the accuracy o f W EPP w atershed model predictio ns by co mpar ing predicted results to m easur ed data.The pur pose o f this study w as to give a brief intro duction of W EPP w atershed model and to evaluate the WEPP w atershed mo del applica-bility and predictio n accur acy for sm all w atersheds under different climates,to pog raphies, so ils,and manag em ents.Data fr om15w atersheds of6locatio ns in the U nited States w ere co mpar ed to r unoff and sedim ent yield estimates using WEPP95.T he result sho ws that the WEPP predicted reasonable averag e annual and event runoff and sediment yield w ith default param eter estim ation procedures for mo st of the sites and individual w ater sheds.Mo del effi-ciencies fo r storm by storm runoff and sedim ent yield w er e quite reaso nable for g eneral condi-tio ns.T he distributio ns of measured and predicted events w ere sim ilar.T his study also point-ed out the potential areas for mo del im pr ovement,including better and mor e specific silage routines,in addition of a w eed component to the plant gr ow th and m anagement model,and better linkag e of the sediment from co ntoured hillslopes to the watershed channel system. Keywords:water erosion prediction;WEPP modelling;sensitivity analyses and evaluation土壤侵蚀预报模型作为了解土壤侵蚀过程与强度,掌握土地资源发展动态,指导人们合理利用土地资源,管理和维持人类长期生存环境的重要技术工具,受到各国的普遍重视。
分布式水文模型word
第六章分布式水文循环模型近年来，水文模型研究的重点已从集总式流域水文统计模型转向分布式水文模型的研究，分布式水文机理过程模型的开发成为人们关注的焦点。
分布式水文模型的研制首先需要获得大量的流域空间分布数据，目前的水文模拟技术则趋向于将水文模型与地理信息系统（GIS）的集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。
而数字高程模型（DEM）是构成GIS的基础数据，利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。
因此，基于DEM 的流域分布式水文模型是水文模拟技术发展的必然趋势，也是本文水资源量可再生性的理论与评价研究的重要基础。
6.1 流域数字高程模型DEM及在水文中的应用数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是由美国麻省理工学院Chaires ler教授于1956年提出来的，其目的是用摄影测量或其他技术手段获得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的形式在计算机中进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。
DEM作为地理信息系统的基础数据，已在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛应用。
本节将介绍DEM的基本知识及其在水文中的应用。
6.1.1 DEM的基本知识(1) 地形的数字描述20世纪中叶，随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式得到迅猛的发展。
1958年Miller和Laflamme提出了数字地形模型DTM(Digital Terrain Mold)的概念，并给出了以下的定义：数字地形模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示。
实际上，数字地形模型DTM是通过地表点集的空间直角坐标(x,y,z)并视需要进一步伴随若干专题特征数据来表示地形表面的。
