Revisão das 12h12min de 17 de Dezembro de 2012

The tutorial is prepared to use the J2000 hydrological model for hydrological system analysis of a river catchment. A test catchment and dataset of the Dudh Kosi river basin has been provided along with the tutorial. The Dudh Kosi river basin was used for the hydrological system analysis by using the J2000 hydrological model as a part of the PhD research (Nepal, 2012). The information provided here is largely based on this study. PhD Thesis. The motivation, objectives and methodological approach and the rational of using the J2000 model in the Dudh Kosi river basin are also presented. The users can use the test data to get familiar with the model application. At the same time, users can prepare their own dataset to understand the hydrological system dynamics of any river basin by following this tutorial.

Who can use the tutorial

The tutorial is prepared in such a way that the J2000 hydrological model can be used independently without any techtical support from model developers. Therefore, it can be used by students, model developers and researchers for the hydrological system analysis of a catchment. The tutorial should be read in conjunction with other sub-tutorials which has been mentioned in different part of this tutorial. Additionally, the tutorial is supplied with test dataset of the Dudh Kosi river basin (Nepal, 2012) which users can use to get familiar with the different aspects of the J2000 model. Similarly, users can also create their own dataset of the catchment of interest to run the model.

Description of the test dataset

The tutorial is accompanied by the test dataset of the Dudh Kosi river basin. This hydro-meteorological data were provided by the Department of Hydrology and Meteorology (DHM), Government of Nepal. The DHM has provided permission to use the data along with the tutorial. The users are expected to use the tutorial along with the test data to understand different aspects of the J2000 modelling system and also aim to prepare their own dataset to run the model.

Motivation

This is the motivation of the study.

Study area

This is the Study area, Dudh Kosi river basin.

Objectives and methods

Objectives and methods

O modelo J2000

O modelo J2000 é um modelo hidrológico distribuído e orientado em processos para simulações hidrológicas de bacias de meso e macro-escala. Ele está incorporado no Jena Adaptable Modelling System (JAMS), que é uma plataforma de software baseada em componentes para o desenvolvimento e aplicação de modelos ambientais (Kralisch e Krause 2006, Kralisch et.al. 2007). A simulação de diferentes processos hidrológicos é realizada em módulos de processo encapsulados, os quais são em grande parte independentes uns dos outros. Isto permite alterar, substituir ou adicionar módulos individuais ou processos sem se ter que reestruturar novamente o modelo desde o início. Com esta flexibilidade, um módulo de geleira é integrado como parte do estudo realizado por Nepal (2012) na região do Himalaia.

O aplicativo de modelagem representa os processos hidrológicos importantes de uma bacia hidrográfica. O layout principal do modelo hidrológico J2000 é fornecido na figura abaixo. O layout também inclui o módulo de uma geleira, que foi aplicado na região do Himalaia. O sistema de modelagem diferencia-se entre os quatro componentes de escoamento diferentes de acordo com sua origem específica. O componente com maior dinâmica temporal é o escoamento rápido e direto (RD1) (fluxo terrestre). Ele consiste no escoamento de áreas fechadas e escoamento superficial vindos do escoamento de acesso saturado de acesso de infiltração. O componente de escoamento lento direto (RD2) (também conhecido como Interfluxo 1), que corresponde ao escoamento hipodérmico lateral na zona do solo, reage ligeiramente mais lentamente do que o RD1. Dois outros componentes de escoamento de fluxo básicos podem ser distinguidos. O escoamento de base relativamente rápido (RG1) (também conhecido como Interfluxo 2) simula o escoamento a partir da parte superior de um aquífero, que é mais permeável devido às intempéries, em comparação à zona inferior do aquífero. O componente de escoamento de base lento (RG2), o qual pode ser visto como o fluxo dentro de fracturas de rochas sólidas ou de matriz em aquíferos homogéneos não consolidados.

A descrição pormenorizada dos sistemas de modelagem pode ser encontrada em muitas publicações. Algumas das publicações importantes são: (Krause, 2001,; Krause 2002,; Krause, 2010,; Nepal, 2012; Kralisch e Krause 2006,; Kralisch et.al. 2007). Algumas das publicações também podem ser acessadas ​​a partir deste link: http://jams.uni-jena.de/index.php?id=5582&L=2

Preparação do Conjunto de Dados

Arquivos de parâmetros de modelos

Os requisitos de dados para executar o modelo hidrológico J2000 são discutidos aqui em detalhe. Dois tipos de dados são necessários i) arquivos de parâmetros de modelo e ii) os dados de entrada meteorológicos. Os primeiros são preparados e quantificados dentro do ambiente GIS e conhecidos como arquivos de parâmetros de modelo. Os arquivos de parâmetros e seus valores ficam estáticos na aplicação de modelagem.

Os usuários têm que preparar todos os dados de entrada (ou seja, solo, cobertura do solo, geologia, DEM) em formato raster com uma dada resolução. Ao delinear HRUs, todos os dados de entrada têm de ser fornecidos na mesma resolução. A resolução do conjunto de dados controla principalmente o número de HRUs a serem formadas sem se perder a heterogeneidade de uma bacia. Portanto, a resolução dos dados de entrada depende da bacia a ser modelada. Por exemplo, se a bacia é pequena (por exemplo, 1000 km ²), uma resolução entre 30-90 será adequada dependendo da resolução do conjunto de dados disponível. Da mesma forma, para bacias hidrográficas de meso-escala (por exemplo, 4000 km ²), uma resolução entre 250-500 m será adequado. Além disso, uma bacia com topografia plana (baixo gradiente, por exemplo) precisa de dados de alta resolução para caracterizar as traços de uma bacia hidrográfica.

A descrição detalhada para a derivaçao dos arquivos de parâmetros são fornecidas a seguir:

Arquivo de parâmetros do solo

A informação detalhada necessária para um arquivo de parâmetro do solo é apresentada na tabela abaixo.

