025412125陈玉超(水环境模拟)

《水环境模拟》课程设计报告

基于HSPF 水文水质模型研究综述

班 级 0254121

专 业 水文与水资源工程

姓 名 陈玉超

学 号 025412125

指导教师 梁峰；吴俊峰

市政与环境工程学院

2014年6月20日

河南城建学院本科课程设计

摘要

水环境作为一个开放的巨系统, 充满着来自各方面的不确定因素,

包括其内在的污染物在水中的扩散、迁移、沉淀、生物分解等物理、

化学、生物与其综合作用的影响外, 还包括种种来自于自然界、人类等

外来条件的干扰。这就给水质规律方面的研究带来了很大困难。为

了提高研宄者对水环境的认识并做出更加切合实际的决策, 就需要借助

水质模型来定量化水质变化过程，其在一定程度上能够定量反映水质

变化规律。本文简单介绍了水质模型的分类和国内外研究现状, 重点以

HSPF( Hydrological Simulation Program-Fortran)水质模型为研究对象，

探讨了其国内外的发展历史，结构和功能，以及在非点源水环境污染

中的应用。最后，对HSPF 水质模型研究方向进行了展望。

关键词：水质模型；HSPF 模型；非点源；研究进展

河南城建学院本科课程设计

Abstract

Water environment is a huge and open system, the uncertain factors from various aspects, including diffusion, the contaminants in the water migration, precipitation, biological decomposition, chemical, biological and physical interaction, including interference from all in nature, human and other external conditions. This has brought great difficulties to the research on water quality of. In order to improve the research on the knowledge of the water environment and make more realistic decision, we need the help of water quality model to quantify the variation process of water quality, which can quantitatively reflect the variation of water quality in a certain extent. This paper introduces the model of water quality classification and research status at home and abroad, focusing on HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) water quality model as the research object, discusses the domestic and international development history, structure and function, and the application in water environment pollution. Finally, the research orientation of HSPF water quality model is discussed.

Keywords : water quality model; HSPF model; non-point source; research progress

目录

第一章 绪论 .................................................................................................................................... 1

1.1 概述 ..................................................................................................................................... 1

1.2 水质模型研究现状概述 . .................................................................................................. 1

1.2.1 水质模型发展历史 . .................................................................................................. 1

1.2.2 水质模型的国内外研究概况 . .................................................................................. 2

1.3 水质模型的发展 . ................................................................................................................ 3

第二章 HSPF模型 ............................................................................................................................. 4

2.1 HSPF模型的主要结构和功能 . ............................................................................................. 4

2.2 HSPF在非点源中的应用研究 . ........................................................................................... 5

2.2.1 水文模拟................................................................................................................... 5

2.2.2 非点源污染与水质模拟 . .......................................................................................... 5

2.3 HSPF模型存在的问题 . ......................................................................................................... 6

第三章 HSPF研究展望.................................................................................................................... 8

3.1 研究方向展望....................................................................................................................... 8

3.2 HSPF在我国的应用及展望 . ................................................................................................. 8

结论 ...................................................................................................................................................... 9

参考文献 ............................................................................................................................................ 10

