基于HSPF模型的流域水文水质模拟研究进展

韩 莉，刘素芳，黄民生，马俊飞，魏金豹，胡 伟

（华东师范大学 生态与环境科学学院，上海 200062）

0 引 言

近年来，由于气候变化、社会经济发展、农业产业发展及土地利用类型的改变，致使河流湖泊等流域的水文水质发生了很大变化，引起了诸如富营养化、水体缺氧、生物多样性受损等一系列环境问题［1－3］，对居民生活用水和区域经济发展构成了严重威胁．因此，定量确定流域径流量，流域内各类污染物的负荷及迁移转化规律是改善流域水环境并对其进行有效管理的首要条件．

HSPF（Hydrologic Simulate Program－FORTRAN），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［4］．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［5］．HSPF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．

1 模型机理

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（RCHRES）［6］．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［7］，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拟．

1．1 水文过程模拟

HSPF模型水文模块在非点源模型中是最为完善的［8］．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．

1．2 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）［9］，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．

1．3 污染物迁移模拟

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［10］，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．

2 HSPF模型的适用性

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，HSPF模型主要用于农业和城市混合型的不同时空尺度流域，能够模拟时间尺度为小时的产汇流过程．模型中WDMUtil软件可将现有气候气象数据进行衍生和扩充，延长了模拟时间序列．

3 研究进展

近几年，HSPF模型在流域降雨径流，污染物迁移转化，土地利用覆被及气候变化对流域水文水质的影响上有较多应用．

3．1 径流

径流模拟是研究其它水文问题的基础，也是水文模拟研究中最基本最重要的一个环节．HSPF模型能够按某一尺度进行空间划分，模拟动态连续的降雨径流过程．Kourgialas等将HSPF模型用于洪水频发的喀斯特地区Koiliaris河的地表和地下水的径流模拟，模拟结果较好［11］．Hsu比较了HSPF模型和FLO－2D模型对洪峰流量和径流退水周期的模拟效果，证明HSPF模型模拟结果更好［12］．Lee等利用HSPF模型模拟了小流域径流量和水质，推荐用于水域管理［13］．Diaz－Ramirez成功地将HSPF模型应用于Luxapallila流域和Rio Caonillas集水区日流量模拟［14］．国内，薛亦峰应用HSPF模型对潮河支流大阁河流域进行径流量模拟，模拟流量多年相对误差为0．17，Ens为0．87，表明HSPF模型对研究区流域长期的连续径流量模拟具有较好的适用性［15］．

径流与降雨事件密切相关，而降雨极具随机性，诸如气象数据的分散性，时间和空间分辨率的不同，都会给模拟带来很大的不确定性，影响径流模拟的精度．Diaz－Ramirez［16］利用HSPF模型评估了美国阿拉巴马州亚热带滨岸集水区3场降雨数据集对水文过程模拟的影响．研究发现，降雨事件的高度空间变异性会使径流模拟结果产生很大的不确定性．程晓光［17，18］利用HSPF模型对北京妫水河流域径流量进行了模拟，并对参数进行了不确定性分析．发现不确定性范围与径流大小密切相关，径流愈大其不确定性范围愈大．为提高模型预测结果准确性，需要对这些不确定性进行定量化研究和分析．将不同尺度、不同来源的数据通过优化处理进行融合，构建具有多时空尺度、多分辨率和精度的输入数据集，是减少模型输入不确定性的有效途径．

3．2 污染物迁移

通过模型模拟的方式对污染物迁移进行定量化研究，已成为当前进行流域非点源污染研究的重要途径之一．HSPF模型能够实现3种沉积物和BOD、DO、氮、磷、农药等多种污染物的地表、壤中径流过程和蓄积、迁移、转化的综合模拟［19］．Akter将HSPF模型应用于评价泰国Mun河流域不同土地利用对河流水质的影响．经RID校准模型参数，模型对径流的模拟结果较好，研究结果表明农业用地和总氮呈现良好的线性相关性．Ouyang用HSPF模型研究了美国佛罗里达州Cedar－Ortega河流域排放到Lower St．Johns河汞的负荷，为流域研究汞污染提供了一个很好的案例［20］．Jeon将HSPF模型用于BOD5的模拟，模拟误差在可接受范围［21］．Kourgialas利用HSPF模拟了洪水暴发时的流速及沉积物的输移负荷，结果表明，当除草率增加时，洪水深水波随流量、流速和沉积物输移负荷增加而降低［22］．Tsai利用HSPF模型模拟了山体滑坡造成沉积物输送到水库的比率［23］．Ouyang利用HSPF模型评价了密西西比河Lower Yazoo河流域植树造林对输沙量和水流的影响，结果表明森林面积的成倍增加将会使近似两倍水流量和输沙量减少［24］．Patil将HSPF模型用于美国路易斯安那州Amite河流域硝态氮负荷的计算，结果表明，硝态氮负荷随着数据时间尺度的增大而降低［25］．Topalova利用HSPF模型模拟了河流沉积物中有机质的迁移过程，结果表明总的脱氢酶、硝酸盐还原酶和磷酸酶的活性可以被用作水质管理和迁移率预测的有效工具［26］．国内，张恒将HSPF模型与回归模型结合，对广东省东江流域中淡水河流域的非点源负荷进行计算，研究结果显示，模型较好地再现了SS、CODCr、NO3－－N及TP在2010年内的通量随时间的变化过程［27］．李伟利用HSPF模型对模型苕溪流域的水文、泥沙、营养盐等非点源污染负荷进行了模拟［28］．姚锡良构建研究流域的HSPF模型模拟了圣堂断面控制流域各非点源污染物的逐日过程，分析得出2010各类污染负荷单位产出量最高的集中在耕地或建设用地，最少的为水域或荒地［29］．

