DHSVM七大模块

DHSVM共包括七大模块:蒸散发模块(ET)、双层地表积雪模块(TWO-LAYER GROUND SNOWPACK MODEL )、冠层截雪和释放模块(CANOPY SNOW INTERCEPTION AND RELEASE )、不饱和土壤水分运动模块(UNSATURATED SOIL MOISTURE MOVEMENT )、饱和土壤水分运动模块(SATURATED SUBSURFACE FLOW)、坡面汇流(地表径流)模块(OVERLAND FLOW)、河道汇流模块(CHANNEL FLOW )

1. 蒸散发模块

模型采用双冠层模型模拟网格内的蒸散发。流域内的每个网格都包含一个上冠层及一个地表植被层或者棵露的土壤层(下冠层)。上下两层冠层都被分为干燥和湿润两部分。上冠层可以覆盖网格的一部分面积(只覆盖一部分或者全部覆盖)而下冠层则假设为覆盖整个网格单元。若有积雪存在时,假设积雪完全覆盖地表或者地表植被层,即有枳雪存在时不考虑地表植被层及土壤层的(下冠层)蒸散发。

模型逐步并独立地计算每层的蒸散发。
1.1 上冠层:
湿润的部分以潜在蒸发速率进行蒸发;干燥部分的蒸腾通过彭曼公式(Penman-Monteith)进行计算。上冠层潜在蒸发速率Epj=Epo
具体算法参考:http://www.evernote.com/l/Af6xAXVwY4xIFqJ2LK4QbjGQTDW7XTbJ6f4/

1.2 下冠层:
分两种情况,一种是有植被的情况;一种是无植被的情况
1.2.1 有植被的情况
下冠层的蒸散发为即为地表植被蒸散发。计算方法和上冠层一样。但是下冠层的潜在蒸发速率Epj=上灌层潜在蒸发率(Epo)- 上灌层蒸散发速率(干燥和湿润部分)(Eio+Eto)
1.2.2 无植被的情况
下冠层的蒸发为土壤蒸发,在湿润条件下,土壤蒸发潜在蒸发速率进行蒸发;在含水量低的情况下,土壤蒸发的速率取潜在蒸发速率与土壤属性相关。
具体计算公式参考:http://www.evernote.com/l/Af6xAXVwY4xIFqJ2LK4QbjGQTDW7XTbJ6f4/

2. 双层地表积雪模块(TWO-LAYER GROUND SNOWPACK MODEL )

 模型通过 Storck 和 Lettemnaier(1999)& Stork(2000)提出的双层能量、质量平衡模型来模拟地表积雪积及融化过程能量平衡方程用来模拟积雪的融化、再结冰及雪盖中能量的变化过程。质量平衡方程用于模拟积雪及消融、雪水当量变化及雪盖的融化产水量。模型通过预先设定的一个温度阈值来判断降雨或者降雪的发生。在没有植被覆盖的地区,降水或者降雪直接降落的雪盖上;在有植被覆盖的地区,这个过程则较为复杂,降雪会被植被上冠层截留及在冠层上升华、融化及掉落等过程,这些过程中则有可能会有质量损失。

2.1 积雪和融雪 (Snow Accumulation and Melt)
地表积雪分两层进行模拟,即较薄的上表层和下积雪层。大气,冠层及地表积雪层的能量交换仅发生在上表层。上表层雪水当量的变化量通过能量平衡进行计算。上表层获取的能量包括净辐射Qr、潜热通量Qe、感热通量Qs、降雨或降雪传递能量Qp、积雪融化(正能量)或水冻结(负能量)传递能量Qm。
上表层能量平衡及质量平衡公式具体参考:http://www.evernote.com/l/Af60QXTVk89C26J_UIMTDXXaPZTQL2Ttu8M/
当有积雪存在时,空气动力阻抗要进行修正。

3. 冠层截雪和释放(融化)模块(CANOPY SNOW INTERCEPTION AND RELEASE )

模型采用单冠层融雪模型,对冠层截雪和释放进行模拟。单冠层融雪模型描述了冠层对降雪的综合性作用过程:森林冠层截留降雪、积雪升华、积雪释放(重力作用)、积雪融化。大气降水通过两个临界温度划分为只有降雪(T<Tmin)、只有降雨(T>Tmax)、降雨和降雪均存在(Tmin<T<Tmax)

3.1 冠层截雪(Snow Interception)

在每个时间步长内,降雪被灌层截留,直到其达到最大截雪能力。时间步长的截雪量=积雪效率×降雪量。最大截雪能力与实际观察到的最大截雪能力、叶面积指数和温度等有关。
具体参考:http://www.evernote.com/l/Af5ixUsx3JlO46GpathIvODS2B1lgXH7M9k/

3.2冠层截雪释放(Release of Intercepted Snow)

冠层积雪的融化采用类似于近地表积雪融化计算方法进行模拟。冠层积雪的释放(重力作用)发生条件是有足够多降雪,它和融雪水滴成正比。 没有被冠层截留的降雨和降雪连同截雪释放与融雪水滴加入地表积雪模型的能量与质量平衡方程中。
具体参考:http://www.evernote.com/l/Af5ixUsx3JlO46GpathIvODS2B1lgXH7M9k/