第一章 绪论

1.1 概述

近年来，于我国人口的增加、对环境的需求不断扩大，及工、农业生产布局的不合理与

管理的漏洞，水体环境的压力愈来愈大。工业废水、生活污水以及农业非点源污染物等进入

水体，得相当多的水体污染负荷已超过其承载力，污染已成为制约和困扰我国可持续发展的

一大障碍。为了在满足水质要求的情况下最大化利用水资源, 需要对水体污染物中的迁移转化

机制的进行定量描述, 也即利用水质模型为管理决策提供理论依据。近几十年来，水质模型作

为水环境保护的有效工具， 已经广泛应用于环境污染控制和水质规划理中。水质模型是利用

数学语言来阐述水体污染过程中的物理、化学、生物化学及生物生态各方面之内在规律和相

互联系[1]。它可用于水质模拟和预警预测，进行水质评价，制订污染物排放标准和水质规划，

为水环境的综合整治和科学管理提供科学依据[2]。最早的模型是由美国工程师Streeter 和Phelps

在1925年首先提出的S-P 模型。自从S —P 模型之后，又相继出现了W ASP 、QUAL 、BASINS 、

QUASAR 、MIKE 、OTIS 、BLTM 等模型，其中以WASP 、QUAL 模型应用最广、发展的最为

完善。水质规划的基本课题是根据水体预定的基本功能所要求的水体的自净能力来确定允许

排入的污染物负荷[3]。对于已经污染的水体，则是确定如何削减各污染源的污染负荷，以最低

成本使水体水质恢复到预定目标。水质模型的另一应用是进行水环境容量计算。水环境容量

为水体在规定的水环境目标下所能容纳的污染物最大负荷或纳污能力，研究对象是水体的自

净能力。环境容量是环境管理的基本依据，是环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总

量控制的关键参数[4]。水质模型也可以应用于水质预警预报[5]。

1.2 水质模型研究现状概述

1.2.1 水质模型发展历史

自 1925 年以来，水质模型的研究与发展，大致分为以下几个阶段[2,6]

第一阶段（1925－1980 年）：这一阶段水质模型的研究对象是水体水质本身，

即只包括水体自身的各水质组分，将水体的污染源、底泥、大气等的作用都视为

外部输入。1925 年，Streeter 和 Phelps 共同提出了第一个水质模型，即 S-P 模型。后来科学家在其基础上成功地将 S-P 模型运用于水质预测等方面，并对 S-P模型进行了改进[7]。

第二阶段（1980—1995 年）：在这一阶段，水质模型的研究得到快速发展。将水质模型与流域模型进行连接以使面污染源能被连入初始输入[8]；将底泥的影响作为模型内部相互作用的过程处理。计算机技术的应用使水质模型的研究有了突破性的进展。

第三阶段（1995 年至今）：大气中污染物质沉降的输入，如有机化合物、金属（如汞）和氮化合物等对水体水质的影响受到更多的重视，将其视为水体的重要污染负荷，将大气污染模型引入水质模型；水生生态系统模型开始出现，水质模型由反应模型向较综合的模型发展。水库、湖泊的富营养化模型发展最为迅速[9]。

1.2.2 水质模型的国内外研究概况

随着研究的不断发展与深入，水质模型在结构上经历了从简单到复杂的水质—水动力学—生态综合动力学模型；在理论上发展了如随机理论、灰色理论和模糊理论等；在研究工具上也运用了迅猛发展的计算机技术如地理信息系统等。从水质模型的研究情况来看，世界各国都获得了一些先进的研究成果，特别是欧美发达国家，在该领域上占着绝对的主导地位。自 1925 年率先提出第一个河流 DO 模型（S-P 模型）以来，美国又相继成功开发了很多有效的水质模型[10]，如WASPSMS 、CE-QUAL-W2、CE-QUAL-R1 等，并得到广泛运用。欧洲一些国家也研究并开发了较为成功的水质模型，如丹麦水动力研究所的 MIKE 模型[11]，荷兰的DELFT-3D 模型和英国 Wallingford 公司的 InfoWorks CS 模型等。

与国外相比，我国水质模型的研究起步较晚，但在 20 世纪 80 年代中期以后水质模型的研究迅速发展，取得了相当多的成果。刘玉生等人在研究了滇池碳、氮、磷等营养元素的时空分布，藻类动力学以及浮游植物动力学的基础上，建立了生态动力学模型，并与箱模型耦合，建立了生态动力学箱模型，模拟了总磷、总氮和化学需氧量的水环境容量和削减量，为滇池的水污染控制打下了基础。太湖是我国在水动力学、水质和生态系统动力学模型方面开展研究相对较多的湖泊，研究包括太湖的水动力学三维数值试验研究，太湖梅梁湾三维水动力模型和三维

营养盐浓度扩散模型，凤眼莲对太湖生物-物理工程实验区水质影响的水质-生态模型，太湖藻类生长模拟，太湖地区的大气-水环境综合数值模拟等。廖振良等以苏州河水系水环境综合整治项目为依托，开发了苏州河水质模型，并以河流水质及调水资料为基础完成了水质模型的校核与验证，对苏州河环境综合整治工程中有关工程和方案进行了模拟计算，对工程起到了重要的指导作用，使苏州河河道生态系统得到了明显的改善[12]。

