TOPKAPI模型与应用指南PDF电子书下载

第一部分 TOPKAPI模型原理与应用指南分布式水文物理模型 3

1 引言 3

1.1 水文循环 4

1.2 水文模型历史回顾 6

1.2.1 水文模型起源（19世纪） 7

1.2.2 推理公式和时间面积曲线（19世纪晚期—20世纪20年代） 7

1.2.3 单位线概念（20世纪三四十年代） 7

1.2.4 线性模型（20世纪50年代） 8

1.2.5 概念性模型（20世纪60年代） 8

1.2.6 分布式水文物理模型（20世纪七八十年代） 9

1.2.7 实时洪水预报模型（20世纪80年代末至90年代） 10

1.2.8 降雨径流模型的新纪元 11

2 TOPKAPI模型 14

2.1 TOPKAPI模型的结构和方法 14

2.2 土壤水模块 15

2.2.1 基本假设 15

2.2.2 垂直集总 17

2.2.3 地下水流的运动波公式 18

2.2.4 网格上土壤水的非线性水库模型 19

2.2.5 一个带有一般斜坡的网格单元的地下水流 22

2.3 地表水部分 22

2.3.1 一般坡度的单元格的地表径流 25

2.4 根据地形进行径流分割 25

2.5 河道部分 26

2.5.1 矩形断面河道 26

2.5.2 三角形河道断面 28

2.6 非线性水库一般微分方程的解析解 30

2.6.1 矩形和三角形断面情况下的解析解 30

2.7 修正的Muskingum-Cunge演算法 32

2.7.1 可变参数方程的求导 33

2.7.2 一种新的质量守恒和稳定状态协调的可变参数Muskingum-Cunge-Todini方法 37

2.8 蒸散发模块 39

2.8.1 计算参比潜在蒸散发的经验公式 39

2.8.2 根据Thornthwaite估计月平均潜在蒸散发量 40

2.8.3 根据Blaney-Criddle估算月潜在蒸散发的平均值 41

2.8.4 使用蒸发皿估算月平均潜在蒸散发量 41

2.8.5 实际蒸散发量的计算 43

2.9 融积雪模块 43

2.9.1 太阳净辐射（Rad）的估计 44

2.9.2 计算太阳辐射的转化效率 47

2.9.3 判断降水是固态还是液态 49

2.9.4 假设零融雪情况下水量和能量收支估计 49

2.9.5 融雪估算与水量和能量收支的更新 50

2.10 渗透模块 52

2.11 水库／湖泊模块 52

2.11.1 全自动运行的水库 53

2.11.2 利用实测流量／水位数据的水库函数计算 54

3 水文模型的性能标准 59

3.1 均方差误差RMSE 59

3.2 可释方差EV 59

3.3 相关系数R2 59

3.4 效率系数E（Nash and Sutcliffe） 60

3.5 一致性指数d（Willmott） 61

3.6 系数CMM 61

3.7 水量控制VC 61

4 模型应用所需数据 62

4.1 介绍 62

4.2 空间处理与建模 62

4.3 降雨和温度输入数据 63

4.3.1 提供点雨量和温度数据 63

4.3.2 雨量和温度专题图 64

4.4 流量数据 65

4.5 蒸散发模块中的月平均温度数据 65

4.6 水库数据 66

4.6.1 水库的泄流量、库水位与蓄水量 66

4.6.2 库水位与蓄水量曲线图（h-V曲线） 66

4.6.3 库水位与最大泄流量曲线图（h-Qmax曲线） 67

4.6.4 库水位与泄流量曲线图（h-Q曲线） 67

4.6.5 溢洪道的几何形状 68

4.7 入流量数据 69

4.8 取水数据 69

4.9 TOPKAPI设定文件 70

4.9.1 INI文件格式 70

4.9.2 TPK设定文件 71

4.9.3 流域预处理 79

5 高级设置 81

5.1 TOPKAPI参数 81

5.2 功能 82

5.3 状态文件 82

5.4 输出文件 83

5.4.1 Flag 1（标志）：打印模型使用的降雨量图和气温图 83

5.4.2 Flag 2：打印状态图 83

5.4.3 Flag 3：打印率定图 84

5.4.4 Flag 4：打印运行期间每个单元格的水文要素最大值图 84

5.4.5 Flag 5：打印每个子流域的详细输出 84

5.4.6 Flag 6：打印子流域信息 85

5.4.7 Flag 7：打印各个子流域水量平衡 85

5.4.8 Flag 8：尚未使用 85

5.5 实时功能 85

A.1 附录：用于流域前期处理的FORTRAN程序 87

A.1.1 生成流域掩罩 87

A.1.2 在DEM主题图上填洼 89

A.1.2.1 利用数字高程模型的有关问题 89

A.1.2.2 1_DEM_enforcement程序 89

A.1.3 组织栅格之间的连接 91

A.1.4 寻找自动排水网 94

A.1.5 准备TOPKAPI模型的输入文件 103

A.1.6 实用程序 107

A.1.6.1 TpkPnt2Cell程序 107

A.1.6.2 TpkCell2Pnt程序 108

第二部分 PRETRK用户指南 113

6 MapWindow开源GIS 113

6.1 下载安装MapWindow GIS桌面软件 113

6.2 MapWindow桌面GIS系统的插件程序 113

6.3 流域圈定：TauDEM插件 115

6.3.1 安装指南 116

6.3.2 如何将一个文件夹添加到系统路径环境变量 117

6.4 OGC WMS（网络地图服务）：在线数据插件 119

6.5 加载GeoTiffs 119

6.6 注意投影警告 119

7 专题地图和数据 120

7.1 DEM源数据 120

7.1.1 90 m SRTM（航天飞机雷达地形测绘）数字高程数据 120

7.1.2 Hydroshed（基于多尺度航天飞机仰角衍生品的水文数据和地图） 121

7.2 土地覆盖源数据 121

7.2.1 全球土地覆盖基金数据（AVHRR Data） 121

