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.     

天目湖沙河水库尿素含量及其时空分布特征分析

为探索尿素在淡水生态系统中的作用,于2013年3月—2014年2月调查了江苏溧阳天目湖沙河水库及中田河入库河口中,尿素氮和不同形态氮素的含量和分布特征.结果表明,沙河水库中尿素普遍存在,全库年平均尿素氮浓度为0.016 mg·L-1(0.007—0.029 mg·L-1);河、库尿素氮含量在不同月份波动较大,施肥期的2月、6月、11月含量较高,而在非施肥期含量较低,且河、库含量更加接近;沙河水库尿素氮的空间分布随季节变化而变化,一般在下游旅游集中区和上游靠近农业区出现尿素氮含量高值.此外,沙河水库溶解性氮以无机氮库为主,有机氮占29.09%,硝态氮是库体的主要氮形态;其中尿素氮占总氮、溶解性总氮、溶解性有机氮和生物可利用氮的年平均百分比分别为1.80%、2.21%、8.31%、3.54%.相关分析表明,沙河水库尿素含量与溶解氧含量呈显著负相关,与溶解性有机氮呈显著正相关.研究表明,天目湖沙河水库尿素含量的时空变化主要受外源输入(人类活动)的影响,其时间变化规律与农业活动密切相关,空间分布差异主要受污染源(河道入库口、农业、旅游业和养殖业)分布及其活动的影响.     

太湖夏季水体中尿素的来源探析

为研究尿素氮在太湖生态系统中的作用,于夏季采集湖体及环湖河道水样进行尿素及不同形态氮素含量分析.通过河道及湖体的82个调查点位生态指标的同步分析,得出以下结果:①太湖尿素氮含量变化范围为0.011~0.161 mg·L-1,总体呈现出西北高,东南低的变化趋势,与流域主要污染源分布有关;②太湖水体溶解性氮以无机氮库为主,铵硝比为5∶1,其中尿素氮占总氮、溶解性总氮、溶解性有机氮和生物可利用氮的平均质量分数分别为2.28%、5.91%、15.86%、6.22%,生态作用不容忽视;③环湖河道的尿素氮含量比湖体高出一倍,出湖河道尿素氮含量还略高于入湖河道;④太湖尿素氮与其他形式氮之间可能存在彼此转换关系,尿素氮含量与高锰酸盐指数、不同形态氮含量均呈显著正相关关系,与溶解氧呈显著负相关关系;湖体的尿素氮含量与叶绿素a含量呈弱正相关,与底栖生物、浮游动物种群的空间分布有密切联系.本研究表明太湖水体中尿素氮可能是湖体有机、无机态氮转化的桥梁,是湖体自身氮素循环快慢的标志,氮的循环速率控制尿素氮含量,高氮(特别是有机态氮)含量及低溶解氧条件是尿素升高的前提.太湖湖体尿素含量受外源输入和内源转化的双重影响.     

中国小三江平原大规模农业开发土地利用变化对湿地的影响

小三江平原(SSP)位于黑龙江省东北部,曾经是中国最大的湿地分布区域.作为无数水禽、鱼类和植物的家园,小三江平原在全球生物多样性保护中具有重要意义.50多年的农业开发活动导致的湿地丧失和破碎化对湿地群落和生物多样性造成巨大影响.利用GIS对该区1950～2000年土地利用变化研究表明,73.6%的湿地丧失.土地利用变化的后果包括:①随着自然湿地丧失和破碎化以及生态系统退化,水禽和植物物种呈快速下降趋势;②多年土地利用变化导致了湿地水位的巨大变化;③排灌渠系和防洪堤的建设干扰了洪泛平原的动态变化;④日益减少的洪泛平原面积导致洪峰流量和径流的增加.本文重点研究上述这些变化如何对湿地生物多样性和重要湿地物种产生影响.     

