（推荐课件）Mike basin培训

MIKEBASIN水资源模型内容介绍 了解模型的概念熟悉模型界面和功能讨论用户需求和模型应用 培训内容 达到目标 能够独立使用MIKEBASIN并能够在今后搭建自己的模型 培训内容及目标 日程安排 第一部分MIKEBASIN模型的概念 第二部分MIKEBASIN的应用 第三部分MIKEBASIN的基本操作 第一部分MIKEBASIN模型的概念 MIKEBASIN的定义 MIKEBASIN是一种用于研究在流域尺度上 受时间 空间等要素影响的水资源分配及水资源供需平衡的数学模拟工具 地区 城市间水资源分配 生活 工业 农业需水 人工干预 等 自然条件下的河川径流 地下水取水量 流域之间调水 等 基于ArcGIS9 1 9 x 主要解决水资源分配及水量平衡问题可进行多目标优化过程独立的数据库形式 MicrosoftAccessDatabase 包括功能强大的数据前 后处理及数值统计工具 TemporalAnalyst时间分析模块 统一的数据输入对话框界面形式 MIKEBASIN的主要特点 MIKEBASIN的四大组成部分 MIKEBASIN水资源模型包括MacroAssistant宏助手功能Optimazation优化功能Waterquality水质功能Groundwater地下水功能NAM降雨径流模块TemporalAnalyst时间分析模块LoadCalculator污染物负荷模块 核心部分 MIKEBASIN的四大组成部分 MIKEBASIN在水资源方面的主要应用 水资源管理水量分配优化干旱和洪水管理水库操作调度水电站发电水文数据信息管理河流水质 需要区分的定义 集总式模型与分布式模型LumpedvsDistributed输入数据的形式 面数据 参数vs点数据 参数 经验参数 平均数值水力学模型与水资源模型研究的对象及计算的结果 水位 流量vs总水量 流量 求解偏微分方程vs水量平衡城市河道vs流域河网 大尺度范围的宏观水量计算 水动力模型预报与水资源模型规划时间步长 1小时vs1个月 河道演算自然条件下的天然径流与人工干预下的调配天然径流vs三次供需分配平衡 经验模型一旦建立 可以快速简单地应用适用性较差 黑箱 假定条件不发生改变没有影响评估 确定性的相同输入 相同输出 随机的相同输入 不同输出 概念模型 集总式或分布式 结合经验和物理公式 灰箱 能解决许多水资源问题简单的影响评估成本效益好 分布式物理模型解决物理方程 白箱 参数可经测量得到影响评估好有助于描述机理 水资源模型的类型 分布式水文 水资源模型 MIKESHE 详细 完整的水文模型 集总式概念模型 MIKEBASIN 输入数据 由模型得到的结果代表空间的平均值 每个模型区域 包含一些经验参数 MIKEBASIN模型概念示意图 计算单元 子流域流域节点 用水户节点 等 文件形式 输入数据 计算结果 图表数据统计报告形式二维图形显示 计算结果 第二部分MIKEBASIN的应用 中国水资源的现状 我国黄淮海流域人口占全国的1 3多 水资源量却占全国的1 10不到 人均水资源量仅有457立方米 属于严重缺水地区 而首都北京人均水资源量不足300立方米 是世界上最严重的缺水特大城市之一 在全国600多个城市中 缺水城市达300多个 其中严重缺水的城市100多个 日缺水量1600万吨 每年因缺水造成的直接经济损失达2000亿元 全国每年因缺水少产粮食700亿 800亿公斤 我国城乡水资源非常匮乏 中国水资源现状与MIKEBASIN的关系 通过MIKEBASIN可以解决的问题 所研究的流域究竟有多少水量 地下水 地表水 哪里缺水 缺多少水 能否满足将来用水户的用水需求 能否改善水库的运行方式 控制规则 如何将现有水资源在不同的用水者之间进行分配 人工干预 输入河道的最低用水需求即生态用水需求 子流域实测 模拟结果对比图 子流域出口流量累积值 子流域出口流量瞬时值 水库实测 模拟结果对比图 水库出库流量累积曲线 水库水位曲线 粗调 用水户计算模拟结果示意图 用水户平均用水量 用水户最大缺水量 用水户地下水抽取量 子流域地下水模拟结果图 子流域浅层地下水位埋深变化曲线 子流域深层地下水位埋深变化曲线 基于ArcGIS9 x的扩展模块 可以直接放到授权的GIS系统中 有大量的时间序列数据分析和数据显示功能 可用于数据信息的分析和共享 包括水资源规划及分配中所需的过程和规则 可以通过简单编程来加入特定的规则和过程 可以使用宏语言从其它界面 例如Excel 进行操作 并进行其他的运算 可以是单个流域或者是多个流域进行计算 