7.2.2 2006 CORINNE土地覆盖数据清单 121

7.3 土壤类型源数据 122

7.3.1 国际粮农组织（FAO）世界数字土壤地图 122

7.3.2 FAO统一世界土壤数据库（HWSD） 122

7.3.3 欧洲土壤数据库（ESDB） 123

7.3.4 HYDRO1k高程衍生品数据库 123

7.3.5 FAO-GeoNetwork国际粮农组织—地理网络 123

7.4 基本支持中国的地理数据 123

8 地理法处理专题地图 125

8.1 创建MapWindow工程 125

8.2 流域边界和水文学 126

8.2.1 水文地理数据预处理：剪裁shape文件到工作区域 126

8.2.2 水文地理数据预处理：投影shape文件到UTM坐标 129

8.3 高程地图（DEMs） 129

8.3.1 DEM数据预处理：为感兴趣的区域剪辑SRTM文件 131

8.3.2 DEM数据预处理：对感兴趣的SRTM进行合并 132

8.3.3 DEM数据预处理：转换SRTM文件投影为UTM坐标 133

8.4 土地覆盖地图 134

8.4.1 土地覆盖资料预处理：剪辑CORINNE地图到感兴趣区域范围 134

8.4.2 土地覆盖预处理：变换CORINNE地图投影为UTM坐标 136

8.5 土壤类型地图 136

8.5.1 土壤类型数据预处理：剪辑FAO地图到感兴趣区域范围 137

8.5.2 土壤类型数据预处理：投影FAO shape文件为UTM坐标 138

9 TOPKAPI模型设置 139

9.1 加载专题地图 139

9.1.1 添加地图到MapWindow工程 139

9.2 定义流域边界 140

9.2.1 主要流域边界 140

9.2.2 子流域边界 142

9.3 定义排水网 144

9.3.1 主要排水网 144

9.3.2 二级排水网 144

9.4 定义配色方案和属性 145

9.4.1 基本专题图：DEM图层 146

9.4.2 基本专题图：土壤类型图层 148

9.4.3 基本专题图：CORINNE土地覆盖层 150

9.5 TPKPreprocessor插件 152

9.5.1 Define Basin（定义流域） 153

9.5.2 Working Area（工作区域） 154

9.5.3 Import Maps（导入地图） 155

9.5.4 Find Outlets（寻找流域出口点） 156

9.5.5 Confirm Outlet（确认出口） 157

9.5.6 Edit River（编辑河流） 157

9.5.7 Create Net（创建排水网） 159

9.5.8 Manage Stream（管理河流） 161

9.5.9 Edit DEM（编辑DEM） 162

9.5.10 Monthly Temperature（月温度） 163

9.5.11 Output Points（输出点） 163

9.5.12 Physical Parameters（物理参数） 165

9.5.13 I T.O.P.K.A.P.I 166

第三部分 ITOPKAPI用户指南 169

10 ITOPKAPI可视界面 169

10.1 引言 169

10.2 设置标签：一般设置 170

10.3 日期时间标签：模拟时期设置 172

10.4 测站标签：测站坐标和数据 175

10.5 主题图标签：气象图设置 176

10.6 宽度标签：矩形河道宽度 179

10.7 初始状态标签：初始条件 180

10.8 土壤标签：土壤参数 181

10.9 土地使用标签：土地使用参数 183

10.10 河道标签：排水网参数 185

10.11 输出标签：模型输出点 188

10.12 温度标签：月平均温度 189

10.13 蒸散发-降雪标签：蒸散发和融雪参数 190

10.14 水库标签：水库设置和数据 192

10.15 流域间标签：流域间贡献量 196

10.16 入流标签：入流点设置和数据 198

10.17 出流标签：出流点设置和数据 199

11 运行第一次模拟：逐步设置TOPKAPI模型参数输入文件 200

11.1 Reno河示例 200

11.2 Reno河示例：一般设置 201

11.3 Reno河示例：模拟时段设置 201

11.4 Reno河示例：测站坐标和数据 202

11.4.1 降雨数据 202

11.4.2 温度数据 203

11.4.3 流量数据 203

11.5 Reno河示例：土壤参数 203

11.6 Reno河示例：模型输出点 204

11.7 Reno河示例：蒸散发和融雪参数 205

11.8 Reno河示例：水库 206

11.9 Reno河示例：流域间贡献量 207

11.10 Reno河示例：入流 210

11.11 Reno河示例：出流（取水） 211

11.12 运行TOPKAPI模型 212

第四部分 TPKVIEW用户指南 217

12 TPKVIEW可视界面 217

12.1 引言 217

12.2 启动窗口 217

12.3 选择模拟窗口 218

12.4 TOPKAPI查看窗口 219

12.4.1 子流域窗口 221

12.4.2 流域间分析窗口 226

12.4.3 选择流域间面积 227

12.4.4 流量输出点窗口 231

12.4.5 旁侧入流窗口 234

12.4.6 水库窗口 235

12.4.7 入流 237

12.4.8 出流 238

12.4.9 土壤类型（流域） 240

12.4.10 土壤类型（流域间） 242

12.4.11 土地使用（流域） 243

12.4.12 土地使用（流域间） 246

第五部分 TPKMAPS可视界面 251

13 TPKMAPS可视界面 251

13.1 引言 251

13.2 TPKMAPS可视界面 252

13.2.1 选择地图类型 252

13.2.2 显示时间步长 255

13.2.3 命令 255