韓 莉，劉素芳，黃民生，馬俊飛，魏金豹，胡 偉

（華東師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200062）

0 引 言

近年來，由于氣候變化、社會經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及土地利用類型的改變，致使河流湖泊等流域的水文水質(zhì)發(fā)生了很大變化，引起了諸如富營養(yǎng)化、水體缺氧、生物多樣性受損等一系列環(huán)境問題［1－3］，對居民生活用水和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅．因此，定量確定流域徑流量，流域內(nèi)各類污染物的負(fù)荷及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律是改善流域水環(huán)境并對其進(jìn)行有效管理的首要條件．

HSPF（Hydrologic Simulate Program－FORTRAN），全稱水文模擬模型，是由美國國家環(huán)境保護局于1981年開發(fā)完成的．1998年，美國環(huán)保署又開發(fā)完成了一套基于GIS技術(shù)的整合式平臺系統(tǒng)BASINS．該系統(tǒng)把HSPF模型集成在具有強大空間數(shù)據(jù)存儲和處理能力的Arcview上，為HSPF自動提取模擬區(qū)域的地形地貌、土地利用、土壤植被、河流等數(shù)據(jù)，以及非點源污染負(fù)荷的長時間連續(xù)模擬提供了方便［4］．發(fā)展至今，HSPF模型又集成了HSP、ARM、NPS等模塊．它將常見的污染物和毒性有機物模擬納入到模型中，能夠?qū)崿F(xiàn)多種污染物地表、壤中流過程及蓄積、遷移、轉(zhuǎn)化的綜合模擬［5］．HSPF模型是半分布式綜合性流域模型的優(yōu)秀代表．在國外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水、顆粒沉積物、營養(yǎng)鹽、化學(xué)污染物、有機物質(zhì)和微生物等的模擬研究，在我國，由于缺乏大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對HSPF模型的研究還處于起步階段．

1 模型機理

HSPF模型將模擬地段分為透水地面、不透水地面、河流或完全混合型湖泊水庫三部分，其主模塊包括透水地段水文水質(zhì)模擬模塊（PERLND）、不透水地段水文水質(zhì)模擬模塊（IMPLND）以及地表水體模擬模塊（RCHRES）［6］．三大模塊下按照功能又分為水文模塊、侵蝕模塊和污染遷移轉(zhuǎn)化模塊等子模塊［7］，可以實現(xiàn)對徑流、顆粒沉積物、營養(yǎng)鹽、化學(xué)污染物、有機物質(zhì)和微生物等的連續(xù)模擬．

1．1 水文過程模擬

HSPF模型水文模塊在非點源模型中是最為完善的［8］．它以StanfordⅣ機理模型為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域分為透水地面和不透水地面兩種類型，針對不同地面水文過程進(jìn)行模擬．模型將研究區(qū)域自上而下分為樹冠層、植被層和各土壤層（包括表層土壤、上土壤層、下土壤層和地下水涵養(yǎng)層）．降水在這些垂直的存儲層間進(jìn)行分配．透水地面的模擬考慮降雨或降雪、截留、地表填洼、滲透、蒸散發(fā)、地表徑流、壤中流和地下水流等水文過程．降雨或降雪被地面截留一部分，再扣除地表填洼、下滲、蒸發(fā)，最后形成地表徑流．不透水地面的模擬考慮降雨或降雪、截留、蒸散發(fā)、地表徑流．降雨或降雪經(jīng)扣除屋頂集水、瀝青變濕及植被截留后形成地表徑流．降雨最終由地表徑流、壤中流和地下水流進(jìn)入河流．

1．2 泥沙侵蝕模擬

相比目前很多模型釆用的通用土壤流失方程（USLE）［9］，HSPF模型對泥沙侵蝕的模擬更具有機理性．它將侵蝕過程分為雨滴濺蝕、徑流沖刷和徑流運移等若干子過程，分別對其進(jìn)行模擬．泥沙侵蝕模擬過程包括降雨對透水地面土壤的剝蝕，對不透水地面的沖刷以及地表徑流對泥沙的輸移過程．用于模擬泥沙剝蝕和遷移過程的數(shù)學(xué)方程是基于Meyer和Wischmeier所提出的降雨對土壤表面侵蝕的算法．泥沙隨水流的演進(jìn)輸移，HSPF模型采用Toffaleti、collby或冪函數(shù)法以及臨界切應(yīng)力原理進(jìn)行模擬．泥沙的傳輸按照泥沙粒徑大小，粉沙和粘粒的傳輸、沉降和沖刷根據(jù)臨界剪切應(yīng)力原理判斷產(chǎn)生沉積或是沖刷，沙粒的傳輸可以用Toffaleti、Collby或冪級數(shù)函數(shù)法來計算．

