Гидрологическая модель HBV

Гидрологическая модель HBV , или модель Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning, представляет собой компьютерное моделирование , используемое для анализа речного стока и загрязнения воды . Первоначально разработанный для использования в Скандинавии . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} эта модель гидрологического переноса также применялась в большом количестве водосборов на большинстве континентов. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Моделирование разряда

Это основное применение HBV, и оно претерпело множество усовершенствований. ^{[ 7 ]} Он включает в себя следующие процедуры:

Снежная рутина
Режим увлажнения почвы
Функция ответа
Процедура маршрутизации

Модель HBV представляет собой сосредоточенную (или полураспределенную) модель водосбора ковшового типа (или также называемую «концептуальной»), которая имеет относительно небольшое количество параметров модели и минимальные входные требования к воздействию, обычно это дневная температура и суточное количество осадков. Сначала снег рассчитывается после определения пороговой температуры таяния (TT обычно 0 °C) и параметра CMELT, который отражает эквивалент талого снега для разницы температур. В результате разделяется на часть поверхностного стока и часть, поступающую в почву путем инфильтрации . Во-вторых, влажность почвы рассчитывается после определения начального значения и емкости поля (FC). В-третьих, фактическое суммарное испарение (ETPa) рассчитывается сначала с использованием внешней модели (например, Penman-Montieth ) для определения потенциального ETP, а затем сопоставления результата с температурами и постоянной точкой увядания (PWP) рассматриваемого водосбора. . Параметр C, который отражает увеличение ЭТП при разнице температур (фактической температуры и среднемесячной температуры). Модель рассматривает водосбор как два резервуара (S1 и S2), соединенных перколяционным потоком. Приток в первый водоем рассчитывается как поверхностный сток, который остается от первоначальных осадков после расчета инфильтрации и эвапотранспирации. Выток из первого резервуара делится на два отдельных потока (Q1 и Q2), где Q1 представляет собой быстрый поток, который срабатывает после определенного порога L (определяемого пользователем или посредством калибровки), а Q2 представляет собой промежуточный поток. Константа K1 используется для определения оттоков в зависимости от объема хранилища в S1. Скорость перколяции зависит от константы Kd вместе с запасом в S1. Отток из второго резервуара считается потоком грунтовых вод (Q3), зависящим от константы K2 и запаса в S2. Общий поток, образующийся в результате определенного дождя, представляет собой сумму трех потоков.

Калибровка. Результаты модели позже сравниваются с фактическими измеренными значениями расхода, а параметр Нэша-Сатклиффа используется для калибровки модели путем изменения различных параметров. Всего модель имеет 9 параметров: ТТ, Cmelt, FC, C, PWP, L, K1, K2, Kd. Для хорошей калибровки модели лучше использовать моделирование Монте-Карло или метод GLUE , чтобы правильно определить параметры и неопределенность модели. Модель достаточно надежна, но, как обычно, для получения хороших результатов необходимы хорошие входные данные. Была изучена чувствительность модели HBV к неопределенности параметров. ^{[ 8 ]} выявление значительных взаимодействий параметров, влияющих на уникальность калибровки, а также некоторую зависимость от состояния.

Приложения. HBV использовался для моделирования речного стока во многих странах мира, включая Бразилию , Китай , ^{[ 9 ]} Иран , ^{[ 10 ]} Мозамбик , ^{[ 11 ]} Швеция , ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Швейцария ^{[ 15 ]} и Зимбабве . ^{[ 16 ]} HBV также использовался для моделирования внутренних переменных, таких как уровень грунтовых вод. ^{[ 17 ]} Модель также использовалась для исследований по обнаружению гидрологических изменений. ^{[ 18 ]} и исследования воздействия изменения климата. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}

Версии. Модель HBV существует в нескольких версиях. Одна из версий, специально разработанная для образовательных учреждений и имеющая удобный графический интерфейс , — HBV Light . ^{[ 21 ]} Эмуляция HBV доступна как часть гидрологической системы Raven . Raven — это надежная и гибкая среда гидрологического моделирования с открытым исходным кодом, предназначенная для решения сложных гидрологических проблем в научных кругах и на практике. Этот полностью объектно-ориентированный код обеспечивает полную гибкость в пространственной дискретизации, интерполяции, представлении процесса и генерации принудительных функций.