它的更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用以下二维函数系列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样形式：()),,3,2,1;,,3,2,1( ,n p m k v u f K p p k p === （6.1.1）式中：K p ——第p 号地面点（可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元）上的第人类地面特性信息的取值；u p ,v p ——第p 号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m ——地面特性信息类型的数目（m ≥1）；n ——地面点的个数。
基于SWAT模型的珲春河流域分布式水文模拟
延边大学本科毕业论文二 〇〇 九 年 六 月本 科 毕 业 论 文 本科毕业设计 学校代码： 10184 学 号： **********题 目：基于S W A T 模型的珲春河流域分布式水文模拟 学生姓名：X X学 院：理学院专 业：地理信息系统班 级：2005级指导教师：X X X 副教授摘要本文选择珲春河流域为研究区域，利用SWAT模型与GIS结合的方式进行水文模拟。
在已有资料基础上，探讨了珲春流域气候波动和土地覆盖变化下的径流响应，利用建立的水文模型，对在假定未来环境变化情景下珲春河流域水文过程变化趋势进行了预测模拟。
模拟不是很精确，但是本文的研究法方在图们江水文研究上是一种积极探索。
关键词:SWAT、珲春河、水文效应单元（HRU）、土地利用/覆盖、水文模型。
AbstractSelecting Hunchun River region as study area, this thesis simulates the hydrological process and forecasts the water resource response under the changing environment using SWAT added into ArcGIS. On base of the data I have, the thesis discusses the runoff effect under the climate and land use changing, and simulates hydrological process based on hypothesis scenarios using calibrated model. Our simulation is not perfect but it is a good explore for the hydrological of Tumen river basin.Key Words: Soil and Water Assessment Tool (SWAT); Hunchun River; HRU; land use/cover; hydrological model目录引言 (2)第一章SW AT模型 (1)1.1 SW AT分布式水文模型研究目的 (1)1.2 SW AT模型原理和结构 (1)1.3 SW AT模型运算流程 (2)1.4模型结构和参数 (2)第二章研究区域 (4)2.1 研究区行政范围及研究意义 (4)第三章 SWAT的珲春河水文模拟 (5)3.1 水文模拟的数据和软件环境： (5)3.2 水文响应单元（hydrologic response units,HRU） (6)3.3 土地利用/覆盖数据库 (6)3.4模型参数 (7)3.5 土壤类型数据库 (8)3.6 珲春河流域坡度提取 (8)3.7 气象气候数据 (9)结论和讨论 (11)参考文献 (1)谢辞 (1)引言目前全世界范围内，针对水文方面的研究方法正在向定量化方向发展，而地理信息系统、遥感等空间测量技术的迅速发展，带动了水文研究向更加科学化的方向发展。
第一节 流域水循环与分布式水文模型
分布式水文模拟模型的应用
Mike SHE模型
Mike SHE模型（System Hydrologic European） 是一个典型的整体分布式水循环模拟模型。 在SHE模型中，流域在平面上被划分成许多 矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨 输入以及水文响应的空间分布性；在垂直 面上，则划分成几个水平层，以便处理不 同层次的土壤水运动问题。
模型可采用多种方法将流域离散化（一般 基于栅格DEM），能够响应降水、蒸发等 气候因素和下垫面因素的空间变化以及人 类活动对流域水文循环的影响。
分布式水文模拟模型的应用
SWAT模型
子流域有三种划分的方法：自然子流域 （Subbasin）、山坡（Hillslop）和网格 （Grid） 。 每个子流域的输入信息归为5类：气候、水 包括子流域内具有相同植被覆盖、土壤类 文响应单元HRU、池塘（或湿地）、地下 型和管理条件的陆面面积的集总。 水和主河道（或河段） 。 在结构上，每个子流域至少包括：1个水文 响应单元HRU、1个支流河道（用于计算子 流域汇流时间）、1个主河道（或河段）。 而池塘（或湿地）为可选项。
陆面部分（即产流和坡面汇流部分）：它 控制着每个流域内主河道的水、沙、营养 物质和化学物质等的输入量 。
水循环的水面部分（即河道汇流部分）-： 它决定水、沙等物质从河网向流域出口的 输移运动。
分布式水文模拟模型的应用
分布式地下水模拟模型
