12HSPF模型

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。

12.1.1 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 12-1 HSPF模型的发布进程

年份 1980 1981 1984

1988 1993

1994

版本 5 6 7 8 9 10 11

评价/改进

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

文献

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。

12.2 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12-2 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 12-2 HSPF水文因子的重要参数

参数 INFILT IRC INTFW UZSN LZSN LZETPb AGWRC KVARY INFEXP INFILD

描述

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

单位 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12-3 HSPF效用模块

COPY 数据传递

DURANL 持续期 分析

PLTGEN 地区数据

GENER 转换或者 联合时间序列数据

DISPLY 列表、概括

MUTSIN

输入连续的时间序列数据

IMPLND 不透水地面上的计算 ATEMP 同PERLND模块 SNOW 同PERLND模块 WATER 模拟不透水地面水量平衡 SOLIDS 积累和运移固体 IWTGAS 模拟水温和溶解气体含量 IQUAL 通过固体和水量之间的简单关系模拟水质要素 图12-5 IMPLND模块结构图

12.2.4 RCHRES模块

RCHRES用来将PERLND和IMPLND通过河网和水库模拟的径流量和水质要素进行排序。模块模拟了在一系列封闭或开放的河流河段或者是一个完全的混合湖中发生的过程。流动模拟成单向的。可被模拟的过程包括：水力运动；决定水温的热平衡过程；无机沉积物颗粒的沉积、冲刷和运移；化学分离，水解，挥发，氧化，生物降解，腐烂，明显的化学/代谢物转化；DO和BOD平衡 ；无机的氮和磷的平衡；浮游生物数量；pH值，二氧化碳，无机碳总量和碱度。

RCHRES 模拟一个河段或者混合型水库 HYDR 模拟水力运动 ADCALC 估计要素的平流运动 CONS 模拟保守要素 HTRCH 模拟热量交换和水温 SEDTRN 模拟无机沉积物 GQOAL 模拟一般水质要素 RQUAL 模拟生化过程中转化的要素 图12-6 RCHRES模块结构图

图12-5定义了RCHRES模块的结构和内容。模块展示了单独的参数，水力模拟（HYDR），平流要素(ADCALC)，保守要素(CONS)，水温(HTRCH)，无机沉积物(SEDTRN)，综合水质要素(GQUAL)，生化转化过程中确定的要素(RQUAL)和矿山酸性排水现象(ACIDPH)。由于ACIDPH 编码部分还没有进行完全的现场试验，因此在第十版中并没有进行定义，在表中也并没有给出。

HYDR模拟开放性河道中的某一河段或者是一个完全混合湖中发生的过程。水力运动通过运动波假定模拟。一个河段全部的入流量假定全由上游的某一点流入。某一河段的出流量可能被分配到几个目标，分别代表正常出流量，分流，水库的多种闸门。在HSPF中，出流可以被下述方法中的一种或者几种来表示：

（1）在没有流量控制或者是没有闸门装置的河段，出流量被模拟成河段容积的函数，

它只和水位有关。

（2）出流量可以被模拟成时间的函数来表示生活、工业或者农业用水的要求。在这个

过程中，模拟者必须提供一系列的出流量值，这些值只和时间有关而与河段容量无关。

如果要求出流量既和时间相关又和河段容量相关，模拟者必须指定组分之间是如何联接

的，以便定义结果出流量的要求。HSPF允许模拟者以三种方式定义结果的要求：

1）两个组分中的最小值， 2）两个组分中的最大值， 3）两个组分的总和。

HSPF模型的假设中并没有考虑到河道的形状，但是涉及到如下假定：

1）存在确定的由使用者定义的水深，表面区域，容量和出流量之间的关系。这由使

用者针对每一河段制定的函数表确定。

2）任一出流量中和容量相关的部分，以及以上变量之间的关系在时间上是连续的。 除了计算出流量和河段水量，HYDR计算了附加的水力参数值，这些值可以用在RCHRES中的其他编码部分，包括深度，进程，表面区域，平均水深，顶宽，水力半径，河床剪切压力和剪切率。

