hspf模型Word下载.docx

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HSPF,全称水文模拟模型,就是由美国国家环境保护局于1981年开发完成得.1998年,美国环保署又开发完成了一套基于GIS技术得整合式平台系统BASINS.该系统把HSPF模型集成在具有强大空间数据存储与处理能力得Arcview上,为HSPF自动提取模拟区域得地形地貌、土地利用、土壤植被、河流等数据,以及非点源污染负荷得长时间连续模拟提供了方便.发展至今,HSPF模型又集成了HSP、ARM、NPS等模块.它将常见得污染物与毒性有机物模拟纳入到模型中,能够实现多种污染物地表、壤中流过程及蓄积、迁移、转化得综合模拟.HSPF模型就是半分布式综合性流域模型得优秀代表.在国外已经被广泛应用于水、颗粒沉积物、营养盐、化学污染物、有机物质与微生物等得模拟研究,在我国,由于缺乏大量基础数据,对HSPF模型得研究还处于起步阶段.I8ltdJZ。

HSPF模型将模拟地段分为透水地面、不透水地面、河流或完全混合型湖泊水库三部分,其主模块包括透水地段水文水质模拟模块（PERLND）、不透水地段水文水质模拟模块（IMPLND）以及地表水体模拟模块（RCHRES）.三大模块下按照功能又分为水文模块、侵蚀模块与污染迁移转化模块等子模块,可以实现对径流、颗粒沉积物、营养盐、化学污染物、有机物质与微生物等得连续模拟（见图1）.olixYxw。

图1HSPF模型结构与功能

1、2模型基础数据库

模型需要得输入数据主要有:

（1）流域得数字高程模型（DEM）.用来划分子流域与确定出流路径;

（2）土地利用数据.主要用来计算植被生长、耗水与地表产汇流;

（3）土壤数据.用来计算壤中流与浅层地下水量;

（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,用来计算流量与蒸散发量n1;

（5）农业管理措施与水库与湖泊位置、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.SvvceBf。

1、3水文过程模拟

HSPF模型水文模块在非点源模型中就是最为完善得,它以StanfordIV机理模型为基础,将研究区域分为透水地面与不透水地面两种类型,针对不同地面水文过程进行模拟.模型将研究区域自上而下分为树冠层、植被层与各土壤层（包括表层土壤、上土壤层、下土壤层与地下水涵养层）.降水在这些垂直得存储层间进行分配.透水地面得模拟考虑降雨或降雪、截留、地表填洼、渗透、蒸散发、地表径流、壤中流与地下水流等水文过程.降雨或降雪被地面截留一部分,再扣除地表填洼、下渗、蒸发,最后形成地表径流.不透水地面得模拟考虑降雨或降雪、截留、蒸散发、地表径流.降雨或降雪经扣除屋顶集水、沥青变湿及植被截留后形成地表径流.降雨最终由地表径流、壤中流与地下水流进入河流、DRbZgtN。

1、4泥沙侵蚀模拟

相比目前很多模型釆用得通用土壤流失方程（USLE）,HSPF模型对泥沙侵蚀得模拟更具有机理性.它将侵蚀过程分为雨滴溅蚀、径流冲刷与径流运移等若干子过程,分别对其进行模拟.泥沙侵蚀模拟过程包括降雨对透水地面土壤得剥蚀,对不透水地面得冲刷以及地表径流对泥沙得输移过程.用于模拟泥沙剥蚀与迁移过程得数学方程就是基于Meyer与Wischmeier所提出得降雨对土壤表面侵蚀得算法.泥沙随水流得演进输移,HSPF模型采用Toffaleti、collby或幂函数法以及临界切应力原理进行模拟.泥沙得传输按照泥沙粒径大小,粉沙与粘粒得传输、沉降与冲刷根据临界剪切应力原理判断产生沉积或就是冲刷,沙粒得传输可以用Toffaleti、collby或幂级数函数法来计算、GmBbZBL。

