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1、第 12 章 HSPF 模型12.1 概述HSPF（ Hydrological Simulation Program-Fortran）模型，是由美国环保署（EPA）开发的一个数学模型，用于较大流域范围内自然和人工条件下，水系中水文水质过程的连续模拟。HSPF 模型自研发以来，已被广泛应用于流域水文、水质模拟研究，包括气候及土地利用变化对流域产流的影响，流域点源或非点源污染负荷确定，泥沙、营养物质、杀虫剂传输模拟以及各种流域管理措施对河流水质的影响等方面的研究。本章主要介绍 HSPF 模型的基本原理，模型的改进，模型在径流模拟中的应用，并选择了实例对模型进行了论证，最后对模型进行了总结和展望。1
2、2.1.1 背景资料HSPF 模型的前身是 Stanford Watershed Model (SWM)模型，包括 HSP(Hydrocomp Simulation Program)、ARM (Agricultural Runoff Management)、NPS (Nonpoint Source) 模块。1980 年 HSPF(第五版)经美国环保署水质模拟中心第一次公开发布。模型一经发布，即被认为有可能是领域内最有价值的流域水文水质模型。HSPF 是早期三种模型的扩展和提高，这三种模型分别是：1）美国环保署农业径流管理模型ARM（Donigian 和 Davis 1978） ；2）美国环保署
3、非点源径流模型NPS（Donigian 和 Crawford,1979） ；3）水文模拟程序（HSP） （Hydrocomp，1977） 。在上世纪 70 年代末期，美国环保署意识到这些模型的连续模拟方法在解决许多复杂的水资源问题时有很重要的价值，因此，他们投入了大量资金来研发一个相当复杂的FORTRAN 程序，它包含了以上三种模型的功能，并进行了许多扩展，即 HSPF 模型。HSPF 将 ARM 和 NPS 模型综合到流域尺度框架内进行分析，选择了 HSP 中的基本的流域建模方法，将模型编码设计和结构进行发展，并且将所有的独立模型重新设计并在FORTRAN 中进行记录，以便结果能够被更广泛的
4、应用。HSPF 是一种综合、全面的流域水文和水质模型，能够完整地模拟陆面和土壤污染物径流过程和沉积物化学变化。从 20 世纪 80 年代到 90 年代早期，HSPF 经历了编码和算法的提高，产生了一系列的新编码。从 1981 年开始，美国地质调查局通过互相协作，研发软件工具来促进流域模型的输入，数据存储和数据分析以及模型的输出分析，包括水文校准帮助。美国地质调查局（USGS ）的产品 ANNIE，WDM 和 HSPEXP 极大的推动和简化了流域模型的应用，例如，ANNIE 软件数据分析和绘图技术的发展，WDM （流域数据管理）档案有效的替代了早期HSPF 版本中应用的时间序列存储（TSS）档案
5、。HSPF 从 1980 年发布以来，就在世界范围内广泛应用，其中美国北部应用的最为广泛。现在，模型成为美国环保署和地质调查局在流域建模和模型支持方面合作的焦点。在过去的一段时间内，伴随着模型的应用，模型的发展和改进使得模型的性能逐渐提高，并且奠定了它代表流域分析的技术发展水平的地位。表 12-1 HSPF 模型的发布进程年份 版本 评价/改进 文献198019811984198819931994567891011首次公开发布性能的提高GQUAL,SEDTRN,MUTSIN,GENER,DURANL 的增强特殊功能的增强，最初的 PC 版本WDM 执行，PC 版本分类沉积物营养物交互作用，大量
