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12HSPF模型
第12章HSPF模型
12.1概述
HSPF(HydrologicalSimulationProgram-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。
12.1.1背景资料
HSPF模型的前身是StanfordWatershedModel(SWM)模型,包括HSP(HydrocompSimulationProgram)、ARM(AgriculturalRunoffManagement)、NPS(NonpointSource)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Davis1978);
2)美国环保署非点源径流模型——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。
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12-1HSPF模型的发布进程
年份
版本
评价/改进
文献
1980
1981
1984
1988
1993
1994
5
6
7
8
9
10
11
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
Johansonetal.(1980)
Johansonetal.(1981)
Johansonetal.(1984)
应用指南
(Donigianetal.,1984)
CEAM出版
HSPFRel.10使用手册
(Bicknelletal.,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,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。
12.2HSPF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12-2HSPF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,HydrologicResponseUnit)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上被垂直划分为3个层次(上层存储层、下层存储层和活动地下水存储层),每个径流量和蒸发量值由每个存储层的湿润度计算得到。
在水文过程中考虑了3种类型的水文径流因子——地表径流、混合径流和地下水径流,每部分径流体积是由每个区域的存储体积的非线性函数获得的。
HSPF使用大量参数来模拟流域的水文过程,其中最重要的参数如表12-2所示。
在给定河流段由HRU得出的径流因子和物理参数被用来模拟整个流域的径流量。
表面积、河段容量和一系列选定平均水深的流量由基于每个河段的一维运动波理论的表获得。
HSPF模拟了出现在单一河段或者完全混合了湖泊的水文过程,它假设通过一段河段和水库的水流是单向的,并且从上游进入河段,同时还考虑了在整个河段中的降水、蒸发和其他通量的影响过程。
表12-2HSPF水文因子的重要参数
参数
描述
单位
INFILT
IRC
INTFW
UZSN
LZSN
LZETPb
AGWRC
KVARY
INFEXP
INFILD
指数范围内假想储量
渗透衰减参数
渗透流入参数
上游地区的假想储量
下游地区的假想储量
下游地区蒸发散参数
地下水衰减速度
地下水衰减量
渗透指数
渗透指数最大值与平均值比率
mm/h
d-1
mm
mm
d-1
mm-1
水文模块采用斯坦福Ⅳ模型计算径流量.侵蚀模块采用具有机理性的土壤侵蚀模型,将土壤侵蚀分为雨滴溅蚀、径流冲蚀和径流运移等若干子过程。
而污染物的迁移转化模块则考虑了氮、磷、农药等污染物的复杂平衡过程。
美国环保署1998年开发的BASINS软件为HSPF模型所需空间数据的提取提供了一个平台。
该软件把HSPF模型集成在Arcview上,利用Arcview对空间数据的存储和处理能力,HSPF可以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。
HSPF模型在美国、澳大利亚、韩国、德国、中国等许多国家的水文水质问题研究中都得到了应用。
HSPF包含三个应用模块和五个效用模块。