在时间步长和单位设置上有很大的灵活性 可以解决多目标的优化问题 分析当前和以后的可能出现的不同情况 更好地认识和理解流域水资源问题 帮助规划和管理人员进行不同预案的分析 找到合适的水供需平衡的方案 优秀的交流工具 具有很好的显示功能 可用于技术人员 管理者和公众之间的模型结果演示和讨论 具有透明的数据和模型框架 有助于解决区域间水资源矛盾问题 MIKEBASIN模型的重要特点 影响模型计算结果精度的因素 获得更详细的水文资料 水库资料 需水 取水资料 分配规则等 在数量和质量上 准确地获知流域内出现的自然或人工情况的改变 突变 土地利用类型 耕地面积 流域面积 等 使用模型中各个模块 功能的熟练程度 包括编辑 使用特殊程序语句 等 影响模型计算结果精度的因素 第三部分MIKEBASIN的基本操作 MIKEBASIN的界面 基于ArcGIS9 x 1开始编辑2停止编辑3追踪河流4描述流域5添加河流6添加河流节点7添加流域节点8添加用水户9添加水库10添加水电站11添加水渠12编辑工具13要素属性14运行模拟15浏览结果 MIKEBASIN工具条 有关编辑的提示 在修改模型结构时 必须选择开始编辑 当完成修改后要停止编辑时 必须选择停止编辑 此时模型会提示你是否保存所作的编辑 Undo只有在编辑状态下可用 MIKEBASIN的菜单 网络编辑确保正确的拓扑 使用ArcGIS几何形状网络 属性表对话框统一设计 统一的列表编辑器 用于快速输入 地下水使用的选项 包括按照地表水缺水比例 按比例分配规则 同时用于供水方 河流 和需水方 用水户 用水户的回水现在可以回到多个节点上 每个节点的回水量采用用水户取水量的比例 MIKEBASIN的总体操作特点 MIKEBASIN主要图形要素属性 用水户属性地下水取用流域属性地下水属性河道属性河道演算分流节点属性水库属性发电站属性模型运算设置属性 MIKEBASIN要素概化 3个子流域6个用水户5个水库1个发电站 MIKEBASIN简单示例 在图形要素上右击鼠标 在图形要素上左击 Diversion 用水户属性 Waterdemand 用水户所需的水量 Deficitcarry overfraction 前一时间步长中的缺水可以累积到下一步长的比例 用于农业灌溉 Groundwaterusefraction 需水量中由地下水供水的比例 Groundwateruseabsolute 地下水抽取的绝对水量 用水户使用地下水Fractionoftotaldemand 对应于地表水与地下水资源的供水比例 如果地表水或是地下水资源有限 那么需水将不会得到满足 Fractionofremainingdemand 对应于地表水 第一优先 和地下水之间的优先权 Absolutedemand 分别从两种资源中取水 相互是独立的 地下水取水量可能会比总需水量大 这种情况下地表取水量则为零 梯级或并行水库操作规则 双向水库调水溢洪道模拟 基于底部出口以及时变的溢洪道底部高程水电站机器效率与下泄流量相关湖泊可以被看作为一个水库类型 其出流由水位流量关系曲线来决定 水库属性 水库操作规则曲线 水库属性 水库属性 最大下泄能力 超出洪水控制水位的所有水都会被下泄到下游 下泄流量低于所设定的最大下泄流量 当不使用溢洪道选项时 只有当水位达到坝顶高程时 下泄流量才会大于所设定的最大下泄流量 取水点流量 用水户流量 远程控制点流量 水库下泄水量来维持远程控制流量 水库水位会因此而下降 水库属性 远程控制点 0 5m3 s 水库水位 取水口处的流量 用水户流量 控制点流量 水库下泄水来维持远程控制点流量 水库水位在远程点流量需求增大时将会下降更多 远程控制点 1 5m3 s 水库属性 溢洪道属性 水库属性 洪水控制调度时期最大下泄流量可受到溢洪道的过水能力的限制 溢洪道的这种限制可能会引起水位上升超过洪水限制水位 Thespillcapacitytable 溢洪过水能力表 是可选项 用于水库和湖泊 它在物理上由水位 相对于溢洪道底部高程 决定 因此必须以h Q表格形式给出 Q是在该水位上最大可能下泄量 Spillwaybottomleveltimeseries 可选项 描述了溢洪道的基础高程 是h Q关系表中水位的参考高程 Thebottomoutletcapacitytimeseries 底部出口过水能力 通常是可以调节的 因此必须以时间序列的形式给出 如果没有定义时间序列 那么过水能力将被设为零 在水库中后两者分别代表了 上部 溢洪道和底部出口 水电站属性 计算顺序 1 用户设定了水电站节点处的目标电量2 