ADCALC计算模拟溶解和被带走组分的纵向流所必需的变量。这些变量全部取决于HYDR中计算得出的容积和出流量值。CONS模拟的成分都不随时间腐烂或者只在平流机制中离开河段。模拟的保守要素中的典型成分包括：氯化物，溶解固体总量和变质非常缓慢的可溶性化学物质。

在HTRCH中，温度通过热平衡方法进行模拟。模拟某一河段中的温度平衡需要五个气象数据，分别是太阳辐射，云量，大气温度，露点温度和风速。HTRCH主要考虑两个过程：平流中的热量传输和水汽界面间的热量传输。平流中的热量传输将水温作为热量浓度，并且用CONS中包含的标准平流进行估算来实现。水汽界面间的净传输量作为许多过程的总和进行计算，其中的每一个都单独进行计算。计算的热源包括短波太阳辐射，长波太阳辐射和传导对流。计算的热量接受部分是长波辐射，传导对流和蒸发。

SEDTRN编码部分用来模拟河道沉积物传输的方法基于SERATRA模型，非粘性的（砂）和粘性的（淤泥和粘土）沉积物都在SEDTRN中进行模拟，每种悬浮物悬浮在水中或者沉积在河床上这两种状态之间的转变通过平衡沉积和冲刷计算来进行模拟。粘性沉积物的运移模拟包括两步：首先估算平流运输，然后在已知河床剪切率的基础上估算沉积和冲刷。在计算沉积的过程中要求模拟者提供模拟的粘性沉积物的每一部分（淤泥、粘土）沉积的沉积速度和临界剪切压力。为了估计再次悬浮或者是冲刷，模拟者必须提供每一部分冲刷的侵蚀度系数和临界剪切压力。

GQUAL编码发展的焦点是可以模拟农业杀虫剂和其他的合成有机化学物质。只要提供了被模拟的杀虫剂的差异性，编码就会提供给使用者如下所述性能：溶解物质的水平对流；溶质通过水解、自由氧原子的氧化作用、光解作用、挥发作用和生物降解作用而进行的分解；一种成分分解产生了另外一种需要被模拟的成分；吸附的悬浮物的平流运动；吸附物质的悬浮和冲刷；在溶解和沉积物结交状态的吸附和解吸附作用。使用GQUAL部分沉积物运移编码（SEDTRN），在模拟的每一时间阶段吸附的化学物质可能沉积或者是重新悬浮，这取决于水文条件。通过使用一个温度修正的分解公式，悬浮状态和在河床上吸附的化学物质的分解作用都可以被模拟。

RQUAL编码提供了生化转换过程中要素的详细模拟，包括含氧量，BOD，氨，亚硝酸盐，硝酸盐，磷酸盐，浮游植物，海底藻类，浮游动物，难溶物，有机物和pH值。

ACIDPH是一个综合的模块，体现了使用者定义的内流化学计算。它的扩展应用主要是模拟酸性矿山排水和酸雨对水的作用，pH值在PHCARB模块中进行计算，它基于碳酸盐系统的均衡，不能充分代表pH确定的过程。

12.2.5效用模块

五个效用模块用来存取、操作和分析使用者储存在在HSPF中的TSS（时间序列存储）和WDM（流域数据管理）中的时间序列信息。这些时间序列，例如时降水量，日蒸发量，日径流量，这些在应用模块中使用，并且在流域特性分析中提供有价值的信息。这五个效用模块和它们的功能如下：

（1）COPY—将TSS或者是WDM中的数据复制到另一个文件中。使用者可以在复制的过程中改变时间序列中的时间次序。例如,一个五分钟的降雨纪录可以被总计成每小时的时间间隔。

（2）PLTGEN—产生了一种特殊的ASCII格式，方便以后的绘图机的数据显示或者是输入到另一个软件中。

（3）DISPLY—增大数据显示表。合计数据，综合信息。

（4）DURANL—显示频率，周期和偏移分析；计算统计表；显示毒性分析。DURANL可以被用来回答如下问题：在连续的四个小时内，水中溶解的氧气每隔多长时间会降到4mg/l以下？