三个应用模块模拟流域的水文/水力和水质要素,效用模块用来利用和分析时间序列数据。
表12-3总结了HSPF模型的要素和性能。
表12-3HSPF效用模块
COPY
PLTGEN
DISPLY
数据传递
地区数据
列表、概括
DURANL
GENER
MUTSIN
持续期
转换或者
输入连续的时间序列数据
分析
联合时间序列数据
表12-4HSPF应用模块
PERLND
IMPLND
RCHRES
雪
雪
水力学
水
水
Conservative
沉积物
固体物
温度
土壤温度
水质
沉积物
水质
nonconservative
杀虫剂
BOD/DO
氮
氮
磷
磷
示踪剂
碳/pH
浮游生物
HSPF模型中的三个应用模块和它们的主要功能如下:
PERLND——模拟流域内渗流区径流和水质要素。
IMPLND——模拟流域内非渗流区径流和水质要素。
RCHRES——模拟河床河道和混合水库的径流运动和相关水质要素。
12.2.2PERLND模块
由于PERLND模拟渗流区的水量和水质过程,因此它是HSPF中最经常使用的部分。
为了模拟这些过程,PERLND模块通过三种路径模拟水的运动:
地表径流,壤中流和地下渗流。
这三种在时间上的延迟以及水与溶质之间的相互作用都是不同的。
一系列的存储区用来表现发生在陆地表面和土层中的过程。
雪的积聚和融化同样包含在PERLND模块中,影响径流的发生以及水质要素的整个物理过程都能够被全面的表现出来。
PERLND模块的模拟包括:
1)水量平衡和径流组成
2)积雪和融水
3)沉积物的产生和移动
4)氮和磷的运移
5)杀虫剂的运移
6)示踪化学物质的运动
图12.2定义了PERLND模块的结构和内容。
模型模拟大气温度与高度的函数关系(ATEMP),积雪和融水(SNOW),水量平衡(PWATER),沉积物产生和运移(SEDMNT),土壤温度(PSTEMP),地表径流水温度和气体浓度(PWTGAS),普遍水质要素(PQUAL)溶质运移(MSTLAY),农药(PEST),氮(NITR),磷(PHOS)和示踪剂(TRACER)。
ATEMP对输入的平均大气温度进行修正,来解决气象站和地段之间海拔不同造成的温度差异。
这个模块在PERLND和IMPLND中都有使用。
AIRTMP=GATMP–LAPS*ELDAT(12.1)
其中:
AIRTMP=修正气温(F)
GATMP=测量气温(F)
LAPS=下降率(F/ft)
ELDAT=地段和测量点之间的高度差(ft)
SNOW使用气象数据(降水量、大气温度、太阳辐射、露点、风向运动)来确定降雨还是降雪,模拟积雪场的能量平衡,确定积雪场的热通量。
这些过程,例如积雪的消融和增加,积雪场的减少,积雪场的压紧,蒸发,大气热交换;在积雪内部雪、冰和水的发生;以及由于地热生成的融水通过一个综合的物理经验公式进行模拟。
降雨引入积雪场中的的热量传递(RNSHT)使用下面的公式进行计算:
RNSHT=(AIRTMP-32.0)*RAINF/144.0(12.2)
其中:
AIRTMP=大气温度(F)
RAINF=降雨量(英寸)
144.0=转化成相等融化深度的因数
32.0=冻点(F)
积雪场的温度通过下面的公式估计:
PAKTMP=32.0-NEGHTS/(0.00695*PACKF)(12.3)
其中:
PAKTMP=积雪场的平均温度(F)
NEGHTS=负的热量存储
PACKF=积雪场的固定容量
0.00695=转换因数
PWATER用来计算在透水地区由于降水形成的水量平衡组成,因此,它是PERLND模块中的关键构成。
HSPF中的水量平衡的基本计算是斯坦福流域模型(Crawford和Linsley,1966)。
像SNOW编码一样,PWATER编码使用物理经验公式来模拟水量平衡中水的运动。
PWATER把这些过程分为蒸腾、表面截流、地表径流、渗流、壤中流、基流和渗透至深层地下水的过程。
PWATER中有很多子程序,用来计算模拟过程中的变量。
其中主要的子程序列表如下:
表12-5PWATER中的主要子程序及其作用
名称
功能
ICEPT
模拟截流过程
PROUTE
模拟在一个模拟间隔内产生了多少径流
INTFLW
确定壤中流的量
GWATER
确定进入深层地下水的量以及活动的地下水量
EVAPT
模拟蒸腾作用
在每一个子程序的变量计算中,都有与其相对应的公式,这里不再一一列举。
SEDMNT编码中沉积物产生和移动的方程式是建立在ARM和NPS模型的基础之上的,是Negev在1967年给出的土壤和集水区侵蚀方程的修正。