1．3 污染物遷移模擬

HSPF模型污染物遷移模塊考慮了污染物在多種環(huán)境介質(zhì)之間的遷移轉(zhuǎn)化過程［10］，考慮了污染物在土壤中的狀態(tài)、含量，及其受到各種物理化學(xué)過程及生物過程的影響，可以模擬輸出BOD、DO、營養(yǎng)物、農(nóng)藥和微生物等多種污染物負(fù)荷．尤其對氮的模擬，模型綜合考慮了溶解態(tài)，吸附態(tài)氮，有機氮和無機氮，氮素間的相互轉(zhuǎn)化，以及氮素與環(huán)境介質(zhì)間的遷移等多個過程．

2 HSPF模型的適用性

HSPF模型結(jié)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優(yōu)點，是一個可以模擬流域內(nèi)連續(xù)的水文過程以及水質(zhì)變化過程的模型．①模型集成于BASINS系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了模擬區(qū)域地形地貌、土地利用、土壤植被、河流等數(shù)據(jù)的自動提取．與SWAT模型相比，它包含融雪模塊，因此對冬季徑流的模擬具有優(yōu)勢．②對于降雨徑流，HSPF模型能夠?qū)⒔邓畯搅鬟^程按某一尺度進(jìn)行空間劃分，對每一區(qū)域降雨、下滲等過程分別進(jìn)行動態(tài)和連續(xù)的模擬．③對于子流域，HSPF模型每個子流域間具有承接關(guān)系，并可根據(jù)不同需要調(diào)整子流域水文響應(yīng)單元大?。葘崿F(xiàn)了分布式模擬，又能減少計算冗余，同時避免了類似分布式的結(jié)構(gòu)假定函數(shù)與實際不符而造成的錯誤．④對于模擬尺度，HSPF模型主要用于農(nóng)業(yè)和城市混合型的不同時空尺度流域，能夠模擬時間尺度為小時的產(chǎn)匯流過程．模型中WDMUtil軟件可將現(xiàn)有氣候氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行衍生和擴充，延長了模擬時間序列．

3 研究進(jìn)展

近幾年，HSPF模型在流域降雨徑流，污染物遷移轉(zhuǎn)化，土地利用覆被及氣候變化對流域水文水質(zhì)的影響上有較多應(yīng)用．

3．1 徑流

徑流模擬是研究其它水文問題的基礎(chǔ)，也是水文模擬研究中最基本最重要的一個環(huán)節(jié)．HSPF模型能夠按某一尺度進(jìn)行空間劃分，模擬動態(tài)連續(xù)的降雨徑流過程．Kourgialas等將HSPF模型用于洪水頻發(fā)的喀斯特地區(qū)Koiliaris河的地表和地下水的徑流模擬，模擬結(jié)果較好［11］．Hsu比較了HSPF模型和FLO－2D模型對洪峰流量和徑流退水周期的模擬效果，證明HSPF模型模擬結(jié)果更好［12］．Lee等利用HSPF模型模擬了小流域徑流量和水質(zhì)，推薦用于水域管理［13］．Diaz－Ramirez成功地將HSPF模型應(yīng)用于Luxapallila流域和Rio Caonillas集水區(qū)日流量模擬［14］．國內(nèi)，薛亦峰應(yīng)用HSPF模型對潮河支流大閣河流域進(jìn)行徑流量模擬，模擬流量多年相對誤差為0．17，Ens為0．87，表明HSPF模型對研究區(qū)流域長期的連續(xù)徑流量模擬具有較好的適用性［15］．

徑流與降雨事件密切相關(guān)，而降雨極具隨機性，諸如氣象數(shù)據(jù)的分散性，時間和空間分辨率的不同，都會給模擬帶來很大的不確定性，影響徑流模擬的精度．Diaz－Ramirez［16］利用HSPF模型評估了美國阿拉巴馬州亞熱帶濱岸集水區(qū)3場降雨數(shù)據(jù)集對水文過程模擬的影響．研究發(fā)現(xiàn)，降雨事件的高度空間變異性會使徑流模擬結(jié)果產(chǎn)生很大的不確定性．程曉光［17，18］利用HSPF模型對北京媯水河流域徑流量進(jìn)行了模擬，并對參數(shù)進(jìn)行了不確定性分析．發(fā)現(xiàn)不確定性范圍與徑流大小密切相關(guān)，徑流愈大其不確定性范圍愈大．為提高模型預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性，需要對這些不確定性進(jìn)行定量化研究和分析．將不同尺度、不同來源的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化處理進(jìn)行融合，構(gòu)建具有多時空尺度、多分辨率和精度的輸入數(shù)據(jù)集，是減少模型輸入不確定性的有效途徑．