（5）GENER—将一个或两个时间序列转化成一个新的或者是一个不同的时间序列。GENER是一个非常好的工具，它能帮助使用者演示22种可选的转换中的任意一种。

12.3 HSPF模型的改进

HSPF的最新版本反映了在数据库和输入管理方面的进步，以及在一些过程中算法的提高。例如内流沉积物营养反应和酸性矿山排水。除了HSPF版本的不断进步，美国地质调查局还研发了使用PERLND模块中的水量平衡计算方法的水文校准的一个独立系统。

12.3.1 ANNIE/WDM

美国地质调查局发起了前后期交互式的性能提高来推动HSPF和其他水文模型的应用。ANNIE（Lumb et al.1990）是一个用FORTRAN编写的交互式计算机程序，可在大型机、小型机和微型计算机上使用。ANNIE帮助使用者进行交互式的存储，恢复，列表，绘图，检查和更新水文模型和模型分析中空间的、参数的以及时间序列的数据。一个二进制的、直接的存取文件用来存储合理结构中的数据，称它为流域数据管理（WDM）文件。由于美国地质调查局使用了ANNIE和WDM，HSPF以及其他的水文水质模型和分析工具得到了发展。WDM给使用者提供了一个公共数据库，因此免去了从一个应用到另一个应用中重新定义格式的过程。

12.3.2软件的提高

12.3.2.1 SCHEMATIC和MASS-LINK板块

在HSPF第十版中，两个新的板块添加到了数据输入中，简化了流域网的定义。SCHEMATIC和MASS-LINK板块允许使用者以一种更加概念化的方式指定流域的结构和联接，这是NETWORK板块中经常使用的方法。

SCHEMATIC板块包含了全球的流域结构的详述。这个板块的主要优点是要求使用者将汇入河道的支流以单一位置输入，而不是在NETWORK板块中多样线的方式。SCHEMATIC板块中的每一个输入都与MASS-LINK中的一个表格相对应，这明确了流域联接的全部详细具体的联接。

MASS-LINK板块包含了从一个流域单元转移到另一个流域单元的明确的时间序列或者是具体的量。这个板块同样包含了任何一个要求的单元转换因素或者是其他可能要用到的多样性因素。每一个MASS-LINK表格包含一套与SCHEMATIC板块中一个或者更多的流域联接相关的时间序列转换。HSPF程序将大量的时间序列的转换和必要的时间序列联接的自动产生联系起来，并将它们包含在NETWORK模块中。

12.3.2.2 FILES板块

在第十版中，一个称之为FILES的新板块被添加到输入栏，它促进了其他的输入和输出之间的交互作用。FILES板块允许使用者完全在输入栏中完成单元数字和文件名的一一对应，减少了由于使用分离的命令产生的混淆。

12.3.3酸性矿山排水

为了满足美国地质调查局模拟宾西法尼亚州煤矿的酸性矿山排水的需要，一个称之为ACIDPH的新模块添加到了第十版中。ACIDPH是执行使用者定义的内流化学计算的一个综合模型。它的扩展应用主要是模拟酸性矿山排水和酸雨对水域的影响。

ACIDPH模型中使用的化学试剂和方法源于早期的一种称之为PHCALC的计算机编码，它是专门设计用来表现宾西法尼亚煤矿地区河流条件的。HSPF的编码中关于pH值的计算考虑了铝和碳酸盐的平衡，扩展碱度，铁的配位作用和与铝的竞争作用的影响。这些程序执行了如下计算：

（1）计算pH值和假定水铝矿（Al（OH）3）饱和的扩展碱度；包括铝和铁的复杂氟化

物，硫酸盐和水化物的相互反应。

（2）计算pH值和假定铁的氧化物（Fe（OH）3）饱和的扩展碱度；包括铝和铁的复杂

氟化物，硫酸盐和水化物的相互反应。

（3）计算pH值和假定Al3+和 Fe3+饱和的碱度，包括它们的复杂氟化物，硫酸盐和水

化物。

ACIDPH模拟了如下七种化学因素：总的含铝量（Al3+和Al的化合物），自由态的Al3+，总的含铁量（Fe3+和Fe的化合物），自由态的Fe 3+，H+,总的无机碳和碱度。HSPF中的CONS部分用来表现氯化物和硫酸盐。

