HSPF模型及其在非点源污染研究中的应用

HSPF（Hydrological SimulationProgram-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．     

GIS在农业非点源污染模拟研究的应用

农业化学物质和侵蚀引起的泥沙物质迁移、归缩的模拟及污染物在空气、水、土壤等多介质、多相物质中的迁移、转化等物理、化学和生物过程,重点分析了GIS在非点源污染模拟中的应用途径以及流域水文参数提高等方面的应用,并说明了目前两者结合研究的不足之处。     

基于气象水文水动力耦合模型的流域尺度洪水预报方法： 以北江流域为例

针对中小流域目前径流和淹没预报难度较大且精度偏低的问题,本文以北江流域为研究对象,构建降雨径流-洪水淹没模型。在非耦合情况下,基于WRF-Hydro模式构建北江流域水文模型,通过对主要参数率定,优化了WRF-Hydro水文模型,模拟了流域的产流、汇流等水循环关键要素。在耦合情况下,将WRF-Hydro模式模拟的径流过程作为CaMa-Flood模型的边界条件,从而实现对整个流域的洪水淹没模拟。研究结果表明：在经过参数率定的WRF-Hydro水文模型中,针对验证期的5场典型洪水事件,皮尔逊相关系数均高于0.8,纳什效率系数在0.52至0.71之间,在预报期的三个洪水事件中,洪峰的平均误差为22.2％。在水文水动力模型耦合后,能够准确地捕捉洪水淹没与降雨强度、洪水流量变化之间的关系,进而提供洪水发生后洪泛区的淹没深度和范围等关键信息。本文构建的降雨径流-洪水淹没模型能够适用于地形复杂、降雨时空分布不均匀的北江流域,为类似半湿润流域的洪水预报提供了有益参考,同时也为水文水动力模型耦合的研究奠定了基础。     

东江流域土地利用变化对径流的影响分析

将流域水文模型HSPF与元胞自动机-马尔科夫(CA-Markov)土地利用预测模型结合,定量评价了东江流域未来土地利用变化的径流响应;并且模拟分析了不同降雨情景下土地利用变化的水文响应。结果表明:HSPF模型可以较好的模拟东江流域的月径流过程,可用于东江流域长期水文变化的评价与研究;未来土地利用变化引起的总径流的改变较小但是地表径流的变化较显著;未来土地利用变化情景下高、低流量值都有所增长,随着城镇建设用地面积比例的进一步增加高流量值随之增长而低流量减少;随着降雨量的增加,径流对于未来土地利用变化的响应程度减弱,降雨量减少,未来土地利用变化的水文效应增强;总的来说,4种降雨情景下未来土地利用变化对总径流的影响都不大,但是对地表径流有较显著的影响。研究过程和结果可为东江流域水资源规划及相关管理决策提供参考。     

基于水文水质资料的非点源输出系数模型参数确定方法及其应用

非点源污染模型是目前开展非点源污染研究的主要手段.针对非点源污染模型中的输出系数模型,提出了一种基于历史水文水质资料的参数确定方法.该方法通过在研究区中筛选若干个小流域,根据污染物质量守恒原则,得到各营养源的输出系数.该方法对长江上游2000年的总氮(TN)负荷模拟值为156.19万t,其与实际监测值的相对误差为21.90%,这对于长江上游这样的超大流域而言,模拟精度在可接受范围内.本文提出的参数确定方法简便可行,对参数要求低,且精度较好,适合于对我国非点源污染监测资料缺乏地区以及大中尺度流域的非点源污染负荷研究,因此具有其理论和现实意义.     

漠阳江流域水环境容量的时空分布特征研究

针对实测径流资料较缺乏的漠阳江流域, 通过流域水文模型HSPF(hydrological simulation program-Fortran)模拟各支流和子流域详细的径流时空特征, 利用一维稳态水质数学模型计算不同时间和空间上化学需氧量(COD)和氨氮的水环境容量。结果表明: 1) 在漠阳江流域, HSPF模型对年与月径流模拟的相对误差小于15%, Nash-Sutcliffe系数大于0.9; 水质模型的相对误差在 10%左右, Nash-Sutcliffe 系数大于0.8; 2) 在90%, 50%和10%保证率下, 漠阳江流域COD的环境容量分别为16.45, 21.84和24.97 万t, 氨氮的环境容量分别为0.51, 0.88 万t 和1.14 万t; 受径流季节波动影响, 枯水期与丰水期季节水环境容量差异明显; 1月份的水环境容量及其变差最小, 6月份的水环境容量及其变差最大; 3) 空间分布上, 漠阳江干流流域承载力较大, 一级与二级支流的承载力较小。因此, 在水文资料缺乏的流域, 可基于HSPF模型模拟的水文条件, 开展水环境容量的时空分布分析, 为水环境容量总量控制方案的制定提供指导。     

