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.     

枯、平、丰水期长江3条支流表层水中多氯联苯的分布特征及风险评价

采用GC-MS/MS技术对长江3条支流(沱江、藕池河下游和松澧洪道)在不同水期的81个表层水样进行分析.实验发现样品表层水样中PCB8、18和28是优势污染物.∑PCBs在沱江、藕池河下游和松澧洪道3条支流不同水期表层水中的几何均值分别为1.96~2.59 ng ·L^-1、1.84~2.54 ng ·L^-1和1.52~2.38 ng ·L^-1,含量均低于美国EPA连续暴露基准(14 ng ·L^-1).实验结果与国内外相关文献报道值相比较,显示该研究区域表层水中PCBs浓度处于较低水平,癌症风险评价结果表明饮用该区域水摄入PCBs而带来的风险为0.15×10^-7~0.26×10^-7,说明研究区水样中因PCBs污染引起的癌症风险较低.     

黄土丘陵区坡面水蚀对降雨和下垫面微观格局的响应

黄土高原严重的土壤侵蚀是降雨和复杂脆弱的下垫面共同作用的结果.以微型小区尺度上(1.2 m×1.2 m;2 m×1.2m)模拟降雨技术为基本研究手段,定量刻画了降雨量和降雨强度等基本降雨特征值对定西安家沟自然坡面上荒草、沙棘中位、沙棘下位、沙棘上位、结皮裸地和裸地等不同植株微观格局及其处理下的水蚀过程的影响.主要取得以下结果:①雨强和雨量对水蚀的发生均能产生显著影响,但以雨强的影响力更大;②前期土壤含水量与产流时间显著负相关,而与径流量和侵蚀量显著正相关.前期含水量相同时,不同植株微景观格局对产流时间发挥了关键作用;③不同植株及其微观格局遏制地表径流的能力迥异.在50～60 mm.h-1的大雨强作用下,有沙棘覆盖的小区径流系数仅为5%～8%,荒草地为25%,结皮裸地为45%,而裸地则高达63%;④有沙棘覆盖的小区中,沙棘在小区中所处的具体位置对于水土流失效应又极为重要,以沙棘下位的水土保持效果最好.     

绿地再生水灌溉土壤微生物量碳及酶活性效应研究

再生水灌溉引起了土壤理化性质的变化,其对土壤生物活性的影响备受关注.以再生水利用较典型的北京为研究区,分层采集了不同再生水灌溉历史的城区公园绿地与城郊农田表层土壤样品,测定并分析了一些常规理化指标、土壤微生物量碳及5种土壤酶（脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、脱氢酶和过氧化氢酶）活性,探讨长期再生水灌溉下土壤微生物量碳和酶活性的变化.结果表明,再生水灌溉下公园绿地土壤微生物量碳和酶活性均高于其自来水对照灌区,农田上升不明显.与对照相比,公园绿地与农田再生水灌区0～20 cm土层土壤微生物量碳平均含量分别上升了60.1%和14.2%,公园绿地再生水灌区0～20 cm土层中土壤酶活性平均增幅为36.7%,而农田为7.4%.调查区土壤微生物量碳及酶活性均随土壤深度的增加而降低,其中公园绿地0～10 cm与10～20 cm土层间差异极显著.因此,北京地区城市绿地使用再生水长期灌溉有助于提高土壤生物活性.     

再生水灌溉利用的生态风险研究进展

污水再生回用因其具有显著的社会、经济及生态效益,已成为缓解水资源危机的一项重要举措.城市绿地和农业灌溉作为再生水的主要利用途径之一,在国内外已经得到广泛推广实践.为了解国内外在再生水灌溉利用风险方面的研究进展,本文围绕再生水典型污染物包括盐、氮、重金属和新型污染物、病原菌等,从对土壤质量、植物生长、地下水质量和公众健康等几方面,对再生水灌溉利用的生态风险进行了系统分析.结果表明,盐分及盐离子是再生水灌溉利用的主要风险,灌溉利用导致疾病传播的风险始终存在,而新型污染物的生态风险是科学研究热点.借鉴国外经验,分别就城市绿地和农业的灌溉提出了风险管理措施.最后,提出了加强长期定位研究和模型研究,建立再生水水质、灌溉管理与生态风险的有机关联,进行再生水灌溉土壤承载力评价和建立风险管理体系等5项建议,以促进再生水安全利用.     

松花江流域冰封期水体中多环芳烃的污染特征研究

在松花江流域的3个主要江段：嫩江、第二松花江和松花江干流,于2010年冰封期采集了21个水体样品,分析了多环芳烃的污染特征.结果表明,15种PAHs的浓度范围为23.4～85.1 ng·L-1,平均浓度为（50.3±17）ng·L-1,与我国其它地区地表水中PAHs的污染程度相当.松花江流域水体中PAHs具有明显的空间分布特征,城市下游浓度高于上游,说明沿岸城市的污水排放可能是松花江水体中PAHs的主要污染源,主成分分析表明,PAHs的主要来源是化石燃料的燃烧源.商值法生态风险评价结果显示,相对分子质量高的PAHs造成的生态风险可以忽略,相对分子质量低的PAHs对松花江水体会造成一定的危害.     

