HSPF模型综述

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1、HSPF模型综述1.模型概述1.1模型介绍HSPF，全称水文模拟模型，是由美国国家环境保护局于1981年开发完成的．1998年，美国环保署又开发完成了一套基于GIS技术的整合式平台系统BASINS．该系统把HSPF模型集成在具有强大空间数据存储和处理能力的Arcview上，为HSPF自动提取模拟区域的地形地貌、土地利用、土壤植被、河流等数据，以及非点源污染负荷的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．它将常见的污染物和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、转化的综合模拟．H

2、SPF模型是半分布式综合性流域模型的优秀代表．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、有机物质和微生物等的模拟研究，在我国，由于缺乏大量基础数据，对HSPF模型的研究还处于起步阶段．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（RCHRES11）．三大模块下按照功能又分为水文模块、侵蚀模块和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、有机物质和微生物等的连续模

3、拟（见图1）．图1HSPF模型结构与功能1.2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n1；(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．1.

4、3水文过程模拟11HSPF模型水文模块在非点源模型中是最为完善的,它以StanfordIV机理模型为基础，将研究区域分为透水地面和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、植被层和各土壤层（包括表层土壤、上土壤层、下土壤层和地下水涵养层）．降水在这些垂直的存储层间进行分配．透水地面的模拟考虑降雨或降雪、截留、地表填洼、渗透、蒸散发、地表径流、壤中流和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．不透水地面的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

5、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、壤中流和地下水流进入河流.1.4泥沙侵蚀模拟相比目前很多模型釆用的通用土壤流失方程（USLE），HSPF模型对泥沙侵蚀的模拟更具有机理性．它将侵蚀过程分为雨滴溅蚀、径流冲刷和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的剥蚀，对不透水地面的冲刷以及地表径流对泥沙的输移过程．用于模拟泥沙剥蚀和迁移过程的数学方程是基于Meyer和Wischmeier所提出的降雨对土壤表面侵蚀的算法．泥沙随水流的演进输移，HSPF模型采用Toffaleti、collby或幂函数法以及

6、临界切应力原理进行模拟．泥沙的传输按照泥沙粒径大小，粉沙和粘粒的传输、沉降和冲刷根据临界剪切应力原理判断产生沉积或是冲刷，沙粒的传输可以用Toffaleti、collby或幂级数函数法来计算.111.5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的迁移转化过程，考虑了污染物在土壤中的状态、含量，及其受到各种物理化学过程及生物过程的影响，可以模拟输出BOD、DO、营养物、农药和微生物等多种污染物负荷．尤其对氮的模拟，模型综合考虑了溶解态，吸附态氮，有机氮和无机氮，氮素间的相互转化，以及氮素与环境介质间的迁移等多个过程．1.6模型的适

7、用性HSPF模型结合了分布式流域水文模型和其它非分布式流域模型的一些优点，是一个可以模拟流域内连续的水文过程以及水质变化过程的模型．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、河流等数据的自动提取．与SWAT模型相比，它包含融雪模块，因此对冬季径流的模拟具有优势．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和连续的模拟．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

8、了类似分布式的结构假定函数与实际不符而造成的错误．④对于模拟尺度，