基于模拟软件及petri网模拟仿真的水环境评估与监控预警新技术

随着流域水环境质量日益恶化及当前水资源短缺危机日渐严重,流域水环境的治理改善、污染防治监控已刻不容缓。提出了一种较新颖的流域水环境评估及监控预警技术,探讨了ArcGIS、流域模型模拟软件DHI-MIKE及Petri网模拟仿真技术在水环境质量评估及监测预警中的应用。通过ArcGIS及DHI-MIKE软件模拟技术的联用,分析模拟了某段河流流量及BOD浓度等水文水质指标随时间变化的一维和二维动态效果图,实现对流域水环境的现状及风险评估;采用Petri网技术对流域附近某一畜禽养殖企业工艺流程及末端污染物排放进行了统计模拟,实时监测工业点源向流域水环境的排污情况,为流域水环境的改善及综合管理提供了技术支撑与保障。     

改进的输出系数法在农业污染源估算中的应用

农业污染源是非点源污染的重要来源,了解农业污染源现状是研究流域非点源污染的前提.该文考虑了降雨和地形特征对污染物迁移的损失,并给出了降雨与地形特征对流域农业源污染损失系数的确定方法,研究了改进的输出系数模型.将改进的输出系数模型应用于鄱阳湖流域的4个小区域内,并分别计算4个小流域的降雨和地形特征影响因子,对各种污染物输出系数进行率定和验证,使改进后的输出系数模型更符合农业源污染物运动机理,通过计算发现,部分模拟精度有所提高,并得到了一组适合鄱阳湖流域农业源非点源污染物的输出系数,将其应用到整个鄱阳湖流域的农业源污染物的快速估算,为鄱阳湖流域非点源污染控制提供了科学依据.     

流域尺度的景观-水质模型研究进展

景观-水质关系的定量化研究对非点源污染评价非常重要。发达国家已推出许多功能强大的流域水文水质模型,为研究景观-水质机理提供了有效工具。在景观生态学领域,大多采用经验模型研究景观指标与流域水质间的关系,所采用的景观指标主要有土地类型面积比例、地形特征、廊道特征等,也有一些专门针对水质过程的格局指标;建模方法以线性模型中的回归分析为主。未来的机理模型将更多地考虑不同尺度模型之间的联系,经验模型将会重视广义线性模型方法的应用。鉴于异速生长权度指标已成功运用在许多研究领域,在刻画系统等级特征方面显示出了巨大潜力,有可能为研究景观-水质关系提供新途径。     

城市暴雨内涝水文水动力耦合模型研究进展

城市地表是暴雨内涝水文与水动力过程的共同载体,水流运动是水文与水动力过程的共同形式,故暴雨内涝水文与水动力过程存在极为复杂的耦合关系.从城市暴雨内涝水文水动力耦合模型构建的角度,综述了城市暴雨内涝水文水动力学机制、数学模型及其求解方法的研究进展,总结了各种模型及方法的优缺点,指出了水文驱动水动力模型与水文水动力耦合模型的本质区别,并探讨了城市暴雨内涝水文水动力自适应耦合建模方法及高性能计算技术.     

基于土壤地形指数和下垫面水文分区的流域模型参数率定

针对流域水文响应会受到地质、地形、地貌、植被、土壤等自然地理因素以及土地利用等下垫面因素综合作用的特点,根据流域下垫面的地理特征进行水文响应分区。借助遥感资料对流域下垫面进行分类并获取土地覆盖/土地利用信息,结合流域土壤类型数据与地形指数推求流域的土壤地形指数。进一步地,利用遥感分类信息和土壤地形指数进行流域的水文分区,率定各个水文分区SCS模型的参数CN值并进行水文模拟,结果表明,屯溪流域21次和东湾流域32次洪水径流模拟相对误差均比传统方法的小。     

太湖流域典型丘陵区分布式水文模拟

针对水文过程对降雨、土壤、植被、地形等参数的空间变化十分敏感且具有很强的时空变异性的特点,应用基于物理机制的分布式水文模型系统模拟太湖流域典型丘陵区的次降雨事件水文响应过程.该模型耦合了垂直方向的水流运动(土壤水、河道-地下水水量交换)与水平方向的水流运动(坡面流、河道汇流、地下水流)过程.在产流模块中分别采用了经验的SCS曲线数方法和具有物理机制的Green-Ampt方法.结果表明,模型能较好地模拟研究区域降雨事件的水文响应过程,Green-Ampt方法的模拟结果优于SCS曲线数方法的模拟结果.     