Моделирование отложений и растворов

Модель HBV также может моделировать речной перенос отложений и растворенных твердых веществ. Лиден смоделировал перенос азота , фосфора и взвешенных отложений в Бразилии , Эстонии , Швеции и Зимбабве . ^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}

См. также

Ссылки

^ Бергстрем, С., 1976. Разработка и применение концептуальной модели стока для водосборных бассейнов Скандинавии, Отчет SMHI RHO 7 , Норчёпинг, 134 стр.
^ Бергстрем, С. 1995. Модель HBV. В: Сингх, вице-президент (ред.) Компьютерные модели гидрологии водоразделов . Публикации по водным ресурсам, Highlands Ranch, CO., стр. 443–476.
^ Бергстрем, Стен; Линдстрем, Йоран (26 мая 2015 г.). «Интерпретация процессов стока в опыте гидрологического моделирования с использованием подхода HBV». Гидрологические процессы . 29 (16): 3535–3545. дои : 10.1002/hyp.10510 . ISSN 0885-6087 . S2CID 130830725 .
^ Уден Л., Эрвье Ф., Мишель К., Перрен К., Андреассиан В., Анктиль Ф. и Лумань К. 2005. Какой потенциальный вклад суммарного испарения для модели сосредоточенных осадков и стока? Часть 2 – К простой и эффективной модели потенциального суммарного испарения для моделирования осадков и стока. Журнал гидрологии , 303 , 290-306. [1]
^ Перрен, К., Мишель, К. и Андреассиан, В. 2001. Повышает ли большое количество параметров производительность модели? Сравнительная оценка структур общей модели водосбора на 429 водосборах. Журнал гидрологии , 242 , 275-301. [2]
^ Зайберт, Дж. и Бергстрем, С.: Ретроспектива гидрологического моделирования водосбора, основанная на полувековом опыте использования модели HBV, Hydrol. Система Земли. наук, 26, 1371–1388, [3] , 2022
^ Линдстрем, Г., Гарделин, М., Йоханссон, Б., Перссон, М. и Бергстрем, С. 1997. Разработка и испытание распределенной гидрологической модели HBV-96. Журнал гидрологии , 201 , 272–288. [4]
^ Абебе, Н.А., Ф.Л. Огден и Н. Радж-Прадхан, 2010. Анализ чувствительности и неопределенности концептуальной модели осадков и стоков HBV: последствия для оценки параметров. J. Hydrol., 389(2010):301-310. [5] .
^ Чжан Х. и Линдстрем Г. 1996. Сравнительное исследование шведской и китайской гидрологической модели. Бюллетень водных ресурсов , 32 , 985-994. [6]
^ Масих, И., Уленбрук, С., Ахмад, М.Д. и Маски, С. 2008. Регионализация концептуальной модели дождевого стока, основанной на сходстве кривой продолжительности стока: тематическое исследование из бассейна реки Кархе, Иран. Рефераты геофизических исследований, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-00226. [7]
^ Андерссон, Л., Хеллстрём, С.-С., Кьельстрем, Э., Лосйо, К., Руммукайнен, М., Самуэльссон, П. и Вилк, Дж. 2006. Отчет о моделировании: Влияние изменения климата на водные ресурсы в Водосборный бассейн Пунгве. Отчет SMHI 2006-41 , Норчепинг, 92 стр. [8] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Зайберт, Дж. 1999. Регионализация параметров концептуальной модели осадков и стоков. Сельскохозяйственная и лесная метеорология , 98-99 , 279-293. [9]
^ Зайберт, Дж., 2003. Надежность прогнозов модели вне условий калибровки. Северная гидрология , 34 , 477-492. [10] Архивировано 21 июля 2011 г. в Wayback Machine.
^ Тойчбейн, Клаудия; Зайберт, Ян (август 2012 г.). «Коррекция систематической ошибки моделирования региональных климатических моделей для гидрологических исследований воздействия изменения климата: обзор и оценка различных методов». Журнал гидрологии . 456–457: 12–29. doi : 10.1016/j.j Hydrol.2012.05.052 . ISSN 0022-1694 .
^ Аддор, Нанс; Рёсслер, Оле; Кеплин, Нина; Гус, Матиас; Вайнгартнер, Рольф; Зайберт, Ян (октябрь 2014 г.). «Сильные изменения и источники неопределенности в прогнозируемых гидрологических режимах водосборных бассейнов Швейцарии» (PDF) . Исследования водных ресурсов . 50 (10): 7541–7562. дои : 10.1002/2014wr015549 . ISSN 0043-1397 . S2CID 52837807 .
^ Лиден Р. и Харлин Дж. 2000. Анализ эффективности концептуального моделирования осадков и стоков в различных климатических условиях. Журнал гидрологии , 238 , 231-247. [11]
^ Зайберт, Дж., 2000. Многокритериальная калибровка концептуальной модели осадков и стоков с использованием генетического алгоритма. Гидрология и науки о системе Земли , 4(2) , 215-224. [12]
^ Зайберт, Ян; Макдоннелл, Джей-Джей (2010). «Воздействие растительного покрова на речной сток: подход к моделированию с обнаружением изменений, включающий неопределенность параметров» . Журнал гидрологических наук . 55 (3): 316–332. дои : 10.1080/02626661003683264 . S2CID 26825290 .
^ Дженичек, Михал; Зайберт, Ян; Штаудингер, Мария (январь 2018 г.). «Моделирование будущих изменений сезонного снежного покрова и воздействия на летний межень в альпийских водосборах». Исследования водных ресурсов . 54 (1): 538–556. дои : 10.1002/2017wr021648 . ISSN 0043-1397 . S2CID 133729782 .
^ Тойчбейн, К.; Спонселлер, РА; Грэбс, Т.; Блэкберн, М.; Бойер, EW; Хиттеборн, Дж. К.; Бишоп, К. (ноябрь 2017 г.). «Будущая речная нагрузка неорганического азота на Балтийское море из Швеции: комплексный подход к оценке последствий изменения климата» . Глобальные биогеохимические циклы . 31 (11): 1674–1701. дои : 10.1002/2016gb005598 . ISSN 0886-6236 .
^ Зайберт, Ян; Вис, Марк (2012). «Обучение гидрологическому моделированию с помощью удобного пакета программного обеспечения для моделей водосборного стока» . Гидрол. Система Земли. Наука . 16 (9): 3315–3325. дои : 10.5194/hess-16-3315-2012 .
^ Лиден, Р., Концептуальные модели стока для оценки переноса материалов , докторская диссертация, Лундский университет , Лунд, Швеция (2000).
^ Лиден Р., Харлин Дж., Карлссон М. и Рамберг М. 2001. Гидрологическое моделирование мелких отложений в реке Одзи, Зимбабве. Вода С.А. , 27 , 303-315. [13] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