1.3 水质模型的发展

水质模型发展至今已取得了丰硕的成果，但还有一些局限性，主要体现在：水质污染机理还有许多不清楚之处，很多过程难以用数学方法表达、模拟，建模时必须经过一定程度的概化，失真在所难免；建模的基础是大量的水质资料，资料数据的真实性、系统性、完整性直接影响模型精度，海量数据的收集分析、计算、查询与显示功能欠缺，拟结果的可视性差；模型比较复杂，导致许多参数难以较准确地度量和估值，参数的随机性也会引起结果的不确定性。随着人们对水质变化机理的不断深入认识和研究范围的不断扩大，水质模型研究的参数和状态变量必然越来越多，精确程度越来越高，但是也必然因此增加模型的复杂度，水质模拟过程也随之变得更艰难。今后水质模型要重点从以下几个方面进行研究：(1)利用神经网络的建模技术研究。人工神经网络是一种模仿生物神经系统用来描述和刻画一组非线性因果关系的工具，具有通过学习获取知识来解决问题的能力，将其嵌入到水质模型模拟中，会使模型参数更准确，使水质模型更接近于实际，对水质的分析和模拟过程更趋于合理化、智能化，同时增强处理非线性问题的能力。(2)利用专家系统的建模技术研究。(3)结合地理信息系统(GIS)的应用。GIS 一个最显著的功能就是对海量空间数据的存储和管理，此外还能对水质计算结果进行空间分析和动态显示，模拟结果一目了然，使对复杂模型的理解变得容易，并得到很多有价值的信息，从而辅助决策。

第二章 HSPF模型

2.1 HSPF模型的主要结构和功能

HSPF 模型是在1966 年SWM( Stanford Watershed Model) 斯坦福模型基础上发展起来的，以BASINS( Better Assessment ScienceIntegrating Point andNon-point Sources) 系统为系统平台，能够解决不同时空尺度下点源、非点源污染问题，并且与Windows 结合成易于操作的WinHSPF 应用界面[13,141 所示． 模型主要模块包括透水地段水文水质模块( PERLND) 、不透水地段水文水质模拟( IMPLND) 、以及地表水体水文水质模拟模块( RCHRES)，实现对径流和泥沙、BOD 、DO 、氮、磷、农药等污染物的迁移转化和负荷的连续模拟。

图2.1 HSPF 模型结构示意图[15]

其中，PERLND 模块适宜于HSPF 模型的子流域透水部分( 耕地、园地、林地等) ，径流通过坡面流或者其它方式汇入河流或水库中，从而实现该地段水、颗粒沉积物、化学污染物、有机物质的运移． IMPLND 模块解决不透水地段( 建设用地) 水文水质过程模拟．RCHRES 模块模拟单一开放式河流、封闭式渠道或湖泊、水库等水体．模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数、地形、受纳水体特征和污染物衰减系数等，输出信息包括地表径流量和污染物负荷过程线、污染物对受纳水体的影响以及BMPs 等控制措施的效果评价. 缺点和局限是不能

进行管道水流的复杂计算，不适合场次暴雨尺度的模拟［16］。

2.2 HSPF在非点源中的应用研究

2.2.1 水文模拟

降雨的水文过程是影响非点源污染的主要因素, 水文模拟主要是模拟一定区域内地面降水径流的变化过程[17]。00年S.E.Bum 和L.E.Band 将模型用于美国马里兰州巴尔的摩upper Gwynns Falls 流域, 评价分析了土地利用变化对流域行为的影响, 并通过这些分析研究upper Gwynns Falls 流域可透水地面和饱和土壤中径流比和基流的关系, 根据模型模拟数据, 预测城市化对流域的影响, 得到较好的结果。2003年XinJian Chen 用HSPF 模型对Alafiaiver 进行水动力学和盐分传输研究, 得出了淡水-盐水界面位置的经验关系。同年,Mark S.Johnson 和William F.Coon 等人用HSPF 和SMR 模型在纽约州中部的Irondequoi tCreek 102平方公里的上游流域进行为期7年的文模拟, 对比分析分析了集总式水文模型HSPF 和分布式水文模型SMR (SoilMoisture Routing)的产、汇流机制和模拟效果, 在模拟期中两个模型的效率值分别为0167和0165,HSPF 模型略优于SMR,HSPF 模型中复杂的融雪程序使得在冬季流量的模拟中取得比SBR 更好的效果[18]。林诚二等人针对长江上游地区地表水径流所建立模型的模拟效果, 来检验卫星数据所估算的降水数据, 模型模拟结果表明:HSPF模型对长江上游主要支流的5天平均流量的模拟, 达到很好的效果。