1、5污染物迁移模型

HSPF模型污染物迁移模块考虑了污染物在多种环境介质之间得迁移转化过程,考虑了污染物在土壤中得状态、含量,及其受到各种物理化学过程及生物过程得影响,可以模拟输出BOD、DO、营养物、农药与微生物等多种污染物负荷.尤其对氮得模拟,模型综合考虑了溶解态,吸附态氮,有机氮与无机氮,氮素间得相互转化,以及氮素与环境介质间得迁移等多个过程.s8Y2n3i。

1、6模型得适用性

HSPF模型结合了分布式流域水文模型与其它非分布式流域模型得一些优点,就是一个可以模拟流域内连续得水文过程以及水质变化过程得模型.①模型集成于BASINS系统平台,实现了模拟区域地形地貌、土地利用、土壤植被、河流等数据得自动提取.与SWAT模型相比,它包含融雪模块,因此对冬季径流得模拟具有优势.②对于降雨径流,HSPF模型能够将降水径流过程按某一尺度进行空间划分,对每一区域降雨、下渗等过程分别进行动态与连续得模拟.③对于子流域,HSPF模型每个子流域间具有承接关系,并可根据不同需要调整子流域水文响应单元大小.既实现了分布式模拟,又能减少计算冗余,同时避免了类似分布式得结构假定函数与实际不符而造成得错误.④对于模拟尺度,HSPF模型主要用于农业与城市混合型得不同时空尺度流域,能够模拟时间尺度为小时得产汇流过程.模型中WD－Mutil软件可将现有气候气象数据进行衍生与扩充,延长了模拟时间序列、M2hN0KQ。

2国内外HSPF模型得研究进展

2、1水文过程与情景模拟分析

许多研究表明,HSPF模型在不同地区得水文过程模拟中均有很好得表现.Alarcon等利用HSPF模型模拟墨西哥湾北部MobileBay流域得水文过程,结果表现很好。

HSPF模型比FLO-2D模型在模拟洪峰流量与径流退水周期方面表现较好.Hayashi等成功整合HSPF与PRM（PaddyRunoffModel）与LDM（LakeDischargeModel）模型,进行了长江流域中下游地区得日径流模拟.Tzoraki等尝试用HSPF模型描述喀斯特流域水文.Kourgialas等也利用HSPF模型模拟了一个洪水频发得喀斯特河流流域得地表与地下水径流水文过程,模拟结果与野外观测数据具有很好得一致性.DiazRamirez等研究表明,HSPF能够用来模拟热带岛屿河流流域水文与泥沙输移过程.气候变化与土地利用变化对水文过程影响显著,HSPF可以模拟多种气候、土地利用变化情景对不同水文过程得影响.Gncü

等利用HSPF模拟表明,气候变化将导致土耳其西部河流、水库及流域得降雨径流季节变化更加显著.Choi等将土地利用变化模型与HSPF模型衔接起来,定量预测流域尺度河道径流对未来城市扩张得响应.Ferrari等利用HSPF模拟矿区开矿增加对洪水得影响,结果显示洪水规模线性增加.Cho等使用HSPF与MODFLOW,模拟Virginia流域8种土地利用情景对地下水位与河道径流得影响.Al-Abed与Abdulla等使用HSPF模型模拟约旦干旱地区Zarqa河流域得水文过程,评价半干旱流域潜在得降雨与气温变化对水平衡得影响,进一步分析不同管理措施与气候变化情景对流域水资源得影响。

