HSPF径流模拟参数敏感性分析与模型适用性研究

选择太湖丘陵地区典型小流域,在分析径流模拟关键参数敏感性的基础上,对HSPF模型进行了率定与验证,并评价了该模型在太湖丘陵地区的适用性.采用基于扰动分析法的相对灵敏度方法,分析了影响水文过程的AGWRC、UZSN、INFILT、LZSN、DEEPFR这5个关键参数的敏感性,进而通过参数调整对模型率定与验证,模拟估算了2005～2010年的径流量.其中率定期径流模拟的偏差百分比均控制在10%以内,分别为-6.39%、-8.76%、9.66%,模拟精度很好;验证期偏差百分比分别为-13.31%、5.22%,模拟结果在良好范围内.在率定期和验证期,模型的效率系数(Ens)分别达到了0.87、0.69,相对误差(RE)分别为1.63%、4.14%,精度满足模拟要求,模拟结果能反映中田河流域年径流量变化规律.研究结果表明,HSPF模型在太湖丘陵地区模拟流域径流量具有较好的适用性,对该地区水文过程模拟具有科学指导意义,也为HSPF模型在国内不同地区的应用和推广提供借鉴.     

多时间尺度HSPF模型参数不确定性研究

模型参数的不确定性是水文模型应用研究领域的重点与难点.本研究以密云水库东北部的潮河流域为例,构建了潮河流域HSPF水文模型,并采用1998~2010年逐月地表径流量数据对模型参数进行校准与验证,并结合GLUE算法分析了模型参数的敏感性和不确定性.结果表明:(1)经过参数调整,HSPF模型径流模拟取得了较好的效果,率定期和验证期的纳什系数分别为0.84和0.55;(2)可将影响HSPF模型的参数分为3类,即全局敏感性参数(LZSN、INFILT、IRC和AGWRC)、局部敏感性参数(UZSN)和不敏感参数(DEEPFR、BASETP、AGWEPT、INTFW和CEPSC);(3)不同敏感性参数间存在复杂的相关关系,参数组合(LZSN与INFILT)、(INFILT与UZSN)和(UZSN与AGWRC)间均呈极显著负相关关系;(LZSN与UZSN)和(UZSN与AGWRC)呈极显著正相关;(4)HSPF模型参数存在大量复杂的"异参同效"现象,证实影响模拟结果优劣的是参数组合而非某一参数值;(5)模型不确定性发现,模型预测的不确定性范围与降雨量密切相关,即降雨量越大,模型预报的不确定性就越大,反之亦然;(6)不同时间尺度下HSPF模型的模拟效果总体较好,但是也存在一定差异性,年尺度、季节尺度和月尺度下不确定性范围分别包含了81.80%、78.70%和80.56%的观测值,即年尺度效果略优于月尺度和季节尺度;该研究结果可为HSPF模型在相似区域应用与参数本土化提供科学参考和借鉴.     

基于SWAT模型的碧流河流域入海径流模拟研究

利用多源综合数据,建立碧流河流域SWAT（soil and water assessment tool）分布式水文模型,对模型进行了率定验证。结果表明:率定期模型纳什效率系数Ens、决定系数R2及相对偏差PBIAS分别为0.80、0.86、18.9%,模型不确定性P因子、R因子分别为0.78、0.58,验证期Ens、R2及PBIAS值分别为0.87、0.88、1.9%,建立的SWAT模型在碧流河流域中径流模拟总体效果较好,不确定性较小。通过建立流域水文模型,可以解决海洋科研业务工作中监测覆盖的入海河流有限、入海径流量难以获得的问题,为污染物入海通量评估提供高分辨率的流量数据。     