O arquivo de parâmetros do solo é um dos importantes, os quais necessitam de uma série de informações, como mostrado na tabela acima, para produzir uma caracterização completa sobre a capacidade de retenção de água de diferentes tipos de solo. Para tal, a informação sobre a textura de tipos de solo de diferentes horizontes de solo é necessária. Uma descrição detalhada de como produzir um arquivo de parâmetro do solo pode ser encontrada aqui:

[Soil_parameterization [| Como preparar arquivo de parâmetros do solo]]

Arquivo de parâmetros de cobertura de terra

O arquivo de parâmetro do uso da terra requer informações sobre o uso da terra e da cobertura da terra de uma bacia hidrográfica que controla os diferentes aspectos da hidrologia. Tal informação pode ser derivada a partir da literatura na qual a informação espacial acerca do uso do solo e da cobertura da terra é fornecida. Alternativamente, tal informação pode ser estimada por meio de imagens de satélites e de classificação subsequente. O modelo hidrológico J2000 requer uma classificação maior do uso do solo e da cobertura da terra, o que afeta a dinâmica hidrológica.

Como preparar a terra arquivo de parâmetros de cobertura

Arquivo de parâmetros hidrogeológico

As informações necessárias para o arquivo de parâmetros hidrogeológico estão disponíveis abaixo:

• Hgeo.par

A capacidade de armazenamento do reservatório de água subterrânea superior (RG1) e inferior (RG2) pode ser estimada analisando-se a informação geológica da área. A capacidade de armazenamento é normalmente controlada pela formação geológica, os tipos de rochas, origem e natureza das rochas e permeabilidade. Estes valores são expressos como volume de armazenamento máximo em mm/dia de cada tipo de reservatório. Os valores de coeficiente de armazenamento (RG1_k e RG2_k) são usadas como um co-eficiente de recessão geral de dois reservatórios. Estes são expressos como tempo de retenção em dias no reservatório específico. A recessão é ainda controlada por um parâmetro de calibração flexível dentro do modelo.

A descrição detalhada do parâmetro hidrogeológico está disponível aqui: Como derivar hidro-geológica arquivo de parâmetro

Arquivos de parâmetros de HRUs e trechos fluviais

As Unidades de Resposta Hidrológicas (HRUs - Hydrological Response Units) são as unidades de modelagem para o modelo hidrológico J2000. As HRUs são "unidades de modelo espaciais que são unidades estruturadas distribuídas e heterogêneas com um clima, uso da terra, solos, geologia comuns , controlando seus dinâmica hidrológica" (Flügel, 1995). As áreas que compreendem propriedades semelhantes, como a topografia (declividade, outros aspectos), uso da terra, solo e geologia, e se comportam de forma semelhante em sua resposta hidrológica, são mescladas para se desenvolver uma HRU. A variação da dinâmica do processo hidrológico dentro da HRU deve ser relativamente pequena em comparação com a dinâmica de uma HRU diferente (Flügel 1995).

O processo de delineamento de HRUs é descrito no seguinte tutorial. GRAMA-HRU tutorial. Os usuários precisam preparar o seguinte arquivo para o delineamento de uma HRU.

• Modelo de Elevação Digital (DEM)
• Solo
• Uso da terra
• Hydro-geologia

Todos estes dados devem ser fornecidos em um arquivo formato de dados *.tiff com a mesma resolução. O delineamento de processos de HRUs acaba por fornecer arquivos de parâmetros de HRU e trechos fluviais.

• Arquivo de parâmetro HRU (* hru.par)

HRU schematic diagram

Um exemplo de arquivo de parâmetro HRU é fornecido abaixo.

O arquivo de parâmetro HRU armazena os atributos espaciais da bacia hidrográfica onde a informação sobre a elevação, área, aspecto, as coordenadas (x, y), tipo de uso da terra (landuseID), hidrogeologia (hgeoID) e solo (soilID) são armazenados para cada HRU. As HRUs são topologicamente ligadas ao encaminhamento lateral para simular os processos de transporte de água a partir de uma HRU para outra HRU e foram ainda ligadas a um afluente próximo para o roteamento de trechos fluviais. A coluna (to_poly) define a HRU que passa água para a próxima HRU.

A conexão entre o arquivo de parâmetro HRU e outros arquivos de parâmetros é resolvida dentro da anterior. Por exemplo, no arquivo de parâmetro HRU, o id HRU 1 tem todas as informações necessárias, conforme exigido na tabela acima, incluindo o uso da terra, o solo e o tipo de geologia, as quais pertencem à HRU1:

• Arquivo de parâmetro de trechos (* reach.par)

O arquivo de parâmetro de trechos armazena as informações sobre as características de fluxo, bem como a relação entre as redes de fluxo para realizar o roteamento de trechos. Ele ainda contém informação sobre a estrutura da topologia de fluxo observando o ID para cada trecho fluvial em que transfere. O parâmetro de trechos é produzido em conjunto com o processo de delimitação da HRU e compreende também a informação requerida na tabela acima.

Com relação à figura do arquivo de parâmetro HRU acima, o ID HRU1 contribui com água diretamente para o REACH ID1, enquanto o HRU ID 16 contribui com água para HRU ID 5 que então contribui para o REACH ID 2. As interações entre os arquivos de parâmetro foram resolvidos por uma relação entre solo, uso da terra e descritores hidrogeológicos no arquivo de parâmetro HRU e respectivos descritores nos arquivos de outros parâmetros.

Dados de entrada meteorológicos

O modelo J2000 hidrológico requer os seguintes dados de entrada para a inicialização do modelo:

O sistema de modelagem J2000 usa ponderações de distâncias inversas (IDW - Inverse Distance Weightings) com o método de correção de altitude para a regionalização dos dados climáticos de entrada. A descrição detalhada da abordagem de regionalização pode ser acessada aqui:

[Regionalization approach of the J2000]

Nem todos os dados, como mostrados na figura acima, podem estar disponíveis em algumas bacias. Normalmente, os dados de temperatura e precipitação estarão disponíveis. Se há apenas poucas estações (menos de três) para alguns parâmetros, a IDW não funcionará corretamente. Neste caso, o mesmo valor de entrada é aplicado à bacia inteira. Para algumas variáveis ​​particulares, ex. a temperatura, esta abordagem poderia trazer grandes quantidades de erros / incertezas. Em tais casos, sugere-se a abordagem da regionalização com base em um gradiente térmico para a temperatura. Os detalhes desta abordagem são fornecidos em Nepal, 2012.