城市绿化草坪再生水灌溉对地下水水质影响研究

再生水是城市绿化的良好水源,但其潜在的地下水污染问题不容忽视.本研究基于对地下水及其灌溉水水质的长期监测,探讨了绿化草坪地下水主要理化性质和污染物浓度的变化规律及其与灌溉用水水质的关系.连续5 a的监测结果表明,再生水氨氮超出用于城市绿化的城市杂用水水质标准（GB/T 18920-2002）,总氮偏高,二者变化范围分别为0.05～65.4 mg·L-1和2.56～78.0 mg·L-1,平均值分别为12.0 mg·L-1和28.3 mg·L-1.使用自来水灌溉,地下水水质指标正常,波动不大;用再生水灌溉草坪（冬末初春4个月未浇）对地下6 m浅井水质影响明显,对20 m深井水质影响不明显,主要变化表现在硝态氮浓度值升高.浅井地下水硝态氮浓度与灌溉的再生水溶解态氮呈滞后的显著正相关性,表明用再生水灌溉草坪可能会引起地下浅层水硝态氮污染.因此,需要根据城市绿化用水量大的特点,进一步完善再生水回用标准,避免再生水回用造成新的环境污染风险.     

再生水灌溉土壤人工合成麝香累积模型模拟

人工合成麝香(HHCB/AHTN)是近几年来受关注较多的药品与个人护理品(PPCPs)类新型污染物之一,再生水灌溉是HHCB/AHTN输入土壤的主要途径.本研究结合再生水灌溉土壤的实地检测结果,采用HYDRUS-1D模型,模拟了长期灌溉再生水条件下土壤中HHCB和AHTN的迁移转化和累积趋势.结果表明,尽管土壤中这两种麝香的含量极低,但是再生水灌溉土壤中的含量是自来水灌溉土壤的5倍;再生水灌溉下HHCB/AHTN累积趋势从lgKoc较低为3.44时的指数型增加,到lgKoc较高为4.12和4.86时的线性增加;半衰期的变化对再生水灌溉途径输入土壤的HHCB/AHTN的表层累积影响并不明显;再生水灌溉下土壤中HHCB/AHTN的垂直迁移能力较小,灌溉40 a以后最大迁移距离只有53 cm,且受Koc变化的影响较大;通过灌溉水途径进入土壤的HHCB和AHTN通过生物降解与植物吸收途径消解的比例较低,最高只占输入总量的7.69%,但是随着lgKoc的减小和灌溉时间增加,通过生物降解和根系吸收的消解率增加.本研究结果能够为准确评估再生水灌溉途径引起的土壤中人工合成麝香HHCB/AHTN的生态风险提供依据.     

模型模拟土壤性质和植被种类对再生水灌溉水盐运移的影响

为推动再生水安全灌溉,本研究运用ENVIRO-GRO模型模拟了不同土壤性质、植被条件下土壤盐分的分布规律及累积趋势,探讨了土壤性质和植被种类对再生水灌溉水盐运移的影响.研究发现,不同土壤初始含盐量下,经多年重复模拟后最终达到统一的平衡状态;而不同土壤质地下,随着灌溉年份的增加,壤土、黏壤土中的土壤ECe年均值逐渐增加直到平衡,砂壤土中的土壤ECe年均值逐渐减少直到平衡,平衡时土层中的ECe值砂壤土〈壤土〈黏壤土.3种植被下,大叶黄杨、油松的土壤ECe值增加量小于早熟禾;土壤盐分在土层中的空间、时间分布也均有所不同.此外,不同模拟情景下,土壤盐分累积都不会影响植被的生长（黏壤土除外）,但均出现轻度盐渍化（砂壤土除外）.     

模型模拟再生水灌溉对土壤水盐运动的影响

随着水资源供需矛盾日益尖锐,污水再生利用成为了缓解北京水资源紧缺的重要举措.为推动北京再生水安全灌溉,本研究运用ENVIRO-GRO模型模拟缺水城市北京再生水灌溉土壤水盐运动规律,并对土壤盐分累积进行预测,探讨了不同灌溉措施对土壤水盐运动规律和盐分累积的影响.结果表明,高水量、常规、低水量灌溉,平衡时土壤含盐量（ECe）年均值分别增加了29.5%、97.2%、197.8%;灌溉频率对土壤水盐运动规律影响不大,但低频灌溉下土壤中盐分的累积有减少的趋势;灌溉水含盐量（ECw）为0.6、1.2、2.4 dS.m-1灌溉条件下,平衡时ECe的年均值分别增加了23.7%、97.2%、208.5%,自来水灌溉下土壤盐分虽有增加,但土壤未出现盐渍化.总的来说,目前北京常规再生水灌溉,平衡时土壤盐分累积不会影响早熟禾的生长,但土壤会出现轻度盐渍化.