2009-HSPF模型及其在非点源污染研究中的应用

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2 模型应用研究进展
HSPF 模型是目前综合模拟径流、土壤流失、污 染物传输、河道水力等过程, 以及水温、泥沙传输、营 养物和化学物相互反应的流域非点源污染模拟模型 之一, 模型的模拟结果是径流、沉积物输送、营养物、 农药及用户定义的污染成分浓度过程的时间序列、 以及流域内某一点水量、水质的时变过程. HSPF 模 型可以连续模拟透水地面、不透水地面、河流或完全 混合型湖泊水库的水文和水质过程. 该模型将地表 和土壤中的污染物随径流的变化作为整体来模拟, 给出降雨径流量、泥沙输送量、氮磷浓度的历时变化 和流域内任何一点水量水质的时间, 其中水质计算
非点源 点P非点源 点P非点Leabharlann Baidu点源 点P非点源 点P非点源 点P非点源
多个 minPs 多个 单个 多个 多个 多个 多个 多个
minPs 径流 minPs dPh minPs dPh dPh minPs dPh
径流 易降解/ 农药 径流P人工管道
径流P渗流 径流 径流
径流/ 渗流/ 人工管道 径流/ 渗流/ 人工管道
HSPF 模型是在 Stanford 水文模型的基础上开发 的, 在使用过程中不断加工修改而逐步完善, 成为综
收稿日期: 2008-04-23 * 中国地质科学院重点开放实验室专项资金资助项目
合性流域模 型的典范之作. HSPF 模 型采用标 准的 Fortran 语言编写, 能够运行水文模拟程序( HSP) 、农 业径 流管 理模 型 ( ARM) 和 非 点源 污 染 负荷 模 型 ( NPS) 的所有函 数, 在一定程度上克服 了大部分模 型在数据管理和模型兼容性方面存在的许多缺陷, 便于维护和修改数据. 1996 年 HSPF 模 型被整合到 点源 - 非 点 源综 合评 估 模型 BASINS 里 面, 利 用 ArcView 软件对空间 数据的存储和处 理能力, HSPF 能够自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利 用、土壤、植被、河流等数据, 进行非点源污染负荷的 长时间连续模拟, 在水旱灾害防治、水环境监测、水 资源开发利用中得到广泛的应用[3] .
由于模型本身的限制, 有些问题不能单靠某个 特定的模型完成, 需要模型的综合或者二次开发. 如 模型与 GIS 的结合了, 解决了分布式模型输入数据 量 大 的 问 题[8] . BASINS ( Better Assessment Science Integrat ing Pointand Non- point Sources) 系统是基于 GIS 技术的整合式平台, 它集成了很多的工具如流域数 据管 理 器 ( WDMUtil) 和流 域 刻 划 工 具 ( Watershed Delineation) 、HSPF 模 型和 SWAT 模型, 决策制定和 分析系统如情景分析处理( Postprocessing GenScn) 和 流域 管 理 敏 感度 分 析 系 统 ( Watershed Management Sensitivity Analysis) , BASINS 现已升级到 410 版本, 它 以 Mapwindow GIS 软件为平台, 将各种水文模型镶嵌 其中, 从而构架成一种基于 GIS 和多种内嵌水文模 型的流域环境规划管理系统.
径流P渗流
污染物类型
易降解/ 难降解 吸附/ 降解 难降解 易降解P农药 易降解P农药
易降解P难降解 易降解/ 农药吸附/ 降解
易降解/ 难降解 易降解P农药
污染物的 物理化学变化
-
吸附P降解 吸附P降解
-
降解 吸附P降解
面、不透水地面、河流和完全混合型湖泊水库三种不 同性质的地表水文水质过程进行模拟, 应用模块用
来编辑处理各种时间序列数据[ 6] 。
图 1 HSPF 模型的结构[ 3]
112 模型基础数据库 模型需要的输入数据主要有: ( 1) 流域的数字高
程模型 ( DEM) . 用来划 分子流域和确 定出流路径; ( 2) 土地利用数据. 主要用来计算植被生长、耗水和 地表产汇流; ( 3) 土壤数据. 用来计算壤中流和浅层 地下水量; ( 4) 气象数据. 包括日降雨资料、日最高最 低气温、风速、日辐射量、相对湿度、气温站位置高 程、雨 量 站 位置 高 程 等, 用 来计 算 流 量和 蒸 散发 量[ 7] ; ( 5) 农业管理措施和水库和湖泊位置、出流点 等; ( 6) 监测站数据. 包括 各水质参数数 据, 例如总 氮、总磷、BOD 等; ( 7) 社会经济数据, 包括人口普查 数据、人口密度数据等.