As horas com luz solar, a umidade relativa e o vento também não estão freqüentemente disponíveis em algumas bacias. Estes valores são utilizados para a estimativa da evapotranspiração, ao usar-se a abordagem de Penman-Monteith. As horas de sol e velocidade do vento podem ser consideradas como suficientes a partir de uma estação, caso nenhum dado de outra estação estiver disponível. Em tais casos, o mesmo valor de estação é aplicado a uma bacia inteira. Esse valor único de estação para a umidade relativa também traz alguns erros consigo, ao calcular a umidade relativa utilizando a umidade absoluta e a temperatura. No sistema de modelagem J2000, não é recomendada uma regionalização direta dos valores de humidade relativa. Os detalhes são fornecidos no cálculo da evapotranspiração sub-tutorial calculation of evapotranspiration.

No caso destes dados (rhum, sunh, wind) não estiverem disponíveis, a abordagem Pennmann-Monteith não pode ser utilizada. Em seu lugar uma abordagem mais empírica com base na temperatura, tais como a Hargreaves, poderá ser usada.

Uma amostra dos dados de entrada do arquivo de precipitação (rain.dat) pode ser encontrado abaixo:

Os dados de entrada devem ser salvos com a extensão dat (exemplo: rain.dat). Os dados em formato Excel podem ser salvos como 'Texto (guia delineado) (*.txt)' e alterando a extensão de *.txt para *.dat. No final de cada conjunto de dados, a coluna de dados deve ser terminada com # data.dat . Para mais detalhes, baixe o arquivo de amostra de dados:

Cada ficheiro de dados tem a seguinte estrutura (demonstrado aqui para os exemplos de "precipitação"):

Os arquivos de exemplo dos dados de entrada podem ser baixados a partir do diretório de área trabalho aqui.

Área de trabalho para os dados de entrada

Os dados de entrada do modelo hidrológico J2000 tem de ser fornecidos em uma pasta específica considerada como um "diretório de área de trabalho". Este diretório contém todos os dados de entrada necessários para se executar o modelo, bem como os arquivos de saída do modelo.

Diretório da área de trabalho do modelo J2000 DudhKosi

Módulo de extensão de geleira para o modelo J2000

Nota Importante:

O J2000Himalaya.zip contém um arquivo J2000Himalaya.jar que é uma extensão do módulo geleira ao modelo hidrológico J2000 padrão. Portanto, este arquivo jar tem que ser copiado na pasta lib (\Arquivos de Programas\jams\lib) [se sua bacia tiver geleiras]. A pasta lib já contém o arquivo J2K.jar, quando usuários fazem o download do software JAMS, juntamente com o conjunto de dados de teste da bacia Gelberg. Eles também podem manter o arquivo J2000Himalaya.jar em locais diferentes, mas o caminho tem de ser definido quando o modelo for executado pela primeira vez usando-se os seguintes passos:

[JAMS Launcher (ou JAMS Builder) - >> Editar - >> Editar Preferências]. Uma nova janela "Preferências JAMS" aparecerá. Os usuários precisam localizar o local do arquivo jar * clicando no sinal +).

Pastas e arquivos

O diretório da área de trabalho tem três pastas principais: entrada, saída e parâmetros. A pasta de entrada tem todos os dados de entrada necessários para executar o modelo. A pasta “parâmetros” tem arquivos de parâmetros (hru.par, hgeo.par, landuse.par, soil.par e reach.par). A pasta de saída contém arquivos de saída de diferentes variáveis ​​depois que o modelo tiver sido executado com sucesso. Uma área de trabalho de amostra do conjunto de dados de teste é provida em anexo, o que dá uma idéia de como organizar o diretório de área de trabalho para o modelo hidrológico J2000.

Pasta: entrada (input)

A pasta de entrada tem 12 arquivos com extensão xml de todos os dados de entrada. Copie e cole esses arquivos já que eles são o conector para a entrada de dados reais que estão localizados dentro de uma pasta "local".

Subpasta: local

A pasta dentro da pasta de entrada contém dados de entrada para oito variáveis ​​(rain.dat, rhum.dat, sunh.dat, tmax.dat, tmean.dat, tmin.dat, wind.dat). ahum.dat é criada quando o modelo é executado pela primeira vez, utilizando os dados existentes.

Subpasta: gis

Algumas camadas GIS podem ser colocadas aqui para visualizar a distribuição espacial de algumas variáveis ​​de saída (por exemplo, a distribuição espacial da precipitação em uma bacia (2D e 3D). Para isso, os usuários precisam utilizar um arquivo DEM de uma bacia hidrográfica (formato de dados: *.asc). A resolução do DEM deve ser semelhante à entrada de DEM para o processo de delimitação de HRUs. Os usuários precisam copiar o arquivo styles.sld, que é necessário para se exibir um mapa. Além disso, as HRUs, córregos e arquivos de dados de estação (*.shp) podem ser colocados em uma pasta separada para se visualizar as variáveis ​​em um componente de mapa. Os nomes destes arquivos e pastas devem ser definidos em um arquivo de modelo xml [model xml file].

'subpasta: despejo (dump)'

Crie uma pasta com o nome "dump (despejo)", que será usado para armazenar os arquivos temporários.