参数空间分布对非点源污染模拟的影响

以大宁河流域为研究区域,应用非点源模型SWAT（soil and water assessment tool）,模拟了参数空间分布对流域径流和营养物质流失的影响.利用大宁河流域巫溪水文站2000～2004年的实测数据对模型进行了率定和验证,将流域划分为6种数量不等的子流域,利用相同的模型参数输入,模拟了不同的流域划分方案对径流和营养物质流失的影响.结果表明,不同的流域划分方案,年平均流量的最大相对误差为19.6%,6种方案年平均流量的效率系数为0.52～0.82,月平均流量的效率系数为0.80～0.83,随着子流域数量的增加,径流量出现了先下降、后上升的趋势;有机氮和有机磷的最大相对误差分别为16.2%和7.7%,不同的流域划分方案对营养物质的流失产生了轻微的影响,但没有明显的变化趋势和规律.     

AnnAGNPS模型数据库的建立及径流模拟应用——以桃江流域农业区为例

AnnAGNPS模型可以连续模拟和预测来自流域的地表径流、沉积物、污染负荷。借助GIS平台及1stOp(tFirst Optimization)工具,以桃江小流域农业区为例,详述了AnnAGNPS模型数据库(包括土壤、土地利用、地形、气象、作物管理、径流曲线等)相关参数的提取和确定过程;并基于已建立的数据库对桃江流域农业区的径流进行了模拟和适用性评价,采用的3个评价指标(相对误差Re<10%,效率系数Ens≥0.9,相关系数R2>0.9)均达到较高精度要求,表明AnnAGNPS模型适用于桃江流域研究区的径流模拟,反映了数据库建立的正确性。     

非点源污染模型AnnAGNPS在三峡库区林农复合小流域模拟效果评定

应用连续农业非点源污染AnnAGNPS模型(Annualized AGricultural NonPoint Source Model)模拟三峡库区林农复合小流域的径流、泥沙和营养物输出,以2003年和2004年的小流域观测数据对模型分别进行校准和验证,并以统计参量决定系数(R2)、Nash-Sutcliffe效率系数(E)和相对误差(VE)对模拟结果进行评定.结果表明,径流量模型模拟结果误差在可接受范围之内,模型校准期模拟值VE值为5.0%(R2=0.93,p<0.05),验证期内模型VE值为6.7%(R2=0.90,p<0.05);与径流模拟比较,泥沙模拟结果精度较低,校准期内模型VE值为15.1%(R2=0.63,p<0.05),验证期内模型VE值为26.7%(R2=0.59,p<0.05);次降水较小,产生径流和泥沙较少时,模型模拟值则偏高,反之则偏低.氮输出模拟决定系数R2值0.68(p<0.05),略高于磷输出模拟决定系数(R2=0.65,p<0.05).模型对径流输出的模拟精度高于对泥沙和营养物的输出模拟.在三峡库区农林复合小流域应用AnnAGNPS模型模拟农业非点源污染输出满足流域管理要求.     

基于TM数据北京城区水体叶绿素a浓度反演方法研究

叶绿素是城市水体富营养化的重要表征参数.以北京城区重点水体为研究对象,利用2011年6月8日TM遥感影像及同步获取的实测数据,在对TM数据进行几何校正和大气校正等预处理的基础上,选取相关性最大的TM2/(TM1 +TM4)波段组合进行叶绿素a浓度反演;利用2008 ～ 2010年的历史TM影像及人工水质站点准同步的实测数据,对模型的精度及适用性进行分析得出:回归模型适用于30 m以上的北京城区水体叶绿素a浓度监测,相对误差为17.04％.     

