流域水环境模拟工具--Basins

流域水环境问题研究专题第六讲流域水环境模拟工具——BASINS2007年5月2007年5月第六讲流域水环境模拟工具——BASINS†BASINS的概述†BASINS项目的建立†BASINS项目的建立†WinHSPF与水文模拟†BASINS其他特点一BASINS的概述†BetterAssessmentScienceIntegratingPointandNonpointSources——更佳的综合性p点源与非点源污染评价科学系统†集成GIS、分析工具与模型系统，用于流域分析、评价与管理评价与管†已现有的、有文献支持的技术为基础†便于用户使用（GIS处理信息图形用户界面等）†便于用户使用（GIS处理信息、图形用户界面等）BASINS的版本†1.0——1996†201999†2.0——1999†3.0——2001†3.1——2004†40——2007†4.02007BASINS4.0的新特点†在Basins3.1上改装†基于非专属、公开源代码的GIS系统（MapWindow）†与ArcView3.X和ArcGis兼容†BASINS的一些组件仍在移植过程中†不需要购买昂贵的专属GIS产品†可利用li扩展界面增加组件†可利用plug-in扩展界面增加组件†拥有动态、可支持的国际开发者团体†MapWindow由犹他州立大学等多个机构共同开发，用来支持与流域管理相关活动来支持与流域管理相关活动BASINS的模拟能力†表达多目标要求9污染源评价；†应用于各种复杂水平9初步评价污染源评价；9受纳水体评价†评价各种尺度的问题初步评价9细节评价†评价各种尺度的问题9本地尺度；9集水区尺度9集水区尺度；9流域尺度BASINS中的模型†PLOAD——初步分析、年平均非点源、采用输出参数或简单的评价方法†SWAT——长期预测土地管理措施对大面积复杂流域水文、泥沙、农业化学物质产量的影响AGWA基于GIS的水文模拟工具与SWAT和†AGWA——基于GIS的水文模拟工具，与SWAT和KINEROS2等水文模型组合，执行流域评价†AQUATOX可模拟多种环境压力（包括营养†AQUATOX——可模拟多种环境压力（包括营养、有机负荷、化学物质、温度等）以及它们对水生生物影响。物影响。†HSPFHSPF/WinHSPF†HydrologicSimulationProgram,FORTRANFORTRAN9预测混合土地利用情景下的负荷9以固定的、用户选择的时间步长进行连续模拟9考虑点源与非点源负荷9适用于营养物有毒物细菌泥沙等9适用于营养物、有毒物、细菌、泥沙等BASINS与HSPF的连接†DEM：划分子流域边界和计算地形特征†土地利用计算子流域内土地利用分布将†土地利用：计算子流域内土地利用分布，将各种土地利用参数化道每个流域都有个代表性的†河道/河网：每个子流域都有一个代表性的河流（道），为HSPF提供河网信息1.3基本原理二BASINS项目的建立†地理数据输入†气象数据输入†气象数据输入†流域/集水区的划分与模型单元2.1地理数据输入†DEM†土地利用†土地利用†河网新建一个BASINS项目选择“Internationalproject”†直接点击“Build”†建立一个无数据的建个无数据的新项目†该项目为“Internationalproject”†将项目名设为“Patuxent”，其默认后缀为*默认后缀为*.mwprj地图投影与分区设置输入DEM选择L6\demg\择\g\02060006demg.tif输入土地利用数据选择L6\landuse\lbldhl_baltmd.shpl_washdc.shp两文件两文件可利用Analsis下的ReclassifyLandUse工具重新进行土地利用分类输入河网数据选择L6\nhd\02060006shpnhd\02060006.shp输入研究区的边界选择L6\W_branch\Wbranchshp\W_branch.shp2.2气象数据输入†气象数据†气象数据管理文件（*WDM）†气象数据管理文件（*.WDM）†数据整理工具：WDMUtil†WDMUtil中数据编码†数据输入脚本（ImportScript）建立及输†数据输入脚本（ImportScript）建立及输入过程2.2.1气象数据†降雨†潜在蒸发†潜在蒸发†气温†风速†风速†太阳辐射†露点温度†露点温度†云层覆盖…2.2.2气象数据管理文件（*.WDM）†存储大量的气象及其他时间序列数据†MetWDMFile：美国各州气象站位置与天气时间序列†支持HSPF中时间序列数据的输入、输出与模型校核气时间序列†ProjectWDMFile：所有其他HSPF所需的模型校核†HSPF中使用两种WDM文件所有其他HSPF所需的时间序列信息9点源WDM文件9点源9大气沉降9模型输出时间序列9模型输出时间序列9模型校核时间序列2.2.3数据整理工具：WDMUtil†WatershedDataManagementUtility(WDMUtil)†将数据整理成WDM格式的文件†数据填补与扩展(Fillin/Extend)†数据填补与扩展(Fill-in/Extend)†数据生成(Generate)†数据聚合与分割(At/dit)†数据聚合与分割(Aggregate/disaggregate)†数据显示与分析BASINSHSPF中气象数据的处理过程BASINS-HSPF中气象数据的处理过程2.2.4WDMUtil气象数据集编码2.2.5数据输入脚本†如何将左边的日最边的日最高气温数据文件转据文件转化为*WDM*.WDM输入天气数据BasinsÆWDMUtilÆFileÆNew，在L6\WDM目录下建立L6\WDM目录下，建立一个空wdm文件，将文件命名为“west_brex”FileÆImport，在L6\WestBranchL6\WestBranchWeatherData目录下，选择“marlborotmaxtxt”marlboro_tmax