Pasta: saída (output)

A pasta de saída tem dois arquivos xml (HRULoop.xml e TimeLoop.xml) e uma corrente de pastas. Estes aquivos *.xml definem as variáveis ​​para as quais os produtos de saída são criados. Da mesma forma, os dados de saída são colocados dentro da pasta atual (nomes de arquivo: TimeLoop.dat e HRULoop.dat). A relevância destes dados de saída é discutida no sub-tutorial "Produto do Modelo abaixo. [Subseção: visor numérico]

Pasta: parâmetros (parameter)

Essa pasta contém arquivos de parâmetros (hgeo.par, hru.par, landuse.par, reach.par, soils.par). Lembre-se que estes nomes devem ser os mesmos no arquivo de modelo xml.

Pastas: explorador e tmp (explorer and tmp)

A outra pasta dentro da área de trabalho é o explorador e o tmp que são utilizados para armazenar alguns arquivos temporários gerados durante a execução do modelo.

Modelo xml

O diretório da área de trabalho também contém um modelo de arquivo xml. Os arquivos de modelo podem ser lidos como *.xml ou *.jams. Estes arquivos de modelo são fornecidos em um conjunto de dados teste.

Um exemplo de alguns arquivos de modelo xml é fornecido em anexo. Descompacte o arquivo para usá-lo.

Arquivo de modelo xml da bacia do Gelberg: Este é um arquivo de modelo xml padrão do J2000 fornecido juntamente aos dados de teste do Gelberg. A bacia do Gelberg na Alemanha tem dados de entrada suficientes para utilizar o método IDW para a regionalização.

Arquivo de modelo xml da bacia do Gelberg: Este é um arquivo de modelo xml da bacia do rio Kosi Dudh na região do Himalaia. A região tem geleiras e apenas uma estação de temperatura. Portanto, módulo de taxa de lapso da temperatura é usado para a regionalização da mesma.

J2K com o módulo Hargreaves: Este é um arquivo de modelo xml para regiões de dados escassos (apenas temperatura e precipitação) e a evapotranspiração potencial é calculada usando o método Hargreaves Salami.

Através da aplicação de diferentes módulos, o requisito de dados para o modelo é alterado. Em tal situação, diferentes módulos são desativados ou removidos no arquivo xml. Por exemplo, para o módulo de Hargreaves Salami, o vento, as horas com luz solar, e a umidade relativa não são necessários. Portanto, o leitor de dados e regionalização destes parâmetros são desativados no J2k_Hargreaves xml. Se for necessário usar o módulo Hargreaves Salami, é aconselhável comparar os arquivos xml ou requisitos de dados e dados xml do Kosi Dudh ou do Gelberg.

O modelo xml contém a estrutura lógica da estrutura do modelo e os módulos utilizados no mesmo. Ele é organizado de forma sistemática, de modo que o produto de saída de um módulo é fornecido como entrada para a próxima (exemplo: Snowmelt - Fusão da neve – ((o output do módulo de neve serve de entrada para o módulo de água do solo). Este arquivo também contém informações sobre a exibição de diferentes variáveis ​​e saídas no âmbito JAMS. O modelo xml pode ser visto usando o JAMS Builder para entender o componente diferente de um modelo específico.

Pode-se seguir este tutorial para se familiarizar com o [Http://jams.uni-jena.de/ilmswiki/index.php/Tutorial_Advanced_Users # JAMS Builder]. Frasco Um exemplo de modelo do Kosi Dudh é fornecido no JAMS Builder na figura abaixo.

A janela da esquerda mostra a localização dos arquivos de modelo de código fonte, que são necessários para executar um modelo. Todos os códigos-fonte do modelo estão dentro do arquivo *.jar. Para o modelo J2000, é utilizado um arquivo J2000.jar. A janela do meio fornece informações sobre os módulos utilizados no arquivo de modelo xml do modelo Kosi Dudh. Estes são fornecidos em uma estrutura lógica em que os resultados de um módulo são fornecidos como dados de entrada para o próximo. Uma descrição detalhada destes módulos diferentes será fornecida na seção subsequente, ao passo que um exemplo do módulo de regionalização de temperatura máxima (TmaxLapseRate) é mostrada no JAMS Builder abaixo. O módulo utiliza dados de temperatura de uma única estação para regionalizar a temperatura máxima em uma bacia. Ao clicar-se no TmaxLapseRate na coluna do meio sob Regionalização, a informação detalhada do módulo é exibida nas janelas à direita, como mostrado na figura a seguir.

Todas as variáveis ​​utilizadas nos módulos são fornecidos na coluna "Nome", como mostrado na figura acima. A coluna 'Tipo' descreve as características das variáveis ​​em termos da informação (dados, qualidade), as quais essas variáveis armazenam. A coluna "R / W determina a natureza dessas entradas e bem como dos resultados. O 'statElev' é a elevação de uma estação de temperatura, o que é indicado por R. Isto significa que a informação é a entrada para o módulo a partir de um módulo anterior e denotados por 'Read'. O 'W' denota escrever/gravar, o que significa o novo valor de saída de este módulo. Os parâmetros de calibração, se for o caso, são fornecidos na coluna "Valor". Esta informação pode ser alterada no JAMS Builder instantaneamente. Ao clicar-se na variável, a informação sobre a 'Configuração de Atributo' será preenchida. Esta informação pode ser alterada. Clique em 'set' para guardar as informações.

O modelo pode ser executado a partir do JAMS Builder, clicando-se no botão "Executar Modelo[1]" ou "Executar Modelo a partir do JAMS Launcher [2]", como indicado pela caixa vermelha na figura abaixo. Ao clicar-se na caixa "1", o modelo será inicializado diretamente, enquanto um clique na caixa "2" inicializará o JAMS Launcher. Este último irá fornecer opções para alterar os parâmetros do modelo (como valores de parâmetro, período de tempo) etc

Uma descrição mais detalhada do arquivo de modelo xml em relação aos diferentes módulos e as variáveis ​​utilizadas nos códigos de fonte do modelo podem ser encontrados em Krause (2011). Este documento pode ser gerado a partir do JAMS Builder instantaneamente. Clique em 'Modelo' no menu superior e em 'Gerar documentação do modelo". Esta será disponibilizada em formato pdf para download.

O modelo xml também pode ser visto e editado através de um editor de textos (como o PSPad) como mostrado abaixo para o 'módulo de regionalização de temperatura máxima'.