3．2 污染物遷移

通過模型模擬的方式對污染物遷移進(jìn)行定量化研究，已成為當(dāng)前進(jìn)行流域非點源污染研究的重要途徑之一．HSPF模型能夠?qū)崿F(xiàn)3種沉積物和BOD、DO、氮、磷、農(nóng)藥等多種污染物的地表、壤中徑流過程和蓄積、遷移、轉(zhuǎn)化的綜合模擬［19］．Akter將HSPF模型應(yīng)用于評價泰國Mun河流域不同土地利用對河流水質(zhì)的影響．經(jīng)RID校準(zhǔn)模型參數(shù)，模型對徑流的模擬結(jié)果較好，研究結(jié)果表明農(nóng)業(yè)用地和總氮呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性．Ouyang用HSPF模型研究了美國佛羅里達(dá)州Cedar－Ortega河流域排放到Lower St．Johns河汞的負(fù)荷，為流域研究汞污染提供了一個很好的案例［20］．Jeon將HSPF模型用于BOD5的模擬，模擬誤差在可接受范圍［21］．Kourgialas利用HSPF模擬了洪水暴發(fā)時的流速及沉積物的輸移負(fù)荷，結(jié)果表明，當(dāng)除草率增加時，洪水深水波隨流量、流速和沉積物輸移負(fù)荷增加而降低［22］．Tsai利用HSPF模型模擬了山體滑坡造成沉積物輸送到水庫的比率［23］．Ouyang利用HSPF模型評價了密西西比河Lower Yazoo河流域植樹造林對輸沙量和水流的影響，結(jié)果表明森林面積的成倍增加將會使近似兩倍水流量和輸沙量減少［24］．Patil將HSPF模型用于美國路易斯安那州Amite河流域硝態(tài)氮負(fù)荷的計算，結(jié)果表明，硝態(tài)氮負(fù)荷隨著數(shù)據(jù)時間尺度的增大而降低［25］．Topalova利用HSPF模型模擬了河流沉積物中有機質(zhì)的遷移過程，結(jié)果表明總的脫氫酶、硝酸鹽還原酶和磷酸酶的活性可以被用作水質(zhì)管理和遷移率預(yù)測的有效工具［26］．國內(nèi)，張恒將HSPF模型與回歸模型結(jié)合，對廣東省東江流域中淡水河流域的非點源負(fù)荷進(jìn)行計算，研究結(jié)果顯示，模型較好地再現(xiàn)了SS、CODCr、NO3－－N及TP在2010年內(nèi)的通量隨時間的變化過程［27］．李偉利用HSPF模型對模型苕溪流域的水文、泥沙、營養(yǎng)鹽等非點源污染負(fù)荷進(jìn)行了模擬［28］．姚錫良構(gòu)建研究流域的HSPF模型模擬了圣堂斷面控制流域各非點源污染物的逐日過程，分析得出2010各類污染負(fù)荷單位產(chǎn)出量最高的集中在耕地或建設(shè)用地，最少的為水域或荒地［29］．

近幾年，因流域水資源、水環(huán)境綜合管理的需要，流域生物學(xué)指標(biāo)評價越來越受到重視．HSPF模型應(yīng)用于流域微生物的模擬已有很多報道．Fonseca等將HSPF模型用于葡萄牙萊利亞地區(qū)勒拿河流域點源及非點源污染對河水水質(zhì)的影響，建議有必要改變廢水管理措施，以防止以糞大腸桿菌為主的污染物增加［30］．Kim等利用HSPF模型研究了美國費吉尼亞州Hardware河的日細(xì)菌負(fù)荷，模擬結(jié)果顯示，細(xì)菌主要來自于家畜、野生動物的直接排放以及土壤的滲透［31］．Petersen利用HSPF模型對美國休斯頓布法羅灣大腸桿菌進(jìn)行了模擬，研究表明，徑流在所有水流中攜帶細(xì)菌最多［32］．Rolle用HSPF模型模擬了一個海岸的糞大腸桿菌的遷移、污染來源及主要污染區(qū)域，結(jié)果表明，污染主要來自森林而不是養(yǎng)殖區(qū)，這和以往的報道完全不同［33］．Desai利用HSPF模型評價了細(xì)菌對德克薩斯州城市水體的影響［34］．