.txt建立脚本文件†在Description列，选中BlankScript，点击Edit，进入ScriptCreationWizardScriptCreationWizard--Fileproperties在header栏，选中lines1ScriptCreationWizard—DataMapping按图设置完毕，点击ReadData进入WDMUtil主界面†先选择Time†先选择TimeSeries列表中In-memory类型的数据类型的数据†再将该数据写入WDM进入WritetoWDM对话框†根据WDMUtil气象数据集编码9OutputDSNÆ19OutputDSNÆ199ConstituentÆTMAX†其他9SiÆOBSERVED按图设置完毕，点击Write，完成数据输入9ScenarioÆOBSERVED9LocationÆMARLBORO成数据输入数据输入后结果气象数据的生成、聚合与分割数据的计算与分割数据的生成2.3流域/集水区的划分与模型单元†将集水区划分为具有水文联系的子集水区，作为模型的基本单元作为模型的基本单元动划分†手动划分†自动划分自动划分†模型单元2.3.1手动划分†Basins--WatershedDelineation--Manual†用户利用鼠标绘制边界†允许用户根据对地形的认识，定义某个出口的集水范围†基于已有的流域边界和河流图层、或用户自定义的蓝线（ShapefileorGridDEM）†为从手工划分的子流域启动WinHSPF需要手工绘制†为从手工划分的子流域启动WinHSPF，需要手工绘制提供三种输出层（子流域、河流和出口）和相应属性子流域输出层--Subbasins†鼠标点击的开始结束都要在已有边界外面†点击右键绘制结束†点击右键绘制结束†生成Subbasins†基于DEM，利用CalculateSubbasinParameters计算SubbasinParameters计算子流域坡度河网层与出口层—Streams、Outlets河网层与出口层Steas、Outets†基于河网数据†点击“DefineStreamNetworkandOutlet”NetworkandOutlet†生成Streams、Outlets两层2.3.2自动划分†基于DEM、预先数字化的河网数据（ExistingStreamPolyline）StreamPolyline）、FocusingMask†本例中，打开DEM、河†本例中，打开DEM、河网层和W_branch层WatershedDelineationDelineationÆAutomaticNetworkDelineationbyThreshold†该过程完成后，生成“StreamReachShfil”层Shapefile”层†thresholdarea增大，子流域个数将减小，反之增大若不定义出口若不设定出口文件（层），直接Run，生成WatershedShapefile层若定义出口†定义出口文件（Outlet.shp）†出口必须选在河道上†最下游的用户设置出口为整个研究区的出口三WinHSPF与GenScn†HSPF基本模块†启动并建立WinHSPF项目†启动并建立WinHSPF项目†BASINSWinHSPF工具†在GenScn中比较结果3.1HSPF基本模块†PERLND：透水地段水文水质过程模拟†IMPLND不透水地段水文水质过程模拟†IMPLND：不透水地段水文水质过程模拟†RCHRES：河流、水库水文水质过程模拟PERLND：透水地段†ATEMP：不同高度气温的校正†SNOW：模拟雪的积累转化过程†PWATER模拟水的收支变化过程†PWATER：模拟水的收支变化过程†SEDMNT：模拟泥沙的迁移转化†PSTEMP：模拟土壤温度†PSTEMP：模拟土壤温度†PWTGAS：模拟水温和溶解气体浓度†PQUAL：利用与泥沙、产水量的简单关系模拟污染物浓度估算土壤度和土壤中输送的溶解物比例†MSTLAY：估算土壤湿度和土壤中输送的溶解物比例†PEST：详细模拟农药的迁移转化过程†NITR：含N物质的迁移转化过程模拟†NITR：含N物质的迁移转化过程模拟†PHOS：含P物质的迁移转过过程模拟†TRACER：保守性物质迁移转化过程模拟IMPLND：不透水地段†ATEMP、SNOW同PERLND†IWATER模拟水的收支变化过程†IWATER：模拟水的收支变化过程†SOLIDS：模拟固体物质的积累和去除†IWTGAS：模拟水温和溶解气体浓度†IQUAL：利用与泥沙产水量的简单关系模†IQUAL：利用与泥沙、产水量的简单关系模拟污染物浓度RCHRES：河流、水库†HYDR：模拟水力学行为†ADCALC模拟被水流完全携带的组分†ADCALC：模拟被水流完全携带的组分†CONS：模拟保守性物质的行为†HTRCH：模拟热交换和水温†SEDTRN：模拟无机沉积物行为†SEDTRN：模拟无机沉积物行为†GQUAL：模拟一般组分行为†RQUAL：模拟参与生化过程组分行为3.2启动并建立WinHSPF项目†BASINS中启动WinHSPF需要通过流域绘制生成的三个shapefile文件9Subbasins9Streams9Outlets（可选）†当WinHSPF启动时，将生成一个UserControlInput文件（*.uci），该文件创建时需设置以下文件：9BASINSWatershedFile（*.wsd）9MetWDMFile（*.wdm）9ProjectWDMFile（*.wdm）WDMUtil输入流域绘制文件Æ输入流域绘制文件Æ启动HSPF†启动BASNINS项目9L7\Patuxent.mwprj†添加流域绘制文件9D:\Basins\Predefined\westbranch目录下branch目录下wb_strms.shpwb_subs.shpwb_outs.shp†选中wb_subs.shp层中六个子流域域†ModelsÆHSPFÆGeneral创建