 <component class="org.unijena.j2k.regionalisation.TemperatureLapseRate1" name="TmaxLapseRate">

• Esta linha define o local do módulo TemperatureLapseRate1 no arquivo de biblioteca de modelos J2000.jar *.

 <var name="lapseRateWinter"value="0.6"/>  <var name="lapseRateSummer"value="0.55"/>

• O valor de lapseRateWinter e lapserateSummer é o parâmetro de calibragem, que é uma taxa de lapso de mudança de temperatura por 100 metros.

 <var attribute="elevation" context="HRULoop" name="entityElev"/>

• O atributo elevation define a elevação de uma HRU que é a variável de entrada para o módulo TemperatureLapseRate1. O modelo lê a elevação de cada HRU a partir do ficheiro de parâmetros HRU como explicado anteriormente.

 <var attribute="time" context="J2K" name="time"/>

• time define a resolução temporal do modelo (por exemplo, diariamente)

 <var attribute="tmax" context="HRULoop" name="outputValue"/>

• Tmax é a temperatura máxima como um valor de saída do módulo, que calcula uma temperatura máxima de cada HRU utilizando as variáveis ​​de entrada dentro do módulo.

 <var attribute="elevationTmax" context="J2K" name="statElev"/>

• ElevationTmax é a variável de entrada da estação de elevação de temperatura máxima. O modelo lê a partir da estação de elevação de temperatura em um arquivo de entrada (por exemplo, tmax.dat).

 <var attribute="dataArrayTmax" context="J2K" name="inputValue"/>

• DataArrayTmax é a variável de entrada da temperatura máxima em uma determinada data.

 <var attribute="tmaxOrder" context="HRULoop" name="statOrder"/>

• TmaxOrder define a ordem da estação em caso de mais de uma estação de temperatura estiver disponível com base na distância de uma HRU com esse tipo de estação. Nesse caso, o modelo reconhece a estação próxima da HRU em particular.

A ordem lógica das variáveis ​​utilizadas no módulo é muito importante no modelo de arquivo xml. Por exemplo, cada uma das variáveis ​​de entrada deve ser definida anteriormente, antes de ser usada. Por exemplo, a variável de entrada "dataArrayTmax" é definida anteriormente em um módulo chamado 'TmaxDataReader'. O módulo de leitura de todos os dados diários de temperatura máxima em um formato que o modelo pode reconhecer. Da mesma forma, a variável de saída "tmax" (temperatura máxima) é, então, usada numa seção posterior. Por exemplo: o valor tmax (temperatura máxima) de cada HRU é usado para calcular o seu degelo.

Os parâmetros de calibração podem ser exibidos na tela do JAMS antes de se executar o modelo. Para isso, pode-se utilizar o GUI Builder do JAMS Launcher (figura abaixo). Aqui foi mostrado o exemplo taxa de lapso de temperatura. Essa taxa pode ser mantida sob a regionalização de grupo.

1. Primeiramente, clique no GUI Builder e escolha "regionalização" de grupo e, em seguida, clique em Adicionar propriedades. Uma nova janela, Editor de parâmetros de Modelo aparecerá, dentro da qual a informação do componente de modelo pode ser alterada.

2. Por exemplo, na classe 'Componente', escolha TmaxLapseRate. Em Variável/atributo, escolha lapseRateSummer. Da mesma forma, o nome e descrição do parâmetro também têm de ser preenchidos, em conjunto com o seu limite inferior e superior. Os usuários podem escolher o parâmetro de calibração entre a faixa de fronteira. Eles também podem inserir informações extras sob Texto de ajuda para fornecer informações mais detalhadas sobre o parâmetro. Quando toda a informação estiver preenchida, um clique em "OK" encorporará o parâmetro na modelagem. Do mesmo modo, no passo seguinte, os utilizadores podem escolher o 'lapseRateWinter' para o 'TmaxLapseRate'. Isto se deve ao fato de que a temperatura máxima é regionalizada com duas taxas diferentes de lapso de verão e de inverno. Pode ser o caso de se necessitar preencher as outras informações, como mostrado na figura a seguir:

O mesmo processo pode ser repetido com o TmeanLapseRate, o TminLapseRate e por períodos de verão e de inverno.

A figura abaixo mostra os parâmetros de calibração para a taxa de lapso, que são exibidos na tela do JAMS. O usuário pode alterar o valor do JAMS Launcher antes de se executar o modelo.

Exibir resultados do modelo e de saída

O arquivo xml compreende componentes para exibir os resultados do modelo de certas variáveis. Os resultados de saída do modelo podem ser vistos na janela do JAMS após a execução do modelo. A distribuição espacial de certas variáveis ​​de saída (tais como evapotranspiração, precipitação) pode ser exibida no final da execução do modelo, incluindo o mapa 3D. Além disso, o modelo também fornece os resultados de eficiência de diferentes avaliação estatística no final da execução do modelo.

A descrição da saída dos resultados do modelo são fornecidos no seguinte sub-tutorial : [Output of model results]

Módulos dentro do modelo hidrológico J2000

Esta seção descreve os diferentes módulos dentro do modelo hidrológico J2000. Os parâmetros de calibração aplicáveis ​​a cada um dos módulos estão também descritos com foco na sua influência sobre a vazão. A seguir estão os módulos importantes no modelo hidrológico J2000.

• Módulo de distribuição de Precipitação
• Módulo de Intercepção
• Módulo de neve
• Módulo de geleira
• Módulo de Intercepção
• Módulo do solo
• Módulo de águas subterrâneas
• Roteamento lateral
• Alcance de roteamento

Cálculo da Evapotranspiração

A descrição detalhada de cálculo da evapotranspiração usando a abordagem Pennmann-Monteith (Allen, 1998) também é oferecida neste sub-tutorial.

[Calculation of evapotranspiration]

Módulo de distribuição de Precipitação

Parâmetros de calibração

Estes parâmetros são considerados como não-flexíveis e não necessariamente colocados na tela do JAMS como parâmetros ajustáveis.