常用的地下水文模拟模型包括解析模型、 数值模型、水均衡模型及物理模型等。数 值模拟模型以其精度高、物理意义明确， 而逐渐成为地下水文模拟的重要发展趋势。 而数值模拟方法又分为有限差分法和有限 单元法，其各有优缺点。 目前国际上较为流行的地下水数值模拟模 型主要包括ModFlow和FeFlow。
WEP模型的基本原理和程序入门
《诗经》：雨和雪可以互相转换，快速凝结形成雹 《The book of Master Chi Ni》：“风（包括水蒸气）是天上的气， 雨是地上的气，风经年不息地吹，雨由于风的（冷凝）作用落到地上， 我们就说天上的气（通过降水）下沉，地上的气（通过蒸发）上升” 《吕氏春秋》：“云气西行云云然，冬夏不辍；水泉东流，日夜不休； 古印度： 上不竭，下不满，小为大，重为轻，圜道也” 《奥义书》
降水 地表面 不饱和 土壤层 浸透
Lm
降水强度> Ks，多层Green-Ampt 模型
initial value qo saturated value q s F1 moisture content q 1st layer
入渗超过径流
L1
饱和超过径流
L2 t2
t1 F2
2nd layer
地下水溢出
Lm-1
山丘区地下水流动逐日计算
平原区地下水流动逐日计算 坡地汇流计算 (1D Nolinear Kinematic Wave法) 河道汇流计算 (同OVERLAND）
WEP-L模型的模块（二）
TRENCH PONDREG YDB WATER 人工渗透设施计算 水库及蓄水池调节计算 淤地坝调节计算 计算单元内水域的水热通量计算
二、WEP模型原理简介
WEP模型发展历程
WEP——Water and Energy transfer Process
WEP模型(1995-1998)：日本 IWHR-WEP模型(2002-2003)：黑河 WEP-L模型(2004)：黄河
一维坡面汇流
一维河道汇流
二、WEP模型原理简介
数据、参数的输入 初期条件的设定（土壤水分量、地下水位、河道流量等）、边界条件的设定（河 道、地下水）等 计算单元内土地利用的再分类 日降雨的日内时间尺度展布 降雨的流域空间展布 各观测站的日放射量计算（小时、日） 计算单元各类土地利用区的表面及不饱和土壤层内的水热通量计算
基于WEAP模型的塔里木河干流水资源调配方案研究
基于WEAP模型的塔里木河干流水资源调配方案研究魏光辉;姜振盈【摘要】开展流域需水量模拟计算,对水资源配置及科学调度具有重要意义.以新疆塔里木河干流为例,基于WEAP模型对不同干旱等级下的需水量进行方案模拟.结果表明:方案1可使干旱年缺水率减少10.8％,重度干旱年缺水率减少9.4％,极端干旱年缺水率减少8.3％;方案2可使干旱年缺水率减少12.9％,重度干旱年缺水率减少19.8％,极端干旱年缺水率减少25.4％;方案3可使干旱年缺水率减少15.9％,重度干旱年缺水率减少23.1％,极端干旱年缺水率减少28.7％.研究结果为塔里木河干流水资源的可持续利用提供了科学依据.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2019(040)006【总页数】5页(P77-81)【关键词】WEAP模型;需水量计算;干旱等级;塔里木河干流【作者】魏光辉;姜振盈【作者单位】新疆塔里木河流域管理局,新疆库尔勒 841000;新疆塔里木河流域管理局,新疆库尔勒 841000【正文语种】中文【中图分类】TV213.9需水量的模拟与预测是掌握区域需水规律及特征的重要手段，在水资源规划、水资源系统模拟、供水风险分析等方面广泛应用[1]。
许多发达国家从20世纪60年代就开始重视对国民经济各部门需水量的预测，中国从20世纪80年代末开始对需水量预测进行了深入研究。
目前常用的预测方法主要有趋势分析法、时间序列法、定额法以及回归分析法等[2]。
为了减少不确定性，一些非线性理论，如灰色系统理论、混沌理论、人工神经网络、小波理论等[3]被引入到需水量模拟中。
在众多的水资源系统优化配置方法中，WEAP(Water Evaluation and Planning System)模型兼顾考虑了水质和生态效益等环境热点问题，模型界面友好，计算过程明晰，近年来得以广泛应用[4-6]。
鉴于此，本文以WEAP理论为基础，以新疆塔里木河干流为研究对象，对不同干旱等级下的研究区需水量满足状况进行模拟，以期实现流域水资源的优化调配。
分布式流域水文模型[优质PPT]
![分布式流域水文模型[优质PPT]](https://img.taocdn.com/s3/m/7a665810ed630b1c59eeb5ce.png)
考虑了流域内降雨的空间分布,但是没有或很少考虑下垫面不均匀性的模型。 这种模型只是进行了分散(分单元)计算，没有考虑各单元模型参数随其下垫面条 件的不同而变异。
半分布式流域水文模型:
考虑下垫面的空间不均匀性,但是没有考虑降雨的空间分布,其模型输入仍为面平 均雨量;或考虑降雨的空间分布,没有全面考虑下垫面的空间不均匀性的模型。
2019/6/26
松散耦合型分布式流域水文模型
这类模型在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型 推求净雨，并进行汇流演算,推求出口断面的流量过程。汇流演算 一般采用水文学或水力学方法。模型参数主要根据历史洪水资料分析 率定,并结合地形和地貌数据量测和分析得到。
优缺点
2019/6/26
紧
优点
1.能涉及水文现象的本质或物理机制; 2.模型参数的确定对洪水历史资料依赖不大.