到目前为止，ACIDPH模块已经限制了模型的测试和使用，它仅仅被美国地质调查局的区域办公室应用在宾西法尼亚的匹兹堡市。模块在其它矿山地区的应用尚不确定，可能要求使用者在HSPF框架中制定确定的运算法则。ACIDPH在第十版中是一个并未证明的特性。

12.3.4 HSPEXP

将HSPF地表水文计算的一个卓越的版本作为一个专业的系统来校准排水流域的流域模型，产生的结果称之为HSPEXP，它使得经验的表面水文模型能够被大多数模型使用者所用。这个结果将观测水位线以统计学方法表示为推动了降雨径流过程的系统参数。

到目前为止，系统已经在华盛顿和马里兰地区进行了测试，开发者报告了令人鼓舞的消息。在每一个实例中，系统对模型参数进行了恰当的调整，调整后的参数都获得了良好的校

准值。预期HSPEXP将会成为流域模型校准的一个主要组成部分。

12.4 HSPF模型在径流模拟中的应用

对于透水地面，HSPF模型模拟降雨产生的水文过程将降雨量在6个垂直的存储层进行了分配，但是只有地表径流、壤中流和地下水流进入了河流（见图12-6）。而对于不透水地面，仅仅用到了2个存储库，其中只有地表径流对河流流量有贡献。

HSPF模型在径流模拟中的应用主要表现在以下几个方面：

12.4.1泥沙模拟

水体中泥沙主要来源于降雨对透水地面土壤的剥蚀以及对不透水地面的洗涤。对透水地面泥沙的模拟过程包括：

1）降雨引起泥沙从母壤的分离过程； 2）地表径流对泥沙的携带和传输过程。

在河流水库模块中，根据泥沙直径大小分为沙粒(sand)、粉沙(silt)和粘粒(clay)3个颗粒等级，等级不同的泥沙的迁移特性和吸附能力也不相同，随粒径的大小而变化。粉沙和粘粒的传输、沉降和冲刷是依据临界剪切应力原理。用户可以制定临界值，当剪切应力超过临界值时发生冲刷，相反，当剪切应力小于某一较低的临界值时发生沉积。沙粒的传输可以用考虑了河床坡度和水流速度的Toffaleti或Collby方法来计算。

图12-7 HSPF水文模拟流程

12.4.2 BOD、DO模拟

BOD的模拟较为简单，透水地面和不透水地面均采用与地表径流、壤中流、地下水出流的线性关系来计算，而DO的模拟则采用与水温的关系来计算。模拟的过程考虑了BOD的衰减、底泥释放以及大气复氧与底泥需氧量等过程。

12.4.3 N、P模拟

HSPF模型模拟了N和P的复杂循环，N的种类包括硝酸盐、氨和有机氮，有机氮又被划分为稳定有机氮和不稳定有机氮。模型分别模拟了N在土壤和水体中的迁移转化过程。N反应循环中考虑了植物对NO3-、NH4+的吸收，以及植物固N，有机氮的矿化，大气固N，NH3的挥发、吸附、解吸等过程。N在水体中迁移转化过程包括：溶解态N03-、NO2-、NH4+的纵向对流和水底释放；NH4+的电离与气化；NH4+和N02-的硝化作用；N03-的反硝化作用；BOD物质衰减导致的氨化作用；水体中泥沙对NH4+的吸附、解吸作用；吸附态NH4+的沉积、冲刷和纵向对流。

HSPF模型对P的模拟与N具有相似性。同样模拟P在土壤和水体中的迁移转化过程。土壤中P的模拟包括：PO43-的吸附、解吸和矿化作用；植物固定及吸收。P在水体中的迁移转化过程包括：溶解态PO43-的纵向对流和水底释放；水中泥沙对PO43-的吸附、解吸作用；吸附态PO43-的沉积、冲刷和纵向对流。

12.5 HSPF模型应用实例

村上正吾，林诚二，渡边正孝利用HSPF模型作为空间分布流域水文模型，对中国长江流域主要支流之一的嘉陵江流域耕地绿化对径流量和来沙量的影响进行了评价。

在对嘉陵江流域进行模拟时，通过大量多边形数据创建了水文反应单元，这些数据有着与29个小流域相同的土地覆盖类型。根据这些数字式土地覆盖数据，将土地覆盖分成7类：森林、灌木、草地、耕地、水田、城区和荒地。然后，使用地理信息系统（GIS）计算各个小流域各土地覆盖类的总面积、平均高程和平均坡度。为了计算各个HRU的地表径流量，HSPF要求各个HRU的坡长。通过假定每个HRU为正方形，HRU一侧的长度被用来作为坡长。