No sistema de modelagem J2000, a precipitação é primeiramente distribuída entre chuva e neve, dependendo da temperatura do ar. Dois parâmetros de calibração (Trans, eTrs) são usados ​​onde Trs é a temperatura base e Trans é um intervalo de temperatura (limite superior e inferior) acima e abaixo da temperatura de base. A fim de se determinar a quantidade de neve e chuva, presume-se que uma precipitação abaixo de certas temperaturas limiares resulta em precipitação totalmente de neve, ao passo que acima de um outro limiar ela será interiamente composta de chuva. No gama (Trans) entre as referidas temperaturas limiares, a precipitação ocorre de forma mista.

Relevância na modelagem

Ao inserir-se os valores Trs abaixo de zero (por exemplo, -2), tem-se mais precipitação sob a forma de "chuva" do que de "neve".

A descrição detalhada deste módulo, juntamente com o algoritmo, tal como definido no código-fonte é fornecida [Precipitation distribution module]

Módulo de Intercepção

"Parâmetros de calibração '

Os parâmetros de calibração do módulo de intercepção no JAMS Builder é fornecido na figura abaixo:

A intercepção é um processo durante o qual a precipitação é armazenada em folhas, e outras superfícies abertas de vegetação. Este processo é identificado como componentes importantes de um ciclo hidrológico que podem afetar os componentes de balanço hídrico. Copa e intercepção de resíduos são consideradas perdas para o sistema, já que qualquer chuva interceptada por um desses componentes será posteriormente reduzida pelo processo de evapotranspiração. O módulo de intercepção utiliza uma abordagem simples de armazenamento de acordo com Dickinson (1984), que calcula a capacidade máxima de armazenamento de intercepção com base no Índice de área foliar (LAI), do tipo particular de cobertura do solo. O modelo recebe a informação de LAI de diferentes estações do arquivo de parâmetros da cobertura da terra. Quando o armazenamento máximo é atingido, o excedente é passado como interceptado ao módulo do solo.

Os parâmetros, como mostrado na figura acima tem um valor diferente, dependendo do tipo da precipitação interceptada (chuva ou neve). Isso é dessa forma devido a capacidade de interceptação máxima de neve ser ​​visivelmente maior do que a de precipitação líquida.

Relevância na modelagem

Ao manter-se o alto valor dos parâmetros (a_snow e a_rain), têm-se um armazenamento maior de água em superfícies de folhas, o que leva a uma evapotranspiração maior e menos água disponível para o próximo módulo (ou seja, módulo do solo), escoamento e vice-versa.

A descrição detalhada deste módulo, juntamente com o algoritmo, tal como definido no código-fonte pode ser encontrada aqui [Interception module]

Módulo de Neve

"Parâmetros de calibração '

Os parâmetros de calibração do módulo de neve no JAMS Builder é fornecido na figura abaixo:

O módulo de neve J2000 é realizado de acordo com o método descrito em Knauf (1976) incluindo algumas modificações e extensões. O módulo calcula variáveis ​​de estado diferentes do bloco da neve, tais como sua profundidade, densidade e equivalente de água, o que pode ser usado para o processo de validação orientada a múltiplas respostas. O módulo descreve principalmente as fases de fusão, acumulação e afundamento do bloco de neve.

Se a temperatura de fusão for superior ao valor limite de temperatura (baseTemp), o processo de degelo começa. O parâmetro snowColdContent leva em conta o teor de frio do bloco de neve. A temperatura desse bloco tem que ser cerca de cerca 0 para iniciar o processo de degelo. Temperaturas do ar negativas são acumuladas e diminúem apenas com temperaturas positivas e para realizar o processo de degelo.

A energia de fusão necessária para o cálculo de derretimento da neve potencial é fornecido sob a forma de calor sensível à temperatura do ar ( t_factor), a entrada de energia a partir da precipitação na forma de chuva ( r_factor) e de entrada devido a um fluxo de calor no solo (g_factor). Esta taxa de derretimento potencial é ainda modificada de acordo com a inclinação e aspecto da HRU. A cobertura de neve é ​​capaz de armazenar água líquida (tal como encontrada na forma de derretimento de neve potencial) nos seus poros, até um certo limite de densidade (CritDens). Esta capacidade de armazenamento é perdida quase que completamente e de forma irreversível ao atingir uma certa densidade crítica da neve acumulada (ou seja, a quantidade de água livre em relação ao equivalente da água da neve total, entre 40% e 45%) de acordo com Bertle (1966) e Herrmann (1976). O degelo da neve resultante é passado ao módulo do solo.

Relevância na modelagem

A baseTemp é um limite de temperatura para a fusão da neve. A fusão ocorre apenas se a temperatura do ar for superior a baseTemp. Ao se manter um valor alto, tem-se mais neve para armazenar e menos degelo ocorre e vice-versa. Este parâmetro é muito importante no caso da bacia ter capacidade de armazenamento e derretimento de neve sazonais. O melhor valor pode ser encontrado em torno de 0.

O SnowCritDens é um parâmetro importante de calibração, porque ele permite que a água do bloco de neve funda quando a densidade crítica for superior a este valor. Esta capacidade de armazenamento é perdida quase que completa e irreversivelmente quando uma certa quantidade de água líquida, proporcionalmente ao equivalente total de neve (cerca de 40%) é atingida. Mantendo-se esse valor de parâmetro baixo, ocasionará a liberação da água em estado líquido a partir do bloco de neve rapidamente (já que a densidade crítica da neve é ​​atingida mais rapidamente), com menos quantidade de neve e profundidade relacionada. O elevado valor deste parâmetro resulta em mais tempo para atingir a densidade crítica, a qual exigirá mais neve fresca para ocorrer.

O SnowColdContent contribui para alcançar o teor de frio de uma estreita camada de neve a zero para o início do processo de fusão. Um valor maior ajudará a levar o teor de frio de uma camada de neve a zero mais rapidamente do que um valor baixo.