HSPF水文水质模型应用研究综述

HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)模型采用FORTRAN语言编写,以Stanford水文模型为基础,能够综合模拟径流、土壤流失、污染物传输、河道水力等过程,并大量应用于气候变化与土地利用变化的流域水环境效应情景模拟.该模型是半分布式水文水质模型的优秀代表,在国外得到广泛的应用.HSPF模型包括PERLND、IMPLND与RCHRES等3个主要模块,分别实现对透水地段、不透水地段与地表水体的水文水质模拟.总体来看,HSPF模型在国外水文、水质过程模拟,以及涉及气候变化和土地利用影响的情景分析中发挥重要作用,但是国内该模型的应用非常有限.HSPF模型存在的主要问题包括:①模型中某些方案和算法还有改进和完善的空间;②模型对数据输入要求较高,模拟的精度受到空间和属性等数据的限制;③模型只限于均匀混合的河流、水库和一维水体模拟,对于复杂流域或水体的模拟研究,需要与其它模型整合以解决更加综合的问题.目前,针对发展与完善HSPF模型的研究仍在继续,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.随着我国基础数据的积累及共享程度的提高,HSPF模型在我国的应用也将更加广泛.     

CE-QUAL-W2模型应用探讨

通过二维纵向横向平均水动力学和水质模型(CE-QUAL-W2模型)对山仔水库进行水力学和水质的模拟,运用2006年4月至2006年5月的实际观测数据校正模型参数,并对山仔水库不同流量下的水质情况进行预测.模拟结果显示:温度分布在水库水体中存在空间和时间的异质性:水质重要组分如溶解氧,浮游生物量,总溶解固体,正磷酸盐,硝酸盐氮等的模拟值同观测值非常相近:调节水库的流量对改善水体水质情况有很大的作用.     

AnnAGNPS模型在潋水河流域产水、产沙的模拟评价

日益严重的土壤侵蚀造成了土地退化、水体污染等一系列的环境和生态问题,利用基于过程的数学模型已成为流域土壤侵蚀状况定量评价和控制的有效方法.利用美国农业部开发的流域尺度AnnAGNPS模型,设计了基于地形特征的cell离散方案,在多种地理数据采集和参数化的基础上,对江西兴国潋水河流域1991～2005年的径流、产沙过程进行了分布式计算机模拟.在对产水量进行径流滤波分析的基础上,分别对模型模拟的地表径流和产沙量进行了校正和验证.地表径流模拟结果多年平均相对误差为11.8%,确定性系数R2为0.94,产沙量模拟结果的多年平均相对误差为19.71%,确定性系数R2为0.77.表明AnnAGNPS能较好地模拟潋水流域年、月尺度的地表径流和产沙过程.地下径流模拟结果误差较大,其原因和地下径流模拟模块在潋水流域的适用性有待进一步研究检验.对潋水流域土壤侵蚀定量分析表明,潋水流域的年平均侵蚀模数为1 150.29.t(km2.a)-1,属于轻度侵蚀等级,流域内侵蚀较严重的区域集中分布于居民地附近和公路沿线,其水土流失与人类活动有很大关系.     

基于HSPF模型的滇池流域非点源污染模拟

 介绍HSPF模型的主要结构和功能,通过对该模型参数的灵敏度分析和参数调整,利用滇池流域各入湖河流1988,1989年的水质监测数据及相关统计资料,分别对该流域的水文、水质过程进行了模拟.结果表明,SS是滇池流域非点源污染的首要污染物,大约80%的入湖SS来自非点源.在枯水年(1988年),非点源贡献了约1/3的TN、TP入湖负荷量.而BOD的主要贡献者则是点源污染.     

基于PEST的HSPF水文模型多目标自动校准研究

参数校准是流域水文模型构建的关键步骤之一。针对HSPF水文模型,系统梳理并形成PEST-HSPF多目标自动校准的输入、输出、交互、迭代和终止等流程,以滇池流域中和子流域为研究对象（数据为1999—2010 年日流量）,与人工校准（HSPEXP）和单目标校准做对比分析。结果表明：①提出的以日流量、月流量和流量频率的偏差最小化为目标函数、各目标初始偏差的倒数为权重的校准思路,可实现相对人工、单目标更好的模拟精度、变化趋势和一致性;②人工校准擅长于把握径流总量和年际变化趋势,但对于日径流过程（精度和变异性）改进效果有限;③多目标自动校准不仅平衡了3 类目标函数的偏差贡献,还能一定程度上继承各目标函数的优势,在捕捉日月总径流量、整体变化趋势、局部变异性、不同保证率特征值上表现出可靠的特征。     