对径流的估算需要有土壤结构空间分布和有机物含量的数据。通过对南京土壤科学研究所制作的比例尺为1:14000000的专题地图进行数字化处理并利用GIS将它们叠加在各个小流域的土地利用多边形数据上，生成了模型需要的数据。

模拟过程中，使用了国际卫星地面气候项目（ISLSCP）开发的1987年的6小时气温、风速、露点温度和太阳辐射数据作为模拟的气象输入数据，正常间隔为1°（经纬度）。使用彭曼公式和ISLSCP 1°气象数据生成了空间分布的潜在蒸发数据。通过使用面积平均加权法将各个小流域叠加在1°网格数据上将这些数据从光栅格式转换成矢量格式。为了各项线性插值模型计算，时间间隔从6小时变成1小时。

长江流域上游地区降雨集中在夏季（6-9月）而且局部大雨持续5-6小时。强降雨作为一种侵蚀力量起着重要作用。因此将日降雨数据分解成小时降雨以反映上述特性而不是简单地将日降雨数据分成24等份而将其作为小时输入数据使用。然后，用以下公式将这个空间

k分布的日降雨数据分解成小时数据：rT?R24/24?(24/T),其中，rT 为T小时平均降雨强度

(mm·h–1)；R24 为日降雨强度(mm·day–1)；k 为参数，表明气候区、季节、高程和地形。

图1显示北碚水文站计算结果，被认为受整个嘉陵江流域影响。日流量、日泥沙通量和月泥沙量的观测数据和计算结果之间的比较表明我们所建议的模型的可适用性。

此外，模拟径流量与观测值之差在所有流域都在±10%之内。较高的相关系数(R2)值（蒙渡溪为0.88，小河底为0.87，武胜为0.94，北碚为0.89）表明，改进的HSPF正确地模拟了整个嘉陵江流域的日径流过程，尽管它趋向于低估了四个水文站的峰值流量。模拟值与观测

值之比在10个最高平均峰值流量中处于0.76和0.93之间。

与观测值相比，模型稍稍低估了年泥沙量。主要由于流域中各种土地利用类型的保护工程、各种措施和种植和管理因素使估计减少量比较困难而造成。在主要支流流域，来自岸坡的年泥沙量与年总泥沙量之比为12-50%，而整个流域为38%。这意味着来自河岸的泥沙量在各流域中占主要部分。尽管之前有些报告证实河岸为研究区主要淤积源，而洪水期间所观测到的河道宽度的快速扩展可能也支持这个结论。如图1所示，模型充分模拟了洪水季节（6-9月）泥沙量的集中产生情况。然而，它低估了洪水季节的日峰值泥沙通量，尽管峰值生成的时间大部分是正确的。

Daily average flowrate (m3/s)BeibeiHydrological station 35000300002500020000150001000050000JanMarMayJulSepNov1987 Observation monthly sediment load(10 kg) SimulationDaily flow discharge 3sediment flux(10 kg/s)12010080604020 198760504030201001987JanMarMayJulSepNov Observation Simulation0 9JanMarMayJulSepNov Observaton SimulationDaily sediment fluxMonthly sediment outflow

图12-8 模拟结果验证

12.6 结论和展望

HSPF模型广泛的性能，以及它可以综合模拟点源和非点源污染的灵活性，使得它在应

用方面越来越引起人们的兴趣。接下来我们就HSPF模型的发展作一些展望。

12.6.1对模拟的物理环境进行定义

在模型中输入模拟的物理环境和空间相关物质性质的数据时，经常发生混淆并且相当耗时。用图形的方法来表示这些数据将会是一个很大的提高，这些操作最好在GIS的环境里进行。GIS可以用来玩成以下任务：