O T_factor é um dos parâmetros mais importantes e sensíveis para a produção de escoamento em fusão a partir de uma camada de neve. Um valor maior produzirá maior degelo e vice-versa. Quanto maior o t_factor, juntamente com o valor r_factor e o g_factor irá fornecer energia de calor para derreter a neve e produzir o escoamento.

A descrição detalhada deste módulo, juntamente com o algoritmo, tal como definido no código-fonte pode ser acessada aqui: [Snow module]

=== Módulo de geleira ===

"Parâmetros de calibração '

Os parâmetros de calibração do módulo de geleira no JAMS Builder é fornecido na figura abaixo. Os usuários podem escolher o método para calcular o derretimento do gelo da geleira entre um fator grau-dia simples [1] e um fator grau-dia aprimorado [2] na 'fórmula de derretimento'. O parâmetro de calibração na parte inferior 'ddfIce' é aplicável para o fator grau-dia simples [1].

A neve sazonal ou fresca nas geleiras é processada ​​usando-se o J2KProcessSnow como descrito no Módulo de neve na seção anterior. Quando o armazenamento de neve for ​​zero na HRU de geleira, o processo de derretimento do gelo da geleira começa a usar o fator grau-dia maior. A energia para a o derretimento do gelo de geleira é representada pelo fator grau-dia, que é a função geral de temperatura e radiação (meltFactorIce e alphaIce). A taxa de fusão é ainda adaptada para a inclinação e o aspecto da HRU específica. O modelo também segrega as geleiras de HRU cobertos por detritos ou não, utilizando para isso, a inclinação das HRUs. Se a inclinação for superior a 30 graus, a geleira da HRU é considerada como uma geleira não coberta por detritos. Na geleira de HRU coberta por detritos, o degelo é ainda controlado pelo parâmetro de calibração debrisFactor. O resultado da área de geleira é a neve derretida (de neve fresca), derretimento do gelo da geleira e escoamento da água da chuva (chuva nas geleiras). Todos estes três escoamentos de derretimento são encaminhados através das áreas glaciais usando-se três encaminhamentos diferentes para neve, gelo e chuva (kSnow, KIce e Krain). No final, o material fundido da geleira, que é o produto de três escoamentos diferentes (derretimento da neve, do gelo, e drenagem da chuva), é passado para o próximo trecho como escoamento superficial (RD1).

Relevância na modelagem:

MeltFactorIce é um dos parâmetros sensíveis do módulo glacial. Quanto maior o valor, mais elevado o derretimento de gelo glacial e vice-versa.

Tbase é um limite de temperatura para se derreter a neve. A fusão ocorre apenas se a temperatura do ar for superior a tbase. Mantendo-se o alto valor, mais neve para armazenar assim como menos degelo ocorrerá e vice-versa. O melhor valor pode ser encontrado em torno do valor 0.

DebrisFactor controla o derretimento do gelo. O valor mais elevado (por exemplo, 4) significa que o deretimento é reduzido em 40% nas geleiras cobertas por escombros .

AlphaIce é o fator de radiação para degelo. Quanto maior o valor, maior o derretimento do gelo da geleira.

Kice, kSnow e Krain são coeficientes de roteamento. Os valores menores representam o curto tempo residencial do escoamento de derretimento potencial. Assume-se que a chuva sobre a superfície glacial drena mais rápido do que derretimento de neve e gelo (snowmelt/icemelt).

A descrição pormenorizada do módulo de geleira, juntamente com o algoritmo, tal como definido no código de fonte do modelo, pode ser encontrada aqui: Módulo geleira # Glacier_module

Módulo de água do solo

"Parâmetros de calibração '

Os parâmetros de calibração do módulo de água do solo no JAMS Builder são fornecidos na figura abaixo:

O módulo de solo é a parte mais complexa do modelo hidrológico J2000, o que reflete o papel central da zona de solo como um regulamento e sistema de distribuição. A entrada para o módulo de solo é o derretimento da neve e a precipitação na forma de chuva. O reservatório de poros médios (MPS) e o reservatório de poros grandes (LPS) representa a capacidade de retenção de água do solo. A água nos MPS representa a capacidade de campo, no qual a água é mantida contra a gravidade, mas pode ser subtraída de uma tensão ativa, por exemplo transpiração de plantas. As informações de entrada sobre o módulo do solo são primeiramente utilizadas para preencher os MPS e LPS, o que determina a umidade atual do solo. As condições de umidade do solo influenciam o processo de infiltração. Ao passo que a capacidade de infiltração de um solo em particular é calculada com base na umidade real do mesmo. Além disso, existem três diferentes parâmetros de infiltração (soilMaxInfSummer, soilMaxInfWinter e soilMaxInfsnow), que controlam a infiltração durante o inverno, o verão e a cobertura de neve. No caso das superfícies seladas, apenas determinada quantidade de água na superfície é capaz de se infiltrar, a qual é controlada por dois parâmetros (soilImpGT80 e soilImpLT80). A água que não é capaz de se infiltrar é armazenada na superfície da terra, como o reservatório de depressão, até um certo grau, tal como definido no parâmetro de calibração (soilMaxDPS) e qualquer excesso é tratado como escoamento superficial (RD1). A água infiltrada é então distribuída entre os MPS e LPS, o que é controlado por dois parâmetros de calibração (soilDistMPSLPS e soilDiffMPSLPS). A água disponível no MPS pode ser reduzida por evapotranspiração, para a qual a profundidade da raiz da respectiva tampa de terra do solo é importante. A água no LPS se distribui entre os componentes laterais e verticais (soilLatVertLPS). O fluxo lateral é responsável pela produção de interfluxo na zona insaturada (RD2), que pode ser controlado por soilOutLPS. O fluxo vertical (percolação) é fornecido para as águas subterrâneas da zona (zona saturada), na qual a taxa de percolação é controlada por soilMaxPerc. O excedente é passado aos LPS para serem liberadas como escoamento superficial (RD2). O escoamento superficial e Interfluxo 2 são controlados por coeficientes de retenção (soilConcRD1 e soilConcRD2).