然而，模型對污染物遷移轉(zhuǎn)化的模擬仍然比較粗略，尤其是細(xì)菌等微生物的遷移過程及影響因素等需要有更深入及精確的研究．另外，由于流域非點源污染過程具有復(fù)雜性，單憑一個模型很難得到非點源污染各個過程理想的模擬結(jié)果．將各類流域模型耦合聯(lián)用或?qū)δＰ瓦M(jìn)行二次開發(fā)將是發(fā)展趨勢．Hsu整合HSPF模型和TRIGRS模型預(yù)測了土壤侵蝕，淺層滑坡時的產(chǎn)沙量，模擬結(jié)果良好［35］．Ciou將HSPF模型與CE－QUAL－W2模型結(jié)合，模擬了臺灣一個水庫2002—2003年污染物負(fù)荷，將結(jié)果用BMPs的優(yōu)選和布置．在未來的發(fā)展中，水質(zhì)評價也將不僅僅局限于現(xiàn)有的小部分參數(shù)，如溶氧、營養(yǎng)鹽濃度、農(nóng)藥和微生物等［36］．水質(zhì)模擬將向更廣的物理化學(xué)、生物學(xué)及形態(tài)學(xué)方向發(fā)展．

3．3 土地利用及覆被變化

HSPF模型能夠根據(jù)需要設(shè)立不同土地利用覆被變化情景，評價其對水文水質(zhì)的影響，為流域管理提供決策依據(jù)．Liu等利用HSPF模型模擬次集水區(qū)濱岸帶土地利用變化對水文水質(zhì)的影響，結(jié)果表明60、90和120 m的濱岸林或濕地緩沖帶可使年均流量降低0．26%～0．28%，硝酸鹽和亞硝酸鹽負(fù)荷減少2．9%～6．1%，總磷減少3．2%～7．8%［37］．Duan用HSPF模擬了Saint Louis灣土地利用變化對水文水質(zhì)的影響，結(jié)果表明，林地減少和裸地增加將導(dǎo)致土壤侵蝕加劇，徑流泥沙輸出量增大，水質(zhì)惡化［38］．He在區(qū)域發(fā)展的基礎(chǔ)上設(shè)立可能的城鎮(zhèn)化情景．利用HSPF模型，模擬了美國上圣克拉拉河年徑流量和豐水期流量變化情況．結(jié)果表明，快速發(fā)展增加了年總徑流量和豐水期流量，而降低了枯水期和豐水期的基流和地下水補給［39］．Ferrari等利用HSPF模型模擬礦區(qū)開礦增加對洪水的影響，結(jié)果顯示洪水規(guī)模呈線性增加趨勢［40］．Praskievicz等使用HSPF模型設(shè)定了2種土地利用變化情景模擬土地利用變化對水文、泥沙、營養(yǎng)鹽輸出的影響［41］．Cho等將HSPF模型和MODFLOW結(jié)合，模擬了8種土地利用情景對河道徑流和地下水位的影響［42］．

國內(nèi)，白曉燕采用HSPF模型模擬了東江流域1980、2000和2008年土地利用情景下的徑流過程，并識別了不同土地利用類型對水文效應(yīng)的敏感性．結(jié)果表明，土地利用變化對流域的洪水過程影響顯著．耕地的減少和城鎮(zhèn)用地的擴張使徑流量增加，林地面積的增加使徑流量減少［43］．何泓杰利用HSPF水文模型對流溪河流域進(jìn)行非點源污染負(fù)荷估算以及不同時期土地利類型變化所造成的影響．結(jié)果表明，林地、草地和水域濕地的非點源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最小，耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地貢獻(xiàn)率最大［44］．

未來，HSPF模型將模擬除氣候變化、土地利用變化以外多種自然過程或人類活動對水文、水質(zhì)的影響．模型將從模擬單一土地利用變化或氣候變化情景，擴展到復(fù)雜土地利用、多種氣候變化情景及組合，以解決更加綜合的水環(huán)境問題．