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2、2水质过程与情景模拟分析

HSPF就是少数几个综合流域水文与水质模拟模型之一,能够模拟来自透水地面、不透水地面得泥沙、营养盐、农药、粪大肠菌群得贡献,以及在河道与充分混合水体连续水量、水质过程.如Ribarova等［29］以保加利亚Iskar河为例,研究表明HSPF模型对预测首次洪水营养盐浓度有很好得表现.Chang等利用HSPF模型与实测数据研究了台湾一个山地流域得水质与非点源污染负荷,表明大部分参数浓度雨季较高,尤其就是次降雨事件对P输出贡献较高.Hunter等研究了澳大利亚GreatBarrierReef河流域土地利用对悬浮物、氮、磷输出通量得影响.Alarcon等利用HSPF模型估算了河道流量及TN、TP浓度,进而分析密西西比滨海地区水文估算结果对土地利用数据及地形得尺度依赖性及敏感性.Duan等利用GIRAS与NLCD两种土地利用数据,使用HSPF模拟SaintLouis湾土地利用变化对水文与水质参数得影响,林地减少与裸地增加导致土壤侵蚀加剧,径流泥沙输出增大,水质恶化.Lee等研究表明HSPF在城市、农业、林地等单一及复合得土地利用小流域水质模拟中均有很好得表现.Mishra等研究表明,HSPF模型在模拟印度某小流域非点源污染物损失模拟中表现很好.Isleib等选择在波多黎各得LakeLoiza与LakeLaPlata两湖以及流域,模拟4个小得子流域磷与粪大肠杆菌,研究能否用于检验大尺度流域得假设.Jia等应用GLUE（GeneralizedLikelihoodUncertaintyEstimation）方法分析HSPF模拟水文与粪大肠菌群在Moore'

sCreek得迁移.Liu等使用HSPF模型,研究了小流域滨岸带土地利用变化对水文水质得定量影响.结果显示60m、90m、120m得滨岸森林或湿地缓冲区能够使年径流量减少0、26%～0、28%,硝态氮与亚硝态氮排放减少2、9%～6、1%,总磷排放减少3、2%～7、8%,研究表明HSPF就是模拟滨岸带土地利用变化非点源得有效工具、ZKsS1lt。

3、HSPF模型所存在得问题

HSPF以强大得水文模型为基础,模拟精度较高,因此,在许多国家得到了成功应用,现有得非点源模型参数比较多,基础数据要求严格,目前,国内对流域范围非点源污染模型得应用研究仍处于起步阶段,大部分停留在引用国外模型在部分流域应用得水平.但国内基础数据比较薄弱,模型引入与应用仍存在障碍.在我国得应用过程中还存在一些问题,主要有以下几个方面:

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1）土壤数据.HSPF模型就是针对北美得土壤、植被与流域水文结构来设计得,模型自带得土壤数据库与国内得土壤分类不同,土壤编码与名称也差别较大.我国现有得土壤数据属性达不到模型要求得精度:

模型中土壤剖面有10层,我国土壤数据只做到5层（100cm深度左右）,并且西部地区主要就是1:

100万得土壤图,仅东部地区有1:

50万得.HSPF模型采用得土壤粒径级配标准就是USDA简化得美制标准,而中国得土壤粒径级配标准与此不同.FvMAYlj。

2）植被数据.模型得土地利用数据库就是根据北美得植被类型分类,已经细分到植被得种类,与我国得土地利用分为6大类不一致,我国得土地利用数据不能直接利用,需要修改甚至需要实地观测采样,根据遥感影像重新解译等,工作量较大.模型计算中采用了生物量方法,需要模拟得一些植被需要用户添加属性参数,而这些参数大多需要实验研究或调查才能得到,对模型得推广应用十分不利.ME7Tjtk。

3）气象模拟误差.由于我国气象站点得不均匀性与观测资料不完整等原因,需要用到WDMUtil自动补充缺失资料,根据气温与太阳辐射得月平均值与标准差等补充缺失数据,随机阵得动荡性会造成数据不合理.因此,需要长系列得数据消减误差,消减气象模拟误差也就是模型需要改进得地方之一.CPCaeuI。

4）水质模拟中,污染物在多种环境介质之间得迁移转化,在物理、化学与生物作用得综合效应下,污染物行为得变化就是十分复杂得.由于还没有对污染物在各种介质之间得迁移过程有更充分得认识,现有得模型在处理实际问题时不得不对污染物在介质问得迁移过程作近似假设,许多参数得随机性给模型预测结果带来不确定性.pdhfVje。

4、HSPF模型得研究展望

4、1HSPF模型得研究方向展望

HSPF模型已经广泛应用于区域得水资源水环境模拟,并取得了精确得结果.未来,气候变化、土地利用覆被变化等情景模拟以及