水库将会根据水库中的实际水位来计算相应的需水量3 水库将会 如果可能 提取所需的水量 并计算产电量可选项尾水水位可以定为一个表格 该表定义了尾水水位和水库下泄流量之间的关系 可选项机器效率可以定义为一个表格 该表定义了效率和下泄流量之间的关系 分流节点 分流节点属性 设为流量的函数 lookuptable 设为一个流量 timeseries 河道属性 河流中的水位计算可以由Q h表或曼宁公式得到增加了演算选项 洪水波平移包括河流和连接渠中的渗漏 蒸发和输水损失的选项包括河流和连接渠的过水能力限制 注意 用于河道和连接渠道的数据类型是相同的 水流损失 过水能力 河道演算 河道演算 4种方法 Linearreservoirrouting 线性水库演算 Muskingumrouting 马斯京根演算 Wavetranslation 洪水波平移 Norouting 无演算 取决于所选方法 可能要设定的参数有两个 一个用于描述水流延迟 另一个用于描述过程线形状 当两个节点间有显著的水流延迟以及过程线平滑时 演算则需要考虑进去 这种情况通常是时间步长与两节点之间的距离相比过小的原因 在大多数情况下如果使用的时间步长大于或等于一个月时一般不使用演算 马斯京根方法是一个常用的水文演算方法 用于模拟变化的流量 槽蓄之间的关系 这种方法模拟的洪水槽蓄量是柱蓄和楔蓄之和 参数K是洪水波在两个节点之间通过河段的时间 其数值可用洪峰通过河道的实测时间来估计 流量比重因子x 无量纲 取决于模拟的楔形槽蓄的形状 在天然河道 x的数值在0至0 3之间且平均值为0 2 总是 0 5 非常准确地确定x值没有太大必要 因为结果对此参数相对不敏感 河道演算 线性水库演算是在考虑了入流 取水和回水之后将上游节点的水流根据时间步长进行分配 对于一个脉冲入流 一段时间之后的出流峰值由时间滞后给出 随后以指数衰减 所用的公式为 这里qo是节点的出流 dt是时间步长长度 qi是节点的入流 s是水面下的蓄水 K是线性演算时间滞后 或者是延迟参数 线性水库演算可以被认为是当x 0时的马斯京根演算的特殊情况 与普通的马斯京根演算不同 线性演算只与时间步长长度和K值有关 河道演算 洪水波平移使用这个选项 洪水波不会有阻尼现象 这仅适用于陡急的河流 洪水波平移的算法本质上是对每一个时间步长使用一个带有 槽 的周期性缓冲 一个时间步长的入流被放入到当前入流 相对应的储存在槽中的前期入流被移出 当前槽的索引号在缓冲中循环 这样一个新的入流总是替代 最老的 以前的入流 河道演算 1 000km2 2 000km2 2 000km2 流域属性 建立河网 绿色的缓冲区是在添加了流节点之后添加上的 它代表流域或集水区 它们允许用户设定两节点间的侧向入流 它们也用于设定地下水系统 线性水库原理计算 时间步长 模拟时间步长 任何正的时间范围 小时步长 日步长等 如2天 也可以是月时间步长 即它会自动地将时间步长长度调整为不同月的长度 子除数 sub divider 时间步长子除数允许在内部计算中使用一个较小的模拟时间步长 而不同于输出时间步长 这样做是为了提高计算精度 内部时间步长是1 时间步长子除数 乘以输出时间步长 输入数据的时间步长 可以与模拟时间步长不同 不需要在一个时间序列中保持恒定 各种输入文件可能有着不同的时间步长 MIKEBASIN接受等距和非等距时间轴的时间步长 不需要输入时间步长长度与模拟时间步长长度相同 MIKEBASIN的计算核心 引擎 可能通过编程来访问 它提供了一个可能性以几乎任何方式来自动运行或改变计算 访问的实现可以通过下列方式 1 在Excel ArcGIS中进行Visualbasic宏编辑 2 通过任何支持MicrosoftCOM技术的编程语言 VisualC Delphi 等 或 Net语言 C VisualBasic Net 等 Macro编程 直接访问MIKEBASIN引擎在以下情况下是很有用的 如 通过 多个 Monte Carlo模拟做快速灵敏度分析 快速执行和分析多个方案 使用Excel的统计功能 ArcGIS制图或第三方程序对结果进行后理 要实施MIKEBASIN标准分配算法之外的机制 如 特定区域的水库操作规则 动态地控制模拟 逐步模拟 由任何时间步长 甚至由一个时间步长内的迭代进行热启动 为特定区域的MIKEBASIN模型创建简单的ArcGIS或Excel用户界面 可由非GIS人员进行操作 或者或者通过各种Excel的Solver工具 Data 菜单 进行各种优化 Macro编程 通过Excel调用Macro程序 优化问题 计算结果