Chapter 4 水文模型
GHDC 平台不仅提供基础地理数据的处理与裁剪，还能自动完成水文模型所需的全套输入数据制备。本章介绍平台当前支持的水文模型及其适用场景。
4.1 支持的模型
| 模型 | 全称 | 类型 | 空间方法 | 平台状态 |
|---|---|---|---|---|
| SHUD | Simulator for Hydrologic Unstructured Domains | 分布式物理机制模型 | 非结构三角网格 | 已上线 |
平台将在后续版本中支持更多模型（如 TopModel 等）。如果你希望将自己的模型接入 GHDC，请参考第 8 章。
4.2 如何选择模型
目前平台默认使用 SHUD 模型处理所有建模任务。SHUD 适合以下场景：
- 研究小尺度到中等尺度流域（\(0.1\ \mathrm{km}^2\) 至 \(70\,000\ \mathrm{km}^2\)）的水文过程
- 需要同时模拟地表水与地下水的耦合过程
- 需要高时间分辨率输出（小时级）
- 需要空间分布式的径流、蒸散发、土壤水、地下水等变量
如果你的研究仅需要准备基础地理数据（DEM 裁剪、水系提取、土地利用、土壤质地等），而不需要运行水文模型，可以在提交任务时选择「仅数据模式」（适用于超大流域或自定义建模需求）。
4.3 SHUD 模型
SHUD（Simulator for Hydrologic Unstructured Domains，水文非结构域模拟器）是一个地表–地下全耦合的数值分布式水文模型 (Shu et al. 2020)。
4.3.1 模型特点
空间结构：流域被划分为非结构三角网格，每个三角形单元在垂直方向上分为地表、非饱和层（包气带）和饱和层（地下水）三个计算层。单元之间的差异性反映了水文参数（土壤、植被、地形）的空间异质性。
时间精度：采用可变时间步长，模型自适应寻找满足收敛条件的步长（1 秒至 10 分钟），可生成小时级的模拟输出。
数值方法：有限体积法（FVM）求解常微分方程，在确保数值稳定性的同时保持较高的计算效率。
4.3.2 适用场景
SHUD 已在北美、亚洲和非洲的 23 个以上流域得到验证，适用于：
| 应用方向 | 说明 |
|---|---|
| 洪水模拟与预报 | 高时间分辨率、小时级径流过程 |
| 水资源评价 | 流域水量平衡、地下水动态 |
| 土地利用影响评价 | 空间分布式的下垫面参数 |
| 气候变化影响 | 多年至百年长时间序列模拟 |
| 生态水文耦合 | 可与土壤水、蒸散发模型耦合 |
流域面积适用范围：\(0.08\ \mathrm{km}^2\) 至 \(70\,000\ \mathrm{km}^2\)；空间分辨率从米级至公里级均可配置。
4.3.3 GHDC 提供的 SHUD 结果
通过 GHDC 下载的结果 ZIP 中，SHUD 模型的输入文件已完整制备，可直接在本地运行。运行后可获得以下主要输出变量：
| 输出变量 | 说明 | 时间分辨率 |
|---|---|---|
| 出口径流 | 流域出口的流量过程线 | 逐小时 |
| 地表径流 | 各三角形单元的地表产流 | 逐小时 |
| 蒸散发 | 各单元的实际蒸散发量 | 逐小时 |
| 土壤含水量 | 非饱和层的土壤水变化 | 逐小时 |
| 地下水位 | 饱和层的地下水埋深 | 逐小时 |
| 河道流量 | 各河段的径流量 | 逐小时 |
使用 rSHUD 工具包可以方便地读取、可视化和统计上述输出变量（见第 5.5 节）。
Figure 4.1: SHUD 模型非结构三角网格示例（龙漕沟流域）：三角形单元密度随地形复杂度自适应调整，河道附近网格更密。
图 4.2 展示了 SHUD 模型的地下水空间分布模拟结果（颜色代表各三角形单元的地下水储量，红色河网叠加显示）：
Figure 4.2: SHUD 模型地下水空间分布输出示例：每个三角形单元的颜色表示地下水储量大小，红色折线为提取的河网。
更多关于 SHUD 模型的信息，请访问 https://www.shud.xyz/zh/，或参考文献 (Shu et al. 2020; 舒乐乐 et al. 2022)。