Внешние ссылки

Модель HBV в Департаменте климата Швеции (SMHI)
Свет HBV в Цюрихском университете
Код HBV Matlab (сосредоточенная версия)
Пре- и постпроцессор HBV-EC "Green Kenue" можно скачать бесплатно в Канадском центре гидравлики.
Программа HBV в RS MINERVE в CREALP (сосредоточенная версия)

[1] Бергстрем, С., 1976. Разработка и применение концептуальной модели стока для водосборных бассейнов Скандинавии, Отчет SMHI RHO 7 , Норчёпинг, 134 стр.

[2] Бергстрем, С. 1995. Модель HBV. В: Сингх, вице-президент (ред.) Компьютерные модели гидрологии водоразделов . Публикации по водным ресурсам, Highlands Ranch, CO., стр. 443–476.

[3] Бергстрем, Стен; Линдстрем, Йоран (26 мая 2015 г.). «Интерпретация процессов стока в опыте гидрологического моделирования с использованием подхода HBV». Гидрологические процессы . 29 (16): 3535–3545. дои : 10.1002/hyp.10510 . ISSN 0885-6087 . S2CID 130830725 .

[4] Уден Л., Эрвье Ф., Мишель К., Перрен К., Андреассиан В., Анктиль Ф. и Лумань К. 2005. Какой потенциальный вклад суммарного испарения для модели сосредоточенных осадков и стока? Часть 2 – К простой и эффективной модели потенциального суммарного испарения для моделирования осадков и стока. Журнал гидрологии , 303 , 290-306. [1]

[5] Перрен, К., Мишель, К. и Андреассиан, В. 2001. Повышает ли большое количество параметров производительность модели? Сравнительная оценка структур общей модели водосбора на 429 водосборах. Журнал гидрологии , 242 , 275-301. [2]

[6] Зайберт, Дж. и Бергстрем, С.: Ретроспектива гидрологического моделирования водосбора, основанная на полувековом опыте использования модели HBV, Hydrol. Система Земли. наук, 26, 1371–1388, [3] , 2022

[7] Линдстрем, Г., Гарделин, М., Йоханссон, Б., Перссон, М. и Бергстрем, С. 1997. Разработка и испытание распределенной гидрологической модели HBV-96. Журнал гидрологии , 201 , 272–288. [4]

[8] Абебе, Н.А., Ф.Л. Огден и Н. Радж-Прадхан, 2010. Анализ чувствительности и неопределенности концептуальной модели осадков и стоков HBV: последствия для оценки параметров. J. Hydrol., 389(2010):301-310. [5] .