·插入、删除和移动行、列来确定单元

·缩放、移动和视窗功能为更详细的设计服务。

·覆盖一个数字化地图便于清晰的呈现和确定参数值 ·在单元和节段间建立联系 ·计算区域内和分界面的数据

·确定参数值（全球、空间变化、时间相关），描述自然和人工环境 ·确定边界条件 ·确定初始条件

12.6.2重要的环境变化和过程

为了提供整个生态系统在多种状态下分析的依据，必须对许多化学和生物的变量和方法进行描绘。尽管主要的变量在模型中已经包含，HSPF仍然需要改进，加入以下的变量：

·选择的附加生物变量（食草鱼，食肉鱼）

·选择的栖息地变量（池塘和浅滩百分比，河床植被和覆盖，底土层特性，浊度） ·选择的生态系统变量（生态系统发展，自然动力，能量动力，营养动力，生物多样性）

12.6.3人为环境的变量和方法

除了体现自然的过程，模型系统必须体现人类活动对环境的影响。系统必须包括影响自然流域系统的环境的扰动因素。例如肥料和杀虫剂的使用，耕作，作物收割，田间排水，放牧，牧场径流，高速公路排水，城市发展，矿山排水，生活和工业排水等。这些可以通过调整HSPF模型中已有算法的参数值来体现，有些可能要求发展新的算法。我们需要在HSPF中发展一套额外的算法，它反映我们对于特定的修改或活动产生的物理或者是化学变化的最好的理解。由于它直接反映了我们使用模型对环境进行管理和决策的能力，所以是最重要的部分。

12.6.4模型未来的研究领域

湿地—许多的流域模型都对湿地进行了研究，研究遍布不同的地区，而不只是在美国潮湿的东南海岸地区。HSPF模型接近湿地的影响，并且建议了多样的编码修正，然而由于缺乏资源和可选择的模型，这些方法并不能很好的实施。合作进行数据采集和模型研究有利于我们将流域系统湿地对水质的复杂影响表现出来。

鱼类—鱼类具有所有的浮游动物所有的过程，包括生长、呼吸作用、死亡和捕食行为，除此以外鱼类具有的一个重要过程是暴露在环境的压力之下，例如高温，低氧，有毒的化学物质和沉积物。将各种各样的鱼类在一个复杂的流域框架中进行恰当的模拟也是今后要研究的方向。

栖息地匹配—作为一个整体，栖息状态的变化（水流速度、河道梯度、流量、深度、盐度、温度、溶氧量、pH）表现了生物群落的物理或者是化学背景。物理状态的变化与地形地貌，流量，侵蚀，沉积，河道特点和热量输入有关。从较大范围来说，模型对栖息状态的变化模拟与模型是否对栖息地进行分析无关。一个流域模拟系统，例如HSPF，是与栖息地变化评估相对应的。

生态系统模拟—生态模拟的目的是确定自我维持能力。为了达到这个目的，模拟集中于系统的组分，系统的结构，系统的功能（基于物理、化学和生物原则），系统动力（物质和能量的运输和转移），或者是这些系统特性的一个或多个综合，栖息特性和生物群落。相对于上面提到的其他种类，栖息和生态模拟处于起步阶段，因此，以一种严格的方式定义这个重要的过程尚不能实现。然而，需要将这些区域综合到流域模拟中来充分考虑人类对流域系统和组成它的生态系统的影响。

12.7本章小结

本章我们主要叙述了HSPF模型的发展过程，功能，选择了实例对模型进行了应用，对它的发展和研究的区域进行了展望。在1980年HSPF模型最初的版本发布的时候，模型的开发者认为模型在被其他更先进的技术取代之前有大概5年的使用寿命，然而直至今日，模型使用者的数量还在不断增加。模型在流域水文水质模拟方面的性能仍然是非常广泛和全面的，它的框架和结构在在对模型进行调整和提高时也是相当灵活的。

很明显，HSPF模型仍然会继续存在并且在可预见的将来会继续发展。它是否会为下一代流域模型提供基础取决于它对不断发展的技术和标准的适应能力（例如GIS，遥感，计算机数据库）。HSPF模型现期使用者的惯性，它对流域进行全面广泛评估的性能，以及不断改进的技术将会支持模型不断的发展和普及。

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