近几年，因流域水资源、水环境综合管理的需要，流域生物学指标评价越来越受到重视．HSPF模型应用于流域微生物的模拟已有很多报道．Fonseca等将HSPF模型用于葡萄牙莱利亚地区勒拿河流域点源及非点源污染对河水水质的影响，建议有必要改变废水管理措施，以防止以粪大肠杆菌为主的污染物增加［30］．Kim等利用HSPF模型研究了美国费吉尼亚州Hardware河的日细菌负荷，模拟结果显示，细菌主要来自于家畜、野生动物的直接排放以及土壤的渗透［31］．Petersen利用HSPF模型对美国休斯顿布法罗湾大肠杆菌进行了模拟，研究表明，径流在所有水流中携带细菌最多［32］．Rolle用HSPF模型模拟了一个海岸的粪大肠杆菌的迁移、污染来源及主要污染区域，结果表明，污染主要来自森林而不是养殖区，这和以往的报道完全不同［33］．Desai利用HSPF模型评价了细菌对德克萨斯州城市水体的影响［34］．

然而，模型对污染物迁移转化的模拟仍然比较粗略，尤其是细菌等微生物的迁移过程及影响因素等需要有更深入及精确的研究．另外，由于流域非点源污染过程具有复杂性，单凭一个模型很难得到非点源污染各个过程理想的模拟结果．将各类流域模型耦合联用或对模型进行二次开发将是发展趋势．Hsu整合HSPF模型和TRIGRS模型预测了土壤侵蚀，浅层滑坡时的产沙量，模拟结果良好［35］．Ciou将HSPF模型与CE－QUAL－W2模型结合，模拟了台湾一个水库2002—2003年污染物负荷，将结果用BMPs的优选和布置．在未来的发展中，水质评价也将不仅仅局限于现有的小部分参数，如溶氧、营养盐浓度、农药和微生物等［36］．水质模拟将向更广的物理化学、生物学及形态学方向发展．

3．3 土地利用及覆被变化

HSPF模型能够根据需要设立不同土地利用覆被变化情景，评价其对水文水质的影响，为流域管理提供决策依据．Liu等利用HSPF模型模拟次集水区滨岸带土地利用变化对水文水质的影响，结果表明60、90和120 m的滨岸林或湿地缓冲带可使年均流量降低0．26%～0．28%，硝酸盐和亚硝酸盐负荷减少2．9%～6．1%，总磷减少3．2%～7．8%［37］．Duan用HSPF模拟了Saint Louis湾土地利用变化对水文水质的影响，结果表明，林地减少和裸地增加将导致土壤侵蚀加剧，径流泥沙输出量增大，水质恶化［38］．He在区域发展的基础上设立可能的城镇化情景．利用HSPF模型，模拟了美国上圣克拉拉河年径流量和丰水期流量变化情况．结果表明，快速发展增加了年总径流量和丰水期流量，而降低了枯水期和丰水期的基流和地下水补给［39］．Ferrari等利用HSPF模型模拟矿区开矿增加对洪水的影响，结果显示洪水规模呈线性增加趋势［40］．Praskievicz等使用HSPF模型设定了2种土地利用变化情景模拟土地利用变化对水文、泥沙、营养盐输出的影响［41］．Cho等将HSPF模型和MODFLOW结合，模拟了8种土地利用情景对河道径流和地下水位的影响［42］．