沉积物模型中的许多参数都来源于通用的土壤流失方程(Wischmeier和Smith,1978)。
沉积物由于水分运动产生的运移模拟成沉积物存储的分离和土壤基质的冲刷。
壤中流模拟成降雨,地表覆盖、土地管理实践和土壤流域特性的函数。
如果模拟足够详细,壤中流还能够增加上游地区侧向输入量,净增加量。
流域沉积物运移和地表径流引起的土壤基质冲刷经验上模拟成地表水存储和地表水出流的函数。
模拟分离物的方程为:
DET=DELT60*(1.0-CR)*SMPF*KRER*(RAIN/DELT60)**JRER(12.4)
其中:
DET=降雨从土壤基质中分离的沉积物(吨/英亩/时间间隔)
DELT60=小时/间隔数
CR=土地被雪和其他覆盖物覆盖的比例
SMPF=支持的管理活动因数
KRER=基于土壤特性的分离系数
RAIN=降雨量(时间间隔内)
JRER=基于土壤特性的分离指数
图12-3PERLND模块结构图
PSTEM通过计算溶解气体和农业化学药物浓度来模拟一个地段表层和表层下的土壤温度。
表层土壤温度通过大气温度方程的一个回归方程进行估算。
表层下土壤温度也可以通过回归的方法,即从大气温度出发加上滤波因素,或者是模拟者指定的确定的时变值。
SLTMP=ASLT+BSLT*AIRTC(12.5)
其中:
SLTMP=表面土层温度(C)
ASLT=Y-截距
BSLT=斜率
AIRTC=大气温度(C)
PWTGAS估计径流、壤中流和地下出流的水温。
每一种地下出流的水温被认为和本土层土壤的温度相同。
PWTGAS通过经验公式计算地表径流的氧气和二氧化碳浓度。
SODOX=(14.652+SOTMP*(-0.41022+
SOTMP*(0.007991-0.000077774*SOTMP)))*ELEVGC(12.6)
其中:
SODOX=在地表径流中溶解的氧气浓度(mg/l)
SOTMP=地表径流温度(degreesC)
ELEVGC=海拔修正因数
SOCO2=(10**(2385.73/ABSTMP-14.0184+0.0152642*ABSTMP))*
0.000316*ELEVGC*12000.0(12.7)
其中:
SOCO2=地表径流中溶解的二氧化碳浓度(mgC/l)
ABSTMP=地表径流温度(K)
PQUAL通过上一地段水和沉积物产量之间的简单关系,模拟出流(地表和地下)的综合水质要素。
地表出流要素的变动相对于地下流要素的变动要更加复杂和多变。
地表出流量可以通过编码被以下方法模拟:
(1)通过潜在因素模拟得出与SEDMNT计算的沉积物运移相关的要素浓度;
(2)地表各要素的储量在考虑积累、损耗和运移的情况下能够被模拟,以及要素被地表径流冲刷的首次冲刷率能够被PWATER计算。
此外,两个方法都能够用来表示微粒的冲刷运动和某一特定污染物的成分。
PERLND中剩余的五个编码部分一起用来模拟土壤养分的运动(例如氮和磷)和不起反应的化学示踪成分(例如氯化物)。
这五个编码部分被叫做AGCHEM模块,因为它们在数据方面的主要用途是模拟农业化学成分的出流和质量平衡。
MSTLAY估计表层、上层、下层和地下水四个土壤层中的湿度的存储和通量,它通过剩余的四个编码部分来定义土壤层。
由于PWATER计算的湿度的存储和流出必须被修正才能有效的模拟土壤中的溶解运动,所以MSTLAY是必需的。
在对溶质流动进行估算时,假设溶质运移的浓度即为储存的浓度;假设土层中为均匀流并且溶质是连续混合的。
PEST通过三种方式模拟土壤和上层区域中农药的运动:
溶解、吸收和结晶。
PEST编码利用PERLND的其他部分(例如PWATER、SEDMNT、MSTLAY)生成的时间序列数据来计算运移(流出和过滤),吸收和降解。
农药的运动模拟成水流的函数,或者与沉积物运动相关。
对与表层沉积物冲刷运动相关的农药的运动进行估计。
吸收和降解是化学物质和土层特性的函数。
如果大气的沉积物数据输入到模块中,则杀虫剂通过下面的公式来确定:
SPS=SPS+ADFX+PREC*ADCN(12.8)
其中:
SPS=表面的杀虫剂含量(质量/面积)
ADFX=大气沉积物通量(质量/面积每时间间隔)
PREC=降雨深
ADCN=大气沉积物净浓度(质量/体积)
NITR编码部分模拟硝酸盐、氨和有机氮的运输以及土壤对它们的反应。
硝酸盐和溶解的铵转化成水流的函数;有机氮和吸收的铵随着沉积物的冲刷从表层土壤贮量中被带走;土壤水中的硝酸盐和铵通过MSTLAY计算
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