雷达 测雨
2019/6/26
分布式流域水文模型
计算机系统 分布式流域水文模型的系统框架图
地理信息 统计
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
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WEP模型的开发与分布式流域水循环模拟
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WEP模型的开发与分布式流域水循环模拟摘要:本文介绍了WEP模型的开发和验证情况,论述了分布式流域水循环模拟的意义和作用。
在分析分布式流域水循环模拟的研究状况及面临问题的基础上,考虑到我国流域尺度大、人类活动影响深、环境复杂多变的实际情况,作者认为,基于物理概念和变时空步长的、模拟对象包括水循环的各要素过程而不仅是产汇流过程的分布式流域水循环模型将是未来的发展方向。
作者主张,应加快开发适应我国自然地理特征与气候特点的各类基于GIS的耦合式应用系统,为流域水资源管理、洪水预报调度、水环境评价、水土流失监督治理及水生态环境分析等提供强力支持
关键词:流域水循环水文分布式模型WEP
一、分布式流域水循环模拟的意义与作用
地球环境变化和人类活动的影响改变了水的自然循环规律, 加剧了我国水资源的供需矛盾,许多地区出现了水环境与水生态恶化的严重局势。
地表水、地下水及人工侧支循环水等各类水资源转化频繁,狭义的水资源概念与传统的水资源评价方法已显不适。
20世纪80年代中期以来,随着计算机技术、地理信息系统和遥感技术的发展,从水循环过程的物理机制入手并考虑水文变量的空间变异性问题,即分布式流域水文(水循环)模型或称“白箱”模型的研究在国内外受到广泛重视,涌现出许多分布式或半分布式模型,如SHE模型、IHDM模型及TOPMODEL模型等(参
见文献1)。
另外,全球大循环(GCM)研究对陆地地表过程模拟提出了越来越高的要求,土壤-植物-大气连续体(SPAC)研究受到重视,出现了各类SV ATS(土壤-植物-大气通量交换方案)模型,从另一方面加强了水循环的研究。
本文使用“流域水循环模拟”而不是“流域水文模拟”,意在强调需要将流域水循环系统的所有要素过程联系起来研究而不仅仅是产汇流模拟。
二、WEP模型的开发与验证1.1 WEP模型的开发
为提高计算效率,WEP模型对非饱和土壤水运动的模拟采取了比SHE模型简化的算法,但强化了对植物生态耗水与热输送过程的模拟,对水热输送各过程的描述大都是基于物理概念。
(1)模型结构。
各网格单元的铅直方向结构如图-1(a)所示。
从上到下包括植被或建筑物截留层、地表洼地储留层、土壤表层、过渡带层、浅层地下水层和深层地下水层等。
状态变量包括植被截留量、洼地储留量、土壤含水率、地表温度、过渡带层储水量、地下水位及河道水位等。
主要参数包括植被最大截留深、土壤渗透系数、土壤水分吸力特征曲线参数、地下水透水系数和产水系数、河床的透水系数及坡面和河道的糙率等。
为考虑网格内土地利用的不均匀性,采用了“马赛克”法即把网格内的土地归成数类,分别计算各类土地类型的地表面水热通量,取其面积平均值为网格单元的地表面水热通量。
土地利用首先分为水域、裸地-植被域、不透水域三大类。
裸地-植被域又分为裸地、草地与耕地、树木3类、不透水域分为都市地表面与都市建筑物。
另外,为反映表层土壤的含水率随深度的变化和便于描述土壤蒸发、草或作物根系吸水和树木根系吸水,将裸地-植被域的表层土壤分割成3层。
(a)
(b)
图-1 WEP模型的结构:(a)网格单元内的铅直方向结构,(b)平面结构