黄土高原地区中小尺度分布式水文模型

在考虑了降雨和地形特性基础上开发研究了适用于干旱半干旱地区的中小尺度分布式水文模型(THIHMS-SW),依据黄土高原水土保持措施的建设原则,将土壤表层离散为不等厚的数层进行饱和非饱和土壤水分运动数值计算。采用所建模型,对相对天然状态下的岔巴沟流域进行了连续3a的模拟计算。除个别洪峰及较小流域外,得出的模拟计算效果在整个流域范围内均较好,相关系数达到0.84,Nash效率系数达到0.70,峰现时间及最大洪峰流量都得到较好再现。结果表明,模型在黄土高原地区具有较好的适用性。     

基于水文模型的缺资料流域设计洪水计算

从流域降雨径流物理机制出发，选取不同水文气象分区的4个缺资料小流域，基于暴雨衰减公式进行设计降雨过程计算，结合流域下垫面特征推求模型参数，构建流域水文模型实现设计洪水计算，并将水文模型法计算结果与推理公式法进行比较。结果表明：水文模型法得到的设计洪水与推理公式法相似(洪峰、洪量相对误差均不超过30%);水文模型法考虑了土壤下渗能力随着降雨过程的变化情况和流域内各点汇流过程的不确定性；水文模型参数的时空分布不均匀性更加符合流域实际的产汇流规律，提升了复杂情况下设计洪水计算的可靠性。     

汾河太原城区段水质模型的建立

根据汾河太原域区段水文、水质及污染物的迁移输送特点,建立水质模型,确定该河段环境容量,为全面推行水污染物排物讦可证制度.尽快实施水污染物总量控制奠定基础.     

太湖限制排污总量及其管理应用研究

污染物总量控制是指导流域污染源治理和改善湖泊水环境质量的重要措施,基于特定水文条件计算得到的总量控制成果,尽管应用偏安全,却无法反映自然水文过程的动态变化,也不适应污染源全面控制的需要,因此进行湖泊限制排污总量动态变化分析并提出环湖分区入湖水质浓度控制要求,既适应了湖泊自然变化特征,又可以满足流域污染源全面控制与入湖污染负荷定量化管理的实际需要。本文分析了湖泊纳污能力的动态变化特征,提出选择典型水文年和将湖泊与环湖河道作为一个整体进行模拟是进行湖泊限制排污总量核算的关键,并以枯水年作为代表水文年,采用二维数学模型进行了近期太湖纳污能力动态变化模拟及限制排污总量核算,并基于近期太湖限制排污总量研究成果,提出环太湖分区逐月入湖水质浓度的平均值在经过简单的技术修正后,可作为近期太湖各分区入湖河道的水质控制浓度要求,为太湖流域近期水环境定量化管理提供了技术支撑。     

SWAT模型的水量平衡及其在梭磨河流域的应用

SWAT模型是一种基于GIS基础之上的分布式流域水文模型,近年来得到了快速的发展和应用。SWAT模型能够利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程,如水量、水质、以及杀虫剂的输移与转化过程。主要介绍SWAT模型水量平衡模块的原理和结构,并在梭磨河流域应用,旨在揭示梭磨河流域的气候波动和土地覆被变化对流域径流的影响。结果表明,20世纪60—90年代,梭磨河流域的径流变化中,由气候波动引起的约占3/5～4/5,由土地覆被变化引起的约占1/5。     

抚仙湖集水域径流过程的观测与模拟

抚仙湖集水域的径流过程包括河道径流、坡面散流和地下径流,各径流间发生水量交换,且同时向湖泊输送污染物。针对这一特点,提出以整体水文过程思路建立径流及物质输移模型,以完整统一的模型模拟整个集水域的径流过程及污染物入湖路径。模拟方法考虑各径流之间的水量交换,能定量区分各径流量及各径流分别向湖泊输送的物质数量,可望深层次地揭示湖泊集水域的径流系统及物质输移路径。设计了相应的野外观测方案,对各径流及降雨量作同步连续观测。观测数据显示,该集水域降雨强度分布不均匀;河道径流量与降雨相关性强,表现出暴涨暴落的特点,反映了山区河道径流特征;北岸农田区地下水埋深较浅,表层土体松散,接受良好的降雨补给。这些成果为观测方案的进一步细化和模型建设提供了可靠的依据。     

新安江模型参数全局优化研究

采用单纯多边形进化算法对3个气候与流域条件各不相同的流域的新安江模型计算参数优化问题进行了研究．结果表明：对于没有误差的水文资料,采用单纯多边形进化算法,可以优化出新安江模型的全部参数并使参数收敛到真值;对于实测的水文资料,由于模型参数之间的共线性,固定参数B与EX,可同时率定模型其他参数,随着实测资料系列的增加,率定参数值将趋于稳定．