Water quality issues in the Nakdong River Basin in the Republic of Korea

A framework for evaluating alternative management strategies for the Nakdong River Basin in the Republic of Korea (South Korea) was developed and applied jointly by Argonne National Laboratory in Argonne, Illinois, USA, and the Research Institute of Industrial Science and Technology in Pohang, South Korea. Water from this basin, the second largest in South Korea, supports a total population of more than 13 million people. Rapid industrial expansion, urbanization, and population growth have dramatically increased the demand for water and have severely degraded water quality, particularly near large industrial complexes and in the lower portion of the basin. Management strategies for the entire basin through to the year {dy2011} were evaluated with a computer model for basin-wide predictions of water flow and quality (HSPF). This continuous-event model was developed and calibrated using site-specific data for the basin over a two-year period (1994-1995) that included periods of both high (monsoonal) and low (drought) flows. Water quality impacts for different wastewater treatment strategies were assessed in terms of biochemical oxygen demand (BOD), nitrogen (N) and phosphorous (P) levels. The results of the study indicate that BOD levels in the main stem of the Nakdong River below the Kumhogang (a major tributary with low flow and heavy pollution loads) cannot be significantly improved by reducing direct BOD loads from point sources along the river. To reduce main stem BOD levels, the nutrient loading to the river must be reduced. In order to reduce these loads, additional advanced treatment methods (i.e., tertiary treatment) must be incorporated in the treatment facilities to remove N and P. The discharge inventory data further suggest that a large portion of N and P loads are derived from non-point agricultural practices. Reduction of these loads is difficult to accomplish and may require extensive modifications in agricultural and land-use practices. The modeling frame-work developed provides a means to evaluate these and other basin management strategies.     

Water quality issues in the Nakdong River Basin in the Republic of Korea

A framework for evaluating alternative management strategies for the Nakdong River Basin in the Republic of Korea (South Korea) was developed and applied jointly by Argonne National Laboratory in Argonne, Illinois, USA, and the Research Institute of Industrial Science and Technology in Pohang, South Korea. Water from this basin, the second largest in South Korea, supports a total population of more than 13 million people. Rapid industrial expansion, urbanization, and population growth have dramatically increased the demand for water and have severely degraded water quality, particularly near large industrial complexes and in the lower portion of the basin. Management strategies for the entire basin through to the year 2011 were evaluated with a computer model for basin-wide predictions of water flow and quality (HSPF). This continuous-event model was developed and calibrated using site-specific data for the basin over a two-year period (1994-1995) that included periods of both high (monsoonal) and low (drought) flows. Water quality impacts for different wastewater treatment strategies were assessed in terms of biochemical oxygen demand (BOD), nitrogen (N) and phosphorous (P) levels. The results of the study indicate that BOD levels in the main stem of the Nakdong River below the Kumhogang (a major tributary with low flow and heavy pollution loads) cannot be significantly improved by reducing direct BOD loads from point sources along the river. To reduce main stem BOD levels, the nutrient loading to the river must be reduced. In order to reduce these loads, additional advanced treatment methods (i.e., tertiary treatment) must be incorporated in the treatment facilities to remove N and P. The discharge inventory data further suggest that a large portion of N and P loads are derived from non-point agricultural practices. Reduction of these loads is difficult to accomplish and may require extensive modifications in agricultural and land-use practices. The modeling framework developed provides a means to evaluate these and other basin management strategies.     

