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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RMSE59

3.2 可释方差EV59

3.3 相关系数R259

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CMM61

3.7 水量控制VC61

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GIS113

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GeoTiffs119

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.I166

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