三江平原典型湿地流域水文情势变化过程及其影响因素分析

湿地在流域中由于特殊的水理性质和地理位置而具有特殊的水文调节功能。但是流域水土资源的开发利用常常导致大量湿地丧失和退化,湿地水文调节功能遭到破坏。论文选择三江平原典型湿地流域为案例,详细分析了流域自20世纪60年代湿地开发以来河流流量的变化过程及其主要影响因素。结果显示,流域年均流量在1965～1999年间呈持续下降趋势,但在不同的季节月均流量、最大和最小流量变化出现差异,最小和最大流量向极端化方向发展。进一步分析主要影响因素发现,下垫面条件变化和水利工程对年均径流和流量的影响分别占76%和16%;而降水和水利工程用水对春季径流量减少的影响分别占47%和56%;下垫面条件改变和水利工程排水对秋季径流量增加、流量增大的影响分别占52%和37%。     

湿地景观破碎化对东方白鹳栖息地的影响——以三江平原东北部区域为例

以野外栖息地要素调查为基础,通过模型定量化分析,研究了三江平原东北部湿地景观破碎化过程及其对东方白鹳栖息地的影响。结果显示:当景观面积占区域面积超过50%,景观连通度高于50时,景观基质处于低度破碎化状态,景观斑块面积丧失对栖息地影响显著;当景观面积占区域面积小于30%,景观连通度低于30时,景观处于高度破碎化状态,景观空间隔离、斑块形状以及景观结构对栖息地影响更为显著。景观破碎化过程中,沼泽湿地主要在面积丧失方面对东方白鹳觅食地产生影响;而湖泡和岛状林湿地在斑块数量丧失和空间隔离方面对东方白鹳筑巢地和觅食地产生显著影响。     

小三江平原湿地水质空间分异与影响分析

2005 年春季分3 次对小三江平原湿地进行大空间尺度野外采样,获取区域内不同地理位置、多种湿地类型的水样水质数据.结合区域特点,利用有机物综合污染指数和富营养化综合指数,对25 个采样点水质进行综合评价.结果表明,湿地水质主要受有机污染和富营养化威胁;河流及其两岸湿地污染水平较低,农田中的湿地受污染较为严重;湿地污染水平与其面积大小和周围土地利用结构关系密切.河岸大面积连续分布的湿地对维持河流良好水质更为重要.     

基于景观斑块谱特征分析的湿地景观变化对丹顶鹤栖息地影响研究

选择三江平原东北部为研究区域,通过对1954～2005年6个时段景观图湿地斑块谱特征分析,结合野外丹顶鹤栖息地调查,揭示了湿地景观斑块化对丹顶鹤栖息地的影响。结果显示：①空间上,区域湿地景观以大斑块为优势地位,小斑块数量众多,总体斑块数量大;大斑块形状复杂且富有生态系统类型多样性,小斑块形状规则但异质性差;时间上,大斑块面积持续缩小,小斑块数量持续增加,景观破碎化过程明显;大斑块形状趋于复杂,内部异质性降低明显,景观多样性趋于简单化。②景观斑块化不仅导致丹顶鹤栖息地面积大量丧失,而且边缘效应和斑块异质性影响严重削弱了斑块维持栖息地的能力。③景观斑块谱特征决定了斑块资源的有效程度。在低度破碎化的景观中,斑块面积影响起主要作用,而在高度破碎化景观中,斑块形状和多样性影响更为突出。     

天目湖流域湿地对氮磷输出影响研究

选择太湖地区天目湖饮用水源地的平桥河流域与中田河流域,综合利用遥感、GIS技术和野外水质监测、实验室分析等方法,对流域湿地与河流水质关系进行研究.结果表明:①平桥河流域与中田河流域湿地数量多,斑块密度分别为7.5个.km-2与7.1个.km-2.平桥流域湿地上下游分布广泛,多位于距离河流500 m范围之外,中田河流域湿地则相对集中于下游河段500 m范围内.②湿地对流域氮磷营养盐输出具有显著的截留效果.中田流域湿地对氮具有较强的截留效果,氮素浓度自上游至下游降低明显,而对磷的截留效果表现不明显.从季节响应来看,中田流域湿地在春季和冬季表现出TN和DTN浓度与流域湿地面积百分比明显的负相关关系,平桥流域湿地则在秋季对氮输出具有显著影响,表明湿地对氮磷的截留功效具有强烈的季节效应.③合理恢复一定数量的湿地面积,特别是增加河道附近湿地面积和数量,对河流水质具有改善作用.但氮磷营养盐在流域内的输移过程复杂,湿地的面积、位置、密度、生态系统结构等因素以及流域空间尺度、地形坡度、采样时间间隔及其它土地利用类型等因素都对物质输移过程产生影响,相关理论与实践研究有待于深入展开.     

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.