2.2.2 非点源污染与水质模拟

随着逐步改进和完善,HSPF 模型现已结合了美国环保署雅典实验室的研究成果, 将常见污染物和毒性有机物模拟纳入模型中; 模型提供水解、氧化、光解、生物降解、挥发和吸收等6种沉积化学作用模式并结合水动力学实现沙、粉沙和粘土三种沉积物以及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、转化综合模拟, 水质模拟包括对透水地区、不透水地区、河流、水库中的多种水质要素的模拟, 这些水质要素包括泥沙、DO 、BOD 、农药、TN 、NH3-N 、NO3-N 、NO2-N 、TP 、氯化物等. 2001年Steven 丸Cryer 等人结合GIS 技术, 利用PRZM3模型划

分子流域, 利用HSPF 模型模拟分析研究了美国加利福尼亚州中部圣华金河沿岸农地非点源污染状况, 并提出优化方案[19]。2003年DahliaN.E-l Kaddah和Anne E.Carey利用HSPF 模型和非点源模型(NPSM)结合的方式对美国阿拉巴马州的Cahala 河流域水文水质进行模拟和预测, 丰水年和枯水年的流量模拟值和实测值都较为接近。

目前, 在我国也开始应用HSPF 模型进行流域水文和水质研究。邢可霞（2004年HSPF 模型对滇池流域1988年、1989年的水文、水质进行了模拟, 定量地计算出4种污染物(SS 、BOD 、TN 、TP) 的非点源污染负荷, 为流域非点源控制方案的实施提供了科学的评估依据。梅立永等人在西丽水库流域非点源污染模拟与仿真研究中, 应用HSPF 模型模拟了2000年、2004年7月至2005年6月深圳西丽水库流域水量和水质的连续动态变化. 根据河流出口断面流量和污染物浓度校准与验证模型, 确定最终输出流入水库的SS 、TN 和TP 的总负荷量与非点源负荷量, 并通过判决系数r2、Nash-Sutcliffe 系数等考察模拟值与实测值的吻合程度. 其河流出流量验证期模拟值与实测值的r2和ENS 分别为0198和0159, 泥沙模拟值与实测值的r2和ENS 分别为0191和0177[20]。在中国,HSPF 模型进行非点源污染模拟的最大限制是实测数据的短缺, 从而影响了HSPF 模型的模拟效果。

2.3 HSPF模型存在的问题

HSPF 以强大的水文模型为基础, 模拟精度较高, 因此, 在许多国家得到了广泛应用, 但是非点源模型参数比较多, 基础数据要求严格, 所以仍然存在很多缺陷。

（1）HSPF 模型内部算法问题。任何模型都不是完美的，仅是现实世界的逼近．HSPF 模型依赖于很多经验关系来表达物理过程，其中的某些方案或算法仍然有改进和完善的空间。 Liu 等［21］比较了HSPF 中的PQUAL /IQUAL 和AGCHE M 的2种营养盐算法，结果认为，与AGCHEM 模块相比，PQUAL /IQUAL 算法只是一个简单的负荷算法，不能表达土壤营养盐过程，也不能模拟土壤中营养盐物质交互作用; 而AGCHEM 则能明确地表达土壤中全部的营养盐过程，如施肥、大气沉降、粪肥使用、植物吸收过程、以及转化过程． 因此，AGCHEM 模块能评价多样的管理活动，模拟营养物质的交互作用。