非点源污染模型的出现为非点源污染研究提供 了方便, 非点源污染模型通过对整个流域系统及其 内部发生的污染过程进行定量描述, 帮助分析非点 源污染产生的时间和空间特征, 识别其主要来源和 迁移路径, 预报污染的产生负荷及其对水体的影响, 并评估土地利用的变化以及不同管理措施对非点源 污染和水质的影响, , 为流域规划和管理提供决策支 持[ 2] . 自 90 世纪 70 年代中后期以来, 随着对非点源 物理化学过程研究的深入, 涌现出大量应用于非点 源污染模型, 如 Stanford 模型( SWM) 、CREAMS 模型、 EPIC 模型、ANSWERS 模型、AGNPS 模型、SWAT 模型 和 HSPF 模型等.
随着逐步改进和完善, HSPF 模型现已结合了美 国环保署雅典实验室的研究成果, 将常见污染物和 毒性有机物模拟纳入模型中; 模型提供水解、氧化、 光解、生物降解、挥发和吸收等 6 种沉积化学作用模 式, 并结合水动力学实现沙、粉沙和粘土三种沉积物 以及 BOD、DO、氮、磷、农药等多种污染物的地表、壤 中径流过程和蓄积、迁移、转化综合模拟, 水质模拟 包括对透水地区、不透水地区、河流、水库中的多种 水质要 素 的 模 拟, 这 些 水 质 要 素包 括 泥 沙、DO、
第 3期
薛亦峰等: HSPF 模型及其在非点源污染研究中 的应用
考虑了污染物的水解、氧化和吸附等作用[ 8] . 211 水文模拟
降雨的水文过 程是影响非点 源污染的主要因 素, 水文模拟主要是模拟一定区域内地面降水径流 的变化过程[ 9] . 2000 年 S. E. Bum 和 L. E. Band 将模 型用于美国马里兰州巴尔的摩 upper Gwynns Falls 流 域, 评价分析了土地利用变化对流域行为的影响, 并 通过这些分析研究 upper Gwynns Falls 流域可透水地 面和饱和土壤中径流比和基流的关系, 根据模型模 拟数据, 预测城市化对流 域的影响, 得到较好的结 果[ 9] . 2003 年 XinJian Chen 用 HSPF 模 型 对 Alafia River 进行水动力学和盐分传输研究, 得出了淡水盐水界面位置的经验关系[ 10] . 同年, Mark S. Johnson 和 William F. Coon 等人用 HSPF 和 SMR 模型在纽约 州中部的 Irondequoi tCreek 102 平方公里的上游流域 进行为期 7 年的水文模拟, 对比分析分析了集总式 水文 模 型 HSPF 和 分 布 式 水 文 模 型 SMR ( Soil Moisture Routing) 的产、汇流机制和模拟效果, 在模拟 期中两个 模型的效率值 分别为 0167 和 0165, HSPF 模型略优于 SMR, HSPF 模型中复杂的融雪程序使得 在冬季流量的模拟中取得比 SBR 更好的效果[11] . 林 诚二等人针对长江上游地区地表水径流所建立模型 的模拟效果, 来检验卫星数据所估算的降水数据, 模 型模拟结果表明: HSPF 模型对长江上游主要支流的 5 天平均流量的模拟, 达到很好的效果. 212 非点源污染与水质模拟
BOD、农药、TN、NH3- N、NO3-N、NO2-N 、TP、氯化物等.