3．4 氣候變化

氣候變化對水文過程影響顯著，HSPF模型可對多種氣候變化情景進(jìn)行模擬，評價大氣CO2濃度變化、氣候變化對植被、水文、污染物釋放等的影響．Butcher等利用SWAT和HSPF模型研究了流域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)［45］．兩個模型預(yù)測結(jié)果表明，隨著氣候變化，CO2濃度升高，徑流量增加．G ncü利用HSPF模擬了土耳其西部21世紀(jì)前五十年氣候變化對河流流量、水庫容量的影響［46］．結(jié)果表明，氣候變化將導(dǎo)致河流、水庫及流域的降雨徑流季節(jié)變化更加顯著．Tong設(shè)立了LMR流域到2050年5種氣候變化情景，利用HSPF模擬了這些變化情景下河水流量和氮遷移過程．研究結(jié)果表明，氣候變化將使LMR流域流量和總氮總磷濃度升高［47］．He利用HSPF模型對USJRW流域以積雪為主的5個源頭流域氣候變化對水文系統(tǒng)的敏感性進(jìn)行了分析．結(jié)果表明，USJRW流域流量對氣候變化最敏感．即使降水沒有變化，年總流量仍然會隨著溫度升高而下降18%～23%［48］．Kim將HSPF模型應(yīng)用于氣候變化條件下流域水量水質(zhì)的管理問題，將其應(yīng)用于韓國城市水量大量消耗、水質(zhì)惡化的流域，模擬結(jié)果良好，為流域規(guī)劃管理提供了依據(jù)［49］．Taner利用HSPF和UFILS4模型模擬了氣候變化對紐約Onondaga湖集水區(qū)水文及熱平衡的影響，模擬結(jié)果顯示，洪峰流量增加，將增大營養(yǎng)鹽的輸出［50］．Lopez等利用HSPF模型對流域水文對氣候變化的敏感性，模擬了流量變化和輸水率的變化［51］．國內(nèi)，鄧曉宇使用HSPF模型定量分析了影響期氣候變化和人類活動對信江流域徑流的影響及其各自的貢獻(xiàn)率．結(jié)果表明，氣候變化對徑流的影響分量在65．6%～88．0%之間，人類活動對徑流的影響分量在12．0%～34．4%之間［52］．

由于現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)的嚴(yán)重不足，對氣候變化預(yù)測在空間及時間尺度上進(jìn)行降尺度，是解決這一問題的有效辦法．降尺度處理還可以提高模擬精度，從而改善模擬結(jié)果．Jun利用加拿大全球耦合模型（CGCM3）和統(tǒng)計降尺度模型（SDSM）模擬出未來氣象數(shù)據(jù)，再利用HSPF模型模擬未來徑流量和水質(zhì)［53］．GUO等通過HadCM3降尺度數(shù)據(jù)與HSPF水文模型耦合，探討了未來氣候變化情景下媯水河流域日最高、最低氣溫與降水量的變化情況．結(jié)果表明，媯水河流域未來90年的氣溫總體呈升高趨勢，而降水量和地表流量呈減小趨勢，流域干旱加劇的可能性進(jìn)一步加大［54］．

4 展 望

HSPF模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于區(qū)域的水資源水環(huán)境模擬，并取得了精確的結(jié)果．未來，氣候變化、土地利用覆被變化等情景模擬以及非點源污染對流域水文水質(zhì)的影響，以及地區(qū)水資源、水環(huán)境綜合管理問題解決仍將是研究的熱點．在我國，隨著實測數(shù)據(jù)的不斷積累及數(shù)據(jù)共享平臺不斷開放，水文水質(zhì)的模擬將不再受到數(shù)據(jù)的限制，HSPF模型在我國的應(yīng)用也將更加廣泛．

但從目前流域水文水質(zhì)模擬的研究現(xiàn)狀來看，HSPF模型若要在流域水文水質(zhì)模擬上有更大的突破，需要加強以下幾方面的研究：①污染物遷移轉(zhuǎn)化機理的研究．現(xiàn)有的模型依賴于很多經(jīng)驗關(guān)系或近似假設(shè)來表達(dá)污染物在介質(zhì)間的遷移過程，很多參數(shù)的隨機性給模型預(yù)測結(jié)果帶來了不確定性，其中的某些方案或算法也仍然有改進(jìn)和完善的空間．②參數(shù)的敏感性及不確定性研究．由于模型所需的參數(shù)數(shù)量很大，對模擬過程參數(shù)進(jìn)行敏感性分析及對參數(shù)不確定性進(jìn)行定量化研究，將對模型使用效率具有重要意義．③與多學(xué)科模擬模型整合聯(lián)用的研究．HSPF模型僅限于對均勻混合的河流、水庫和一維水體模擬．因此對于復(fù)雜流域或水體的模擬研究，需要將HSPF模型與其它模型整合以解決更加綜合的問題．

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