[9] Чжан Х. и Линдстрем Г. 1996. Сравнительное исследование шведской и китайской гидрологической модели. Бюллетень водных ресурсов , 32 , 985-994. [6]

[10] Масих, И., Уленбрук, С., Ахмад, М.Д. и Маски, С. 2008. Регионализация концептуальной модели дождевого стока, основанной на сходстве кривой продолжительности стока: тематическое исследование из бассейна реки Кархе, Иран. Рефераты геофизических исследований, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-00226. [7]

[11] Андерссон, Л., Хеллстрём, С.-С., Кьельстрем, Э., Лосйо, К., Руммукайнен, М., Самуэльссон, П. и Вилк, Дж. 2006. Отчет о моделировании: Влияние изменения климата на водные ресурсы в Водосборный бассейн Пунгве. Отчет SMHI 2006-41 , Норчепинг, 92 стр. [8] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[12] Зайберт, Дж. 1999. Регионализация параметров концептуальной модели осадков и стоков. Сельскохозяйственная и лесная метеорология , 98-99 , 279-293. [9]

[13] Зайберт, Дж., 2003. Надежность прогнозов модели вне условий калибровки. Северная гидрология , 34 , 477-492. [10] Архивировано 21 июля 2011 г. в Wayback Machine.

[14] Тойчбейн, Клаудия; Зайберт, Ян (август 2012 г.). «Коррекция систематической ошибки моделирования региональных климатических моделей для гидрологических исследований воздействия изменения климата: обзор и оценка различных методов». Журнал гидрологии . 456–457: 12–29. doi : 10.1016/j.j Hydrol.2012.05.052 . ISSN 0022-1694 .

[15] Аддор, Нанс; Рёсслер, Оле; Кеплин, Нина; Гус, Матиас; Вайнгартнер, Рольф; Зайберт, Ян (октябрь 2014 г.). «Сильные изменения и источники неопределенности в прогнозируемых гидрологических режимах водосборных бассейнов Швейцарии» (PDF) . Исследования водных ресурсов . 50 (10): 7541–7562. дои : 10.1002/2014wr015549 . ISSN 0043-1397 . S2CID 52837807 .

[16] Лиден Р. и Харлин Дж. 2000. Анализ эффективности концептуального моделирования осадков и стоков в различных климатических условиях. Журнал гидрологии , 238 , 231-247. [11]

[17] Зайберт, Дж., 2000. Многокритериальная калибровка концептуальной модели осадков и стоков с использованием генетического алгоритма. Гидрология и науки о системе Земли , 4(2) , 215-224. [12]

[18] Зайберт, Ян; Макдоннелл, Джей-Джей (2010). «Воздействие растительного покрова на речной сток: подход к моделированию с обнаружением изменений, включающий неопределенность параметров» . Журнал гидрологических наук . 55 (3): 316–332. дои : 10.1080/02626661003683264 . S2CID 26825290 .

[19] Дженичек, Михал; Зайберт, Ян; Штаудингер, Мария (январь 2018 г.). «Моделирование будущих изменений сезонного снежного покрова и воздействия на летний межень в альпийских водосборах». Исследования водных ресурсов . 54 (1): 538–556. дои : 10.1002/2017wr021648 . ISSN 0043-1397 . S2CID 133729782 .

[20] Тойчбейн, К.; Спонселлер, РА; Грэбс, Т.; Блэкберн, М.; Бойер, EW; Хиттеборн, Дж. К.; Бишоп, К. (ноябрь 2017 г.). «Будущая речная нагрузка неорганического азота на Балтийское море из Швеции: комплексный подход к оценке последствий изменения климата» . Глобальные биогеохимические циклы . 31 (11): 1674–1701. дои : 10.1002/2016gb005598 . ISSN 0886-6236 .

[21] Зайберт, Ян; Вис, Марк (2012). «Обучение гидрологическому моделированию с помощью удобного пакета программного обеспечения для моделей водосборного стока» . Гидрол. Система Земли. Наука . 16 (9): 3315–3325. дои : 10.5194/hess-16-3315-2012 .

[22] Лиден, Р., Концептуальные модели стока для оценки переноса материалов , докторская диссертация, Лундский университет , Лунд, Швеция (2000).

[23] Лиден Р., Харлин Дж., Карлссон М. и Рамберг М. 2001. Гидрологическое моделирование мелких отложений в реке Одзи, Зимбабве. Вода С.А. , 27 , 303-315. [13] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]