6、链接增加特殊功用，水的校准/计算，大气的沉积作用，HSPF/DSS 链接（COE ） ，新增了操作限制，森林氮气模块Johanson et al.(1980)Johanson et al.(1981)Johanson et al.(1984)应用指南（Donigian et al.,1984）CEAM 出版HSPF Rel.10 使用手册(Bicknell et al.,1993)不断更新12.1.1 性能综述HSPF 模型是模拟流域水文水质的模型,它由 Fortran 语言编写,可以模拟流域的水量和水质变化,预测径流、地表水、地下水中的污染物浓度,能计算常规和有毒的污染物浓度和模拟复杂非点源
7、污染传输过程。该模型还将流域比例模型 ARM 和 NPS 模型相结合,形成分析模块,并将地表和土壤污染物随雨水径流流动的过程(沉淀、内部化学作用等) 当作整体来模拟。HSPF 能够应用于大多数的流域，这些流域要求已有气象和水文数据，土壤和地形信息，以及土地使用、排水和系统特征。HSPF 对输入数据的要求与大多数简单模型没什么不同，在数据方面最主要的不同就是它要求的是长时间序列数据。典型的长时间序列记录包括降水量、超渗流量和标度数据，例如径流量和各组分浓度。HSPF 以强大的水文模型为基础,模拟精度较高,因此在许多国家得到了成功应用,但其对输入数据的要求也较高,需要给出连续降雨、蒸发、气温和日照
8、等的时间序列数据,同时也要有相应的连续水文水质监测数据来校正模型。从 HSPF 的输出结果可以得到雨水径流量、泥沙迁移量、营养物、杀虫剂、有毒物质和其它水质成分浓度的时间变化，以及流域内任一点水量水质的时间变化。该模型还可以模拟 3 种沉淀物类型(沙、淤泥、粘土) 和单一有机化学物和这类化学物质的迁移产物,在迁移和反应过程的计算中包括了水解、氧化、光分解、生物降解、挥发和吸附的作用。对于不明显的沉淀和孔隙中的水,该模型不能进行模拟。因为不同固体的悬浮和沉淀受到的限制条件不同,如:淤泥、粘土的悬浮和沉淀受水内部剪切力的限制,对于沙的输送能力依赖于颗粒粒径大小的分布情况。所以模型要求输入每个固体类
9、型的数据。HSPF 模型需要大量的数据,并且对数据的输入要求较高 ,以降雨、温度、日照强度、土地利用类型、土壤特性和农业耕作的方式为基本输入资料。因为 HSPF 是一个连续模拟程序,所以要求数据连续。需要的数据至少有连续的降雨记录,在驱动径流模块时,还要求有蒸发量、气温和光照强度等,但有些不重要的数据,可以采用适当的参考值来代替。HSPF 的最大缺陷就是假设模拟的地区对“Starford 流域水文模型”是适用的,并且假设了污染物在受纳水体的宽度和深度方向上是充分混合的,所以 HSPF 模型的实用受到了一定的限制。对水资源规划者来说 HSPF 是一个非常有价值的工具，因为它比大多数系统更加全面，
10、有利于进行有效的计划。首先，使用单一模型解决较大范围内的水质和水量问题非常灵活；其次，方便的数据管理特点节省了时间和金钱；最后，模型程序的结构特点使模型在特殊应用时对程序进行改变和增加变得容易。HSPF 是流域水文水质模型中最全面和灵活的一种。结合地表、土壤和河流过程，它能模拟流域中水文、水力和水质过程中连续的水文运动或者是定态的活动。这个模型能以合理的精确度展现较广阔流域内的水文特性。它被应用于不同的气候带，如加勒比海地区的热带雨林，沙特阿拉伯和美国西南部的干旱地区，美国东部和欧洲的湿润地区，以及加拿大东部的冰雪覆盖区等。模型潜在的应用是相当广泛的，包括：洪水控制设计和实施；水电研究；流域设
11、计；暴雨排水分析;水质计划和管理；点源和非点源污染分析；土壤侵蚀和沉积物运移研究；城市和农业最佳管理实践评价；杀虫剂、营养物质以及有毒物质的控制；时间序列数据存储，分析和演示等。12.2 HSPF 模型的基本原理12.2.1 原理综述在建立一个全面的模拟系统的时候，我们将流域看成是在某一确定的环境中运动和相互作用的一组成分，包括水，沉积物、化学物等，运动和相互作用称为过程。 原型是成分和过程的统一体，在计算机上对这样的系统进行模拟要求以离散的形式表现，一般通过对原型进行再分，分成节点和分区组成的要素。一个节点对应空间的一个点，因此空间变量函数的某一特值可以与其对应，例如渠道流速；分区与有限的空