密云水库流域非点源污染负荷估算及特征分析

采用改进的输出系数模型,以研究区实测数据为基础,结合基于水文水质资料和文献数据的方法确定输出系数取值,估算了密云水库上游潮河和白河流域平水年(2000年)和丰水年(2010年)的非点源污染负荷.结果表明:①通过对降雨和地形的表征,改进的模型降低了估算误差,总氮、总磷在平水年和丰水年的模拟误差均降低20％以上,可以更精确地模拟污染负荷的时空分布情况.②总氮、总磷负荷量在平水年和丰水年分别为7505.28 t、997.88 t和10022.1 t、1075.6 t,总氮负荷量随降雨径流量的增加而有显著增大,但总磷负荷增加不大,反映出总氮负荷量在不同水文年份中变化显著.③来自流域农业非点源污染的总氮、总磷负荷量占总负荷的85％以上.总磷主要来自于农村生活污染源,占70％以上,2000年与2010年比例变化不大;总氮污染,在2000年主要来自于农村生活,占当年污染负荷总量的31.44％,而2010年主要来自禽类养殖,占当年污染负荷总量的27.27％,反映出10年间经济发展导致主要污染源发生变化.④污染高风险区空间分布的总体特点是“东高西低,局部集中,分布不均,靠近水体”,密云县、赤城县以及丰宁县等人口密度较大、以农业种植和畜禽养殖为主要产业的地区为污染负荷总量较高的区县.     

京杭运河(杭州段)河网水质模拟

京杭运河杭州段河网属于典型的平原河网地区,根据平原河网的水流以及污染特点,利用一维对流扩散方程建立了该地区河网水质模型,采用全隐中心差分格式离散方程,并用追赶法求解。对京杭运河杭州段河网进行水质模拟,并利用2007年上半年常规水质监测断面水质监测数据对模型计算结果进行验证。验证结果表明水质模拟结果较为理想,模型能较为准确的反映河网水质变化趋势,可以用于该地区河网水质改善研究。     

Groundwater pollution due to discharge of tannery effluents in Upper Palar basin, Tamilnadu, India: an assessment through mass transport modeling

The groundwater regime in Upper Palar basin, Tamilnadu has been highly contaminated in several locations due to discharge of effluents from a large number of tanneries. At some places total dissolved solids (TDS) concentration in groundwater was found as high as 8000 mg/l. Transmissivity and storativity of the regional aquifer were estimated at a few locations. The porosity and dispersivity values were not determined in the field. These parameters were assumed based on data available for similar geological formations elsewhere. The aquifer conceptualization thus arrived at formed the basis of a numerical groundwater flow model which was constructed using the finite difference method. The flow model was calibrated for steady state and then for transient condition for the period of 1984-92. The computed heads and calibrated parameters of the flow model were used to compute groundwater velocities. The migration of contaminants for a 20 year period was computed using the hydraulic heads and effective porosity value in a pathline model using FLOWPATH software. Mass transport model was constructed using Method of Characteristics (MOC) computer code in a separate model. The seepage rate of effluent is assumed at a rate of 30% of that discharged on the surface. The mass concentration of solute in the effluent reaching the water table was assumed as 40%, the same as in the surface effluent. The mass transport model was calibrated for a 20 year period. Prediction of contaminant migration from different clusters in the basin was analyzed. The prediction results indicated elevated TDS concentration of more than 4000 mg/l from most clusters. Also the area of the contaminated zone is likely to double in 20 years from contaminated zone of 1992.     

非点源污染负荷模型的比较与选择

随着点源污染治理的深入,非点源污染的严重性日益凸显。对非点源污染进行定量化和有效控制的方法是通过非点源污染负荷模型对各类非点源的形成、迁移转化以及负荷量进行模拟。然而,非点源污染模型大都由发达国家开发,而且结构和参数各不相同,如何在实际应用中选择适合的模型成为非点源污染模拟的重要问题。文章选择国内常用的SWAT、HSPF、AnnAGNPS和GWLF 4个非点源污染模型,从结构、输入输出以及所应用的流域来对模型进行比较,最后给出非点源污染模型在国内使用时,模型选择的原则和建议。