No caso do escoamento superficial, o período de tempo de retenção pode ser diferente em períodos de fluxo elevados, devido a um comportamento não-linear de uma bacia. Para isso, são introduzidos novos parâmetros para poder-se representar o comportamento não-linear durante a estação das monções da região do Himalaia. Por conseguinte, um novo parâmetro (soilConcRD1Flood), como um coeficiente de recessão de escoamento superficial durante o período de pico de inundação, quando o volume do escoamento superficial ultrapassa o valor-limite no soilConcRD1Floodthreshold definido como um parâmetro de calibração.

"'Relevância na modelagem

SoilMaxDPS influencia a água armazenada nas áreas de depressão. Quanto maior o valor deste parâmetro, maior quantidade de água a ser armazenada como reservatório de depressão e menos água ficará disponível para escoamento superficial.

SoilLinRed reduz a quantidade de taxa de evapotranspiração. Quanto menor o valor maior a redução da evapotranspiração.

SoilMaxInfSummer,soilMaxInfWinter, e soilMaxInfSnow influenciam a taxa de infiltração máxima para zonas saturada (água do solo) e insaturada (água subterrânea). The lower value of these parameters allow only a part of rainfall and snowmelt to enter into the unsaturated zone (The value 20 means that only 20 mm rainfall and snowmelt is allowed to go through the soil water module per time step). In such cases, overland flow would be higher as the most of the input drains as surface runoff. It is considered that the soilMaxInfSummer is slightly lower than winter because the soil is more saturated during the rainy-summer period. The soilMaxInfSnow is considered lowest among the three because of the frozen soil condition in the snow-occurring environment.

The parameter soilImpGT80 is activated if the land cover impermeability is high as defined in the permeability of the land cover (sealedgrade) (such as urbanized areas) in the land-cover parameter file. The values in the sealedgrade act as a threshold for activation of the parameters soilImpGT80 or soilImpLT80. The lower value of these parameters indicates that the lower amount of inflow will be able to infiltrate and rest flow as overland flow.

soilDistMPSLPS and soilDiffMPSLPS are mainly responsible for distribution and diffusion of water between the MPS and LPS. They are less sensitive parameters and have minor role in interflow. The lower value of these parameters will allocate slightly less inflow to the MPS.

soilOutLPS influences the Interflow 2 (RD2) component. The lower value will allocate more water to be outflowed from LPS and thereby increasing the RD2 component.

soilLatVertLPS is one of the very sensitive parameters in the soil water module. It distributes the inflow (after the infiltration) between vertical (interflow 1) and percolation. The higher value will allocate higher amount of inflow to the Interflow 2 (and less inflow  to be percolated to the groundwater). The higher value will increase in Interflow 2 component and at the same time, the groundwater contribution (RG1 and RG2) will be reduced.

soilMaxPerc controls the percolation rate to the groundwater per time step. The higher (eg. 20) value indicates that maximum 20 mm equivalent water is allowed to go to the groundwater. The higher value will increase the groundwater contribution (RG1 and RG2) and at the same time decrease RD2 component at a higher magnitude. This also decrease the RD1 but to a lesser extent.

soilConcRD1 and soilConcRD2 are recession coefficient for overland flow (RD1) and Interflow 1 (RD2) and are one of the sensitive parameters in the module. The value represents the retention time (per time step) for overland flow. The higher value indicates that the retention period is high and therefore, less water is flowed as overland flow. Principally, the retention period for RD1 should be less than the RD2.

soilConcRD1Flood parameter is implemented in the standard J2000 hydrological model to replicate the runoff behavior especially during the high flood period in the monsoon dominated Himalayan region. This parameter is only activated when the input for overland flow crosses the parameter soilConcRD1FloodThreshold defined by users. In principal, the value of soilConcRD1Flood should be less than soilConcRD1 as the retention time of the overland flow is less during the high flood time.

The detailed description of the soil water module along with the algorithm as defined in the model source code is provided in Soil Water Module.

Groundwater module

Calibration parameters

The calibration parameters of the groundwater module in the JAMS builder is provided in the figure below:

The groundwater module receives input from unsaturated soil zone (soil water module) in a two storage compartment of a ground water zone i.e. upper groundwater zone (RG1) and lower grounwater zone (RG2). The input is then between these two zones in which the distribution of input is carried out by the calibration parameter gwRG1RG2dist. The water discharge from the upper and lower storage areas (RG1 and RG2) is carried out according to the current storage amount in the form of a linear function, using the storage retention co-efficient for two storages gwRG1Fact and gwRG2Fact. There is also a possibility that the water from groundwater is transfered soil water zone through capillary rise with the parameter gwCapRise.

Relevancy in modelling

gwRG1RG2dist distributes input water to RG1 and RG2. The higher value of this parameter increase the proportion of input water to the RG2 zone.

gwRG1Fact and gwRG2Fact influences the outflow from RG1 and RG2 storage. The parameter values represent the retention time in those stroage. The higher value will lead to less outflow and more water remains in the storage.

gwCapRise influece the distribution of water between soil water and ground water module. The higher value will flow a higher amount of water from groundwater to soil water zone.

The detailed description of the groundwater module along with the algorithm as defined in the model source code is provided in Groundwater Module.

Routing module

Calibration parameters

The calibration parameters of the reach routing module in the JAMS builder is provided in the figure below:

The J2000 hydrological model has two routing components. The lateral routing serves to simulate lateral flow processes in the catchment area from one model entity (HRU) to the next until the water is finally reaches to a reach. The reach routing describes flow processes in a stream channel by using the commonly applied kinematic wave approach and the calculation of velocity according to Manning and Strickler (Krause, 2001).

Relevancy in modelling

flowRouteTA influences the run time of runoff waves in the stream channel. The higher value increases the velocity of runoff waves and more water flows from the channel.

The detailed description of the routing module along with the algorithm as defined in the model source code is provided in Routing module.