4. 不饱和土壤水分运动模块(UNSATURATED SOIL MOISTURE MOVEMENT )

降雨、融雪及相邻网格流过来的地表径流都能下渗到地表以下土壤中成为土壤水。DHSVM通过人为预设的一个最大下渗速率来控制时段内网格地表水分的下渗量,超出这个下渗量的水则形成地表径流。不饱和土壤水的运动通过一个多层的土壤模型来模拟,每个土壤层可以包含多个植被层的根系,每个植被层的根系也可以贯穿于多个土壤层。上层、中间层(多层)和底层土壤水根据质量平衡进行计算。不同层的质量平衡参考:http://www.evernote.com/l/Af5uzMG_p0xCF4_M0Ydvv23X_v4XMtvnNe8/
模型首先从上至下计算每层土壤的下渗量,同时将净壤中流加到底层土壤中去;然后自下而上更新每层的的土壤湿度。如果土壤湿度大于该层土壤的空隙度,将土壤湿度设置为空隙度,并将将超过的土壤水量加到上层中,否则不改变该层土壤水含量,且进入上层土壤的水分为0。
 4.1 下渗(percolation)
模型采用达西定律计算不饱和土壤水分的竖向运动速率,通过Brooks-Crorey方程计算水力传导系数。这样可以得到单位时间步长内各层土壤下渗水量。具体公式参考http://www.evernote.com/l/Af5uzMG_p0xCF4_M0Ydvv23X_v4XMtvnNe8/

5. 饱和地下水分运动模块(SATURATED SUBSURFACE FLOW)

DHSVM基于DEM的高程点采用近似动力波或者近似扩散波的方法来模拟饱和地下水的运动。模型假设当地形比较暖哨且可渗透土壤层较薄时水力梯度近似等于该地区的地表坡度(动力波假设),在坡度比较平缓的地区,水力梯度近似等于地下水的坡度(扩散波假设)。饱和地下水的流速计算方法参考:http://www.evernote.com/l/Af7e4e8E8O9CR6leZ_iqgFVfwuK__gGtvpo/。格网总的地下水流出量等于各方向流出的水的总和
5.1 道路和河道截留(Interception by Roads and Channels)
当饱和地下水向河道汇流时,可能被道路截留。当网格包含道路,且网格内的地下水位高于河床时,壤中流就会被河道截留。截留速度参考:http://www.evernote.com/l/Af7e4e8E8O9CR6leZ_iqgFVfwuK__gGtvpo/

6. 坡面汇流(地表径流)模块(OVERLAND FLOW)

坡面流发生的途径有以下三个方面:1)降水及融雪超过表层土壤的最大下渗速率(超渗产流)。2)降雨或者融雪发生在巳经饱和的土层上(蓄满产流)。3)地下水位上升至超过地表(回归流)。DHSVM模型通过两种方法来模拟坡面汇流。一种是逐网格精确汇流,另一种是单位过程线方法。当模型被应用于路网及河网的时候,必须采用精确方法进行汇流演算。
逐网格坡面汇流类似于饱和地上水,即类似动力波的方式。某一方向的汇流速度参考:http://www.evernote.com/l/Af7TeKNf-8lLOaITRjTlPYR4LxhUliTRYnc/ ; 单位线法需要计算每个网格地表径流达到流域出口断面需要的时间(汇流时间),每一个网格的响应函数是汇流时间的函数。

7. 河道汇流模块(CHANNEL FLOW )

路网排水沟渠及河网中的水通过串联式线性水库的方式进行汇流演算。路网排水沟渠及河网都被分为若干段,每段都有各自的水力参数。路网及河网内的水分的侧向补给来自截留流域单元的地表径流及壤中流。每段河网(路网)内的水可能流向下一段河网(路网),也有可能通过涵洞等重新返回流域单元。返回流域单元的水将会再径流前面提到过的水文过程。
河网(路网)汇流采用简单的线性槽蓄法,线性槽蓄法假定每段河道宽度为常数,河道出流量与该段河道的储水量呈线性关系。这种线性关系决定了河段内的水流流速为常数,可通过水流深度及水力半径通过曼宁公式计算获得。河段时间步长末的蓄水量计算公式参考:http://www.evernote.com/l/Af4atgLlwFNHc7gIDIm5vjqRMQpqEYjG3_g/
模型也提供马斯京根法(Muskingum-Cunge method)计算河道汇流,马斯京根法(简称M法)是一种基于槽蓄方程和水量平衡方程的河道流量演算法。由于使用方便,精度也较高,在生产实践中得到了广泛的应用。在某些情况下该方法缺乏稳定性,这样才使得线性槽蓄法得到更广泛的应用。
Updated: 2014-11-14 — am10:06

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来学习下

好高深,不愧为高材生,小学生直接看不懂

princeado

你好,谢谢你分享这么好的资料,我现在有个问题请教你,DHVSM中坡面汇流的汇流速度的计算公式是什么啊,或者说DNVSM是如何计算这个流速V的?