WEP模型的平面结构如图-1(b)所示。
首先,为追迹计算坡面径流,根据流域数字高程(DEM)及数字化实际河道等,设定网格单元的汇流方向(落水线)。
然后,将坡面径流沿着落水线用1维运动波法由流域的最上游端追迹计算至最下游端。
关于各支流及干流的河道汇流计算,视有无下游边界条件采用1维运动波法或动力波法由上游端至下游端追迹计算。
地下水流动采用多层模型进行数值解析,并考虑其与地表水、土壤水及河道水的水量交换。
(2) 水循环过程的模拟。
蒸发蒸腾包括植被截留蒸发、土壤蒸发、水面蒸发和植被蒸腾等。
WEP模型按照土壤-植被-大气通量交换方法(SV ATS)、采用Penman-Monteith公式详细计算了蒸发蒸腾。
由于蒸发蒸腾过程和能量交换过程客观上融为一体,地表附近的辐射、潜热、显热、热传导及地表温度的计算不可缺少。
为减轻计算负担,热传导及地表温度的计算采用了强制复原法(FRM)。
GREEN-AMPT入渗模型物理概念明确,所用参数可由土壤物理特性推出,并已得到大量应用验证,因此,WEP模型采用GREEN-AMPT铅直一维入渗模型模拟降雨入渗及超渗坡面径流。
GREEN-AMPT模型仅适用于降雨入渗过程。
而非降雨期的表层土壤(通常是非饱和状态)水分量的再分配将影响到降雨入渗时的初期水分量、土壤和植被的蒸发蒸腾和对浅层地下水的补给等,为减轻计算负担,WEP模型将表层土壤分成数层,按照非饱和状态的达西定律和连续方程进行计算。
在山地丘陵等地形起伏地区,同时考虑坡向壤中径流及土壤渗透系数的各向变异性。
地下水流动采用多层模型进行数值解析。
浅层地下水运动按照
BOUSINESSQ方程进行二维数值计算,源项包括表层土壤的降雨补给、地下水取水、深层渗漏及地下水溢出(或来自河流的补给)等。
在河流下部及周围,河流水和地下水的相互补给量根据其水位差与河床材料的特性等按达西定律计算。
为考虑包气带层过厚可能造成的地下水补给滞后问题,在表层土壤与浅层地下水之间设一过渡层,用储流函数法处理。
另外,WEP还考虑了雨水人工储留渗透设施的模拟、防灾调节池的计算及水田的模型化等。
2.2 WEP模型的验证WEP模型具有较高的计算效率。
以谷田川流域的计算为例,共有16661个计算网格单元,计算时段步长采用1小时,在CPU为1.4GHZ的微机上,一年的计算时间约为3小时。
图-2 WEP模型的流量模拟结果示例(谷田川流域)
图-3 WEP模型的地下水位模拟结果示例(海老川流域)
图-4 WEP模型的土壤水分模拟结果示例(海老川流域)
三、分布式流域水循环模拟面临的难题与对策
分布式流域水循环模拟在我国推广应用所面临的主要难题有:(1)水文变量及参数的空间变异性与尺度问题。
我国流域尺度大、人类活动影响深。
可根据流域不同地区的地形地貌特点,分区选取不同的计算网格步长,然后根据网格内土壤等参数的概率分布规律考虑其空间变异性对产汇流的影响。
(2)水循环的动力学机制的描述和计算量大之间的矛盾。
水循环的许多过程如降雨时的入渗和地表径流过程变化快,描述这些过程常需要日以下的时间步长。
如果所有过程所有
1mM。
3. 按照每20毫克组织加入100-200微升裂解液的比例加入裂解液。
(如果裂解不充分可以适当添加更多的裂解液，如果需要高浓度的蛋白样品，可以适当减少裂解液的用量。
)
4. 用玻璃匀浆器匀浆，直至充分裂解。
5. 充分裂解后，10000-14000g离心3-5分钟，取上清，即可进行后续的PAGE、Western、免疫沉淀和免疫共沉淀等操作。
6. 如果组织样品本身非常细小，可以适当剪切后直接加入裂解液裂解，通过强烈vortex使样品裂解充分。
然后同样离心取上。