（2）HSPF 模型输入数据及参数敏感性分析。HSPF 模型模拟需要大量的空间数据和属性数据，尤其是土地利用数据、高程数据以及气象数据．不同来源的时

空数据输入HSPF 模型，必然会得到不同的结果。HSPF 模型对河流流量预测的精度，受到模型所包含的分散的气象数据的影响。HSPF 模拟需要大量的参数，要想得到准确的模拟结果，模型需要广泛的校准，而且模型不同参数组合可能会得到相同的模拟结果。

（3）HSPF 模型功能及扩展问题。由于模型本身的限制，有些问题不能单靠某个特定的模型完成，需要模型的综合或者二次开发。SPF 模型限于均匀混合的河流、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 与其它模型整合以解决更加综合的问题。

第三章 HSPF研究展望

3.1 研究方向展望

HSPF 模型已经在以美国为主的世界多个国家或地区得到了大量的应用。 可以预见，其应用与研究将会越来越广泛。 纵观已有研究进展，HSPF 模型将来研究有2 个主要方向。

一方面，针对发展与完善HSPF 模型的研究仍将继续，包括模型平台开发、模型功能扩展、模型校正方法研究、参数敏感性研究等方面。目前，HSPF 模型由EPA 和USGS 共同支持，以BASINS 为基础的模型平台在各方面将不断完善。另一方面，HSPF 模型的应用研究将会更加广泛。HSPF 模型将在不同的国家和地区，针对气候变化、土地利用变化等多种自然过程或人类活动对水文、水质的影响，以及流域或地区水资源、水环境综合管理问题解决等方面有更多的应用。

3.2 HSPF在我国的应用及展望

HSPF 模型在我国应用相对较少，只是近几年在云南滇池流域、河北大阁河流域、广东西丽水库流域、东江流域等地进行了少量应用研究[22,23]。 研究结果表明，HSPF 模型在流域水文过程模拟，氮、磷、SS 、BOD 、DO 等水质要素模拟方面均有较好的表现。HSPF 对输入数据要求较高，需要有连续降雨、蒸发等时间序列数据，同时也要有相应的连续水文水质监测数据来校正模型。另外，由于HSPF 模型基于美国国情开发，在我国应用时，不可避免地具有引进国外模型应用中存在的共性问题。土壤数据、气象数据的分类、格式等方面都需要进行相应的调整，增加模型输入数据与参数的不确定性分析也是提高HSPF 模型在我国应用精度的重要环节。将来随着我国气象、水文、水质数据基站的增多，及其土地利用数据、土壤数据、植被数据等基础空间数据开放共享程度增大，模型数据限制问题将逐渐弱化。HSPF 模型在我国的应用将更加广泛。

结论

随着经济的发展，使得水环境的压力越来越大，各种水体污染随之而来，当然不同的水质模型也应运而生。按照水质模型的研究与发展，可将水质模型的发展历史认为三个阶段，从美国人第一次提出S-P 模型到现在开发出更完善智能有效的WASP 、QUAL 、BASINGS 、MIKE 等。这些模型在环境领域发挥着举足轻重的作用，用于水质模拟和预警预测 ，进行水质评价，为水环境的综合治理与科学管理提供科学依据。在本文中，不管是水质模型的发展历史，模型分类，还是研究现状，以及对未来水质模型的发展要求，都做了概述。然后，本文详细介绍了HSPF 模型，在HSPF 模型的结构与功能的介绍中我们知道了HSPF 的核心是由透水地段水文水质模块( PERLND) 、不透水地段水文水质模拟模块( IMPLND) 、以及地表水体水文水质模拟模块( RCHRES)，可以对径流和泥沙、BOD 、DO 、氮、磷、农药等污染物的迁移转化和负荷的连续模拟。重点展示了HSPFM 模型在非点源中的应用研究，其中，HSPF 在水文模拟和非点源污染与水质模拟的环节，本文对国内外运用这一模型来治理非点源污染进行详细的综述，并且提到了一些HSPF 模型中存在的以及未来要解决的问题。最后本文描述了HSPF 模型在我国水环境中的具体应用以及对HSPF 研究方向进行了展望。

总而言之，本文是一篇不错的初步了解水质模型和HSPF 模型的综述。

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