12、间相对应，因此经常与空间变量的积分相对应，例如河道的存储量。要素是节点和/或分区的集合，下面的图形说明了HSPF中的这些概念。 图12-1 节点、分区和要素陆地部分对水文循环的反应通过“片段”要素进行模拟。A片段是假设来自同一个地区含有同一特性的一部分陆地。含有渗透表面的陆地称为“透水地段”（PLS）。PLS 中的成分用一系列分区来表示，没有节点（图a）。河段模拟成由位于两个节点间的一个分区组成的空间要素（图b）。流速和深度在节点处进行模拟；分区和存储量有关。图c表现了河口模拟中的一个二维空间有限要素。三个节点定义了三角形要素的界限。位于内部的第四个节点可以被认为是将要素细分成了三个分区。最后
13、一种类型最近没有在HSPF的模块中应用，我们这里只是用它来表现HSPF 模型的一般性。系统能够提供广泛变化的模拟模块。分区和节点组成要素时没有固定的规则来控制。模型的建立者必须决定什么样的分组合理并且有意义，这是基于他对需要模拟过程的认识。总之，定义要素使得现实世界的一大部分能够通过一些概念性的要素表现出来。通过这种方式，某一参数能够应用到组中的每一个要素中。因此，每一个要素是关于基本主题的一个变量。“要素类型”也变得有意义。例如，要素的“PLS”类型都包含相同的节点排列并且通过同一结构的参数表示出来。各个片段之间的变量只通过参数值的变化来表现。正如前面讨论的那样，节点经常用来定义分区和要素的
14、边界。一个有储藏特性的分区，含有入流和出流，这叫做“流量”。需要注意的是如果田间变量的节点值已知的话，就可以计算分区值（储藏量）。但是反过来就不成立。在模拟一个原型的时候，我们必须处理要素内发生的过程和要素间信息的传递。对于大的原型的模拟通过对已经给定的要素或者是要素组的类型设计一个“应用模块”，并将其反复的应用到系统中所有相同的成分中。当称之为“处理单元”（PU）的一个要素或者是一个要素组用来模拟长时间序列时，这种方法的计算结果是非常好的。为了达到这个目的，我们必须定义处理结果使得任何一个PU要求的全部信息来自于系统外部或者是PU已经模拟的结果中。PU和它们的连接通量形成一个或者更多的网，我
15、们称之为指导图。在一个指导图中没有双向路径和循环。相互作用的要素必须分到同一个PU中，因为其中的任何一个都不能与其它的分离开单独进行模拟。因此，我们有单要素和多要素PU。一个PLS 是单要素的例子，而通过流动公式对沟渠网络进行模拟是多要素的一个例子。一个多要素的PU同样被认为是反应区。在给定的运转中进行模拟的PU的集合称为网络。在PU内部发生的过程通过应用模块的计算来表现，HSPF 中相应的计算代码称为应用模块或者是模拟模块。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 3 部分,分别对 3 种不同性质的地表水文和水质过程进行模拟。 3 个大模块下面又可以分为若干
16、子模块( 图 12-2),实现对泥沙、BOD、DO、氮、磷、农药等污染物的迁移转化和负荷的连续模拟。 图 12-2 HSPF 模型结构示意图HSPF 模型属于半分布式模型，使用时首先需要将研究区域划分为不同的子流域，子流域划分的主要依据是河流水库所控制的自然流域范围。模型需要输入的数据有两类，第一类是包括降雨量、蒸发量、大气干湿沉降等；第二类是各子流域与土地利用类型相关的土壤性质、植被覆盖和地形等参数。Bicknell等曾对 HSPF模型进行了详细论述，并总结了使用11.0版本的HSPF对水文和泥沙传输过程进行模拟的有关结果。HSPF模型是在斯坦福流域模型IV的LANDS 子课题的算法基础上建立的。 “水文响应单元”(HRU ,Hydrologic Response Unit) 将流域根据雨量站及流域特征划分成若干个单元面积,当单元面积小到一定程度时,即可认为具有水文要素上的均一性,将其作为模拟输入输出的基本单元。HSPF水文反应单元（HRU）的建立是通过将流域划分为同质的水文和水质反应单元，土壤层在每个HRU上被