2001 年 Steven 丸 Cryer 等人结合 GIS 技术, 利用 PRZM3 模型划分子流域, 利用 HSPF 模型模拟分析 研究了美国加利福尼亚州中部圣华金河沿岸农地非 点源污染状 况, 并提 出优化方案[13] . 2003 年 Dahlia N. E-l Kaddah 和Anne E. Carey 利用HSPF 模型和非点 源模 型 ( NPSM) 结合 的方 式对 美国 阿拉 巴马 州的 Cahala 河流域水文水质进行模拟和预测, 丰水年和
城市用地 农业用地
HSPF 农业P城市P未利用地
STROM
城市用地
SWAT 农业用地P未利用地
SWMM
缄市用地
SWRRBWQ 农业用地/ 未利用地
注: 资料来源于文献[ 4] 、[ 5]
表 1 主要流域水文模型的技术指标
污染源
时间分 流域数量
辨率
污染物进入 水体方式
点P非点源 非点源单个 点P非点源
第 30 卷 第 3 期 2009 年 6 月
首都师范大学学报( 自然科学版) Journal of Capital Normal University
( Natural Science Edition)
No. 3 June , 2009
HSPF 模型及其在非点源污染研究中的应用*
薛亦峰 王晓燕
( 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048)
摘要
HSPF( Hydrological Simulation Program) Fortran) 模型是将数学方 法应用于水文计算和 预报形成的流域水 文模型, 可对陆地表面、亚表面和地下水的水文路线以及 污染物的输移 进行模拟, 广 泛应用 于不同尺 度流域 的非点 源污染 模拟 研究, 为流域管理措施的制定和实施提供有力的依据 . 本文总结了 HSPF 模型的发展过程、模 型的结构特 点, 分 析了该模型在国内外应用实例中的可靠性以及存在的问题. 最 后根据该 模型的 限制因 素, 指 出了应 用中的 改进方 向.
迄今为止, HSPF 模型是唯一一个可以模拟流域 内连续的水文和水力过程, 以及水质变化过程的模 型. 已被美国环保署列为推荐模型, 广泛用于区域的 水资源水环境模拟, 并取得了精确的结果, 为同类模 型中比较出色的. 表 1 是几个主要流域水文模型的 特征比较.
1 模型结构与基础数据库
111 模型的结构 HSPF 模型是目前综合模拟径流、土壤流失、污
枯水年的流量模拟值和实测值都较为接近, 但由于 河流点源数据的缺少, 使得 TN 的模拟 值和实测值 有一定的偏差[14] , 但并不影响其它水质组分的模拟 效果.
目前, 在我国也开始应用 HSPF 模型进行 流域 水文和水质研究. 邢可霞( 2004 年) 等采用 HSPF 模 型对滇池流域 1988 年、1989 年的水文、水质进行了 模拟, 定量地计算出 4 种污染物( SS、BOD、TN、TP) 的非点源污染负荷, 为流域非点源控制方案的实施 提供了科学的评估依据[ 9] . 梅立永等人在西丽水库 流域非点源污染模拟与仿真研究中, 应用 HSPF 模 型模拟了 2000 年、2004 年 7 月至 2005 年 6 月深圳 西丽水库流域水量和水质的连续动态变化. 根据河 流出口断面流量和污染物浓度校准与验证模型, 确 定最终输出流入水库的 SS、TN 和 TP 的总负荷量与 非点源负荷量, 并通过判决系数 r2、Nash- Sutcliffe 系 数等考察模拟值与实测值的吻合程度. 其河流出流 量验证期模拟值与实测值的 r2 和 ENS 分别为 0198 和 0159, 泥沙模拟值与实测 值的 r2 和 ENS 分 别为 0191 和 0177[ 16] . 在中国, HSPF 模型进行非点源污染 模拟的最大 限制是 实测数 据的 短缺, 从而 影响 了 HSPF 模型的模拟效果. 213 模型的集成与二次开发
染物传输、河道水力等过程, 以及水温、泥沙传输、营 养物和化学物相互反应的流域非点源污染模拟模型 之一, 包括 3 个主模块和 5 个应用模块, 能对透水地
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首都师范大学学报( 自然科学版)
2009 年
模型
流域类型
AGNPS 农业用地/ 未利用地
CREAMS 农业用地/ 未利用地
DR3MQUAL EPIC
关键词: 非点源污染, HSPF 模型, 模拟, 径流. 中图分类号: X 52
非点源污染( Non- Point Source Pollution) , 或称扩 散污染( Diffused Pollmion) 是指溶解性或固体污染物 在大面积降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引 起的水体污染, 其主要来源包括水土流失、农业化学 品过量施用、城市径流、畜禽养殖和农业与农村废弃 物等. 其污染排放的突出特点是: 不确定性强、时空 差异大、影响因素及作用 过程复杂、污染监测困难 等[ 1] .