国内，白晓燕采用HSPF模型模拟了东江流域1980、2000和2008年土地利用情景下的径流过程，并识别了不同土地利用类型对水文效应的敏感性．结果表明，土地利用变化对流域的洪水过程影响显著．耕地的减少和城镇用地的扩张使径流量增加，林地面积的增加使径流量减少［43］．何泓杰利用HSPF水文模型对流溪河流域进行非点源污染负荷估算以及不同时期土地利类型变化所造成的影响．结果表明，林地、草地和水域湿地的非点源污染负荷贡献率最小，耕地和城乡建设用地贡献率最大［44］．

未来，HSPF模型将模拟除气候变化、土地利用变化以外多种自然过程或人类活动对水文、水质的影响．模型将从模拟单一土地利用变化或气候变化情景，扩展到复杂土地利用、多种气候变化情景及组合，以解决更加综合的水环境问题．

3．4 气候变化

气候变化对水文过程影响显著，HSPF模型可对多种气候变化情景进行模拟，评价大气CO2浓度变化、气候变化对植被、水文、污染物释放等的影响．Butcher等利用SWAT和HSPF模型研究了流域对气候变化的响应［45］．两个模型预测结果表明，随着气候变化，CO2浓度升高，径流量增加．G ncü利用HSPF模拟了土耳其西部21世纪前五十年气候变化对河流流量、水库容量的影响［46］．结果表明，气候变化将导致河流、水库及流域的降雨径流季节变化更加显著．Tong设立了LMR流域到2050年5种气候变化情景，利用HSPF模拟了这些变化情景下河水流量和氮迁移过程．研究结果表明，气候变化将使LMR流域流量和总氮总磷浓度升高［47］．He利用HSPF模型对USJRW流域以积雪为主的5个源头流域气候变化对水文系统的敏感性进行了分析．结果表明，USJRW流域流量对气候变化最敏感．即使降水没有变化，年总流量仍然会随着温度升高而下降18%～23%［48］．Kim将HSPF模型应用于气候变化条件下流域水量水质的管理问题，将其应用于韩国城市水量大量消耗、水质恶化的流域，模拟结果良好，为流域规划管理提供了依据［49］．Taner利用HSPF和UFILS4模型模拟了气候变化对纽约Onondaga湖集水区水文及热平衡的影响，模拟结果显示，洪峰流量增加，将增大营养盐的输出［50］．Lopez等利用HSPF模型对流域水文对气候变化的敏感性，模拟了流量变化和输水率的变化［51］．国内，邓晓宇使用HSPF模型定量分析了影响期气候变化和人类活动对信江流域径流的影响及其各自的贡献率．结果表明，气候变化对径流的影响分量在65．6%～88．0%之间，人类活动对径流的影响分量在12．0%～34．4%之间［52］．

由于现有的气象数据的严重不足，对气候变化预测在空间及时间尺度上进行降尺度，是解决这一问题的有效办法．降尺度处理还可以提高模拟精度，从而改善模拟结果．Jun利用加拿大全球耦合模型（CGCM3）和统计降尺度模型（SDSM）模拟出未来气象数据，再利用HSPF模型模拟未来径流量和水质［53］．GUO等通过HadCM3降尺度数据与HSPF水文模型耦合，探讨了未来气候变化情景下妫水河流域日最高、最低气温与降水量的变化情况．结果表明，妫水河流域未来90年的气温总体呈升高趋势，而降水量和地表流量呈减小趋势，流域干旱加剧的可能性进一步加大［54］．

4 展 望

HSPF模型已经广泛应用于区域的水资源水环境模拟，并取得了精确的结果．未来，气候变化、土地利用覆被变化等情景模拟以及非点源污染对流域水文水质的影响，以及地区水资源、水环境综合管理问题解决仍将是研究的热点．在我国，随着实测数据的不断积累及数据共享平台不断开放，水文水质的模拟将不再受到数据的限制，HSPF模型在我国的应用也将更加广泛．

但从目前流域水文水质模拟的研究现状来看，HSPF模型若要在流域水文水质模拟上有更大的突破，需要加强以下几方面的研究：①污染物迁移转化机理的研究．现有的模型依赖于很多经验关系或近似假设来表达污染物在介质间的迁移过程，很多参数的随机性给模型预测结果带来了不确定性，其中的某些方案或算法也仍然有改进和完善的空间．②参数的敏感性及不确定性研究．由于模型所需的参数数量很大，对模拟过程参数进行敏感性分析及对参数不确定性进行定量化研究，将对模型使用效率具有重要意义．③与多学科模拟模型整合联用的研究．HSPF模型仅限于对均匀混合的河流、水库和一维水体模拟．因此对于复杂流域或水体的模拟研究，需要将HSPF模型与其它模型整合以解决更加综合的问题．

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