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.     

基于AnnAGNPS模型四岭水库小流域氮磷流失特征的模拟研究

采用流域尺度的农业非点源污染模型——AnnAGNPS模拟预测苕溪流域四岭水库小流域氮磷流失情况,分析氮磷流失空间分布特征.结果表明,单位面积总氮、总磷流失量在空间分布上有一定的相似性,均呈现出南部大于北部,西部高于东部的特点.以竹林地为主的林地是氮磷输出的最主要来源,其对氮、磷流失总量的贡献率在90%以上.设定不施肥处理(CK)、适地养分管理(SSNM)、当地高产竹农普遍采用的施肥方法(FFP)这3种施肥方式对林地主要植被类型竹林进行情景分析,模拟结果表明,与FFP相比,SSNM在一定程度上减少了氮磷输出,其中溶解性氮和颗粒态氮流失量分别削减8.17%、4.33%,溶性磷和颗粒态磷流失量依次减少9.08%、1.02%.     

沂蒙山区典型小流域降雨径流的磷素输出特征

以沂蒙山区孟良崮小流域为研究对象,通过监测2010年自然降雨条件下流域出口污染物的流失状况,选取降雨量>2mm的10场降雨,分析降雨径流特征对磷素流失的影响.结果表明,次降雨径流中总磷(TP)、颗粒态全磷(PP)、水溶性全磷(DP)、水溶性无机磷(DIP)浓度变化与流量变化过程不一致,浓度峰值均出现于流量峰值之前,而磷素通量与流量变化过程较为一致,且两者呈较好的线性关系;次降雨径流TP、PP、DP、DIP的浓度最大值及平均浓度(EMCs)差异均较大,其主要受降雨量、最大雨强和平均雨强影响,与降雨历时无显著相关关系,而浓度最小值差异较小;TP以PP流失为主,DP以DIP流失为主,DIP/DP的动态变化与降雨历时、降雨量、最大雨强和平均雨强均无显著相关关系,而PP/TP的动态变化与最大雨强显著相关.DIP、DP、TP的输出受地表径流(DR)和基流(BF)的影响较大,DIP/DP的动态变化及DIP、DP、TP的EMCs与DR/TR(地表径流/总径流量)存在多项式关系,而PP/TP的动态变化和PP的EMCs受DR/TR影响较小.     

北京市近郊区土壤砷累积特征

城市近郊区土地利用类型多元化,同时也承载着巨大环境压力,研究近郊区土壤污染特征对城市规划及发展有着重要意义.通过3 km×3 km网格布点,系统采样调查了北京市近郊区5～6环路之间167个样点的0～20 cm表层土壤样品中砷的含量,分析了城市近郊区土壤砷的累积特征.结果表明,北京市近郊区土壤砷含量为2.89～11.38 mg.kg-1,平均值为7.11mg.kg-1.平均值在90年代末的背景值调查数据的范围之内,但是各个分位数级别的值均小于80年代初的北京市土壤背景值调查数据.因子分析结果发现北京市近郊区土壤砷与来源于成土母质的Co、Mn和Ni元素一组.克里格插值得到的北京市近郊区土壤砷含量空间分布图表明,西北与东部及东南部分土壤砷含量较东北和西南部高,砷含量最高25%的土壤样点与点源污染有关,而砷含量最低25%的样点大多远离污染源.不同土地利用类型土壤砷的比较结果表明人类活动在一定程度上影响土壤中砷的累积,生活区与农田土壤砷含量相似且显著大于绿地和荒地.污染源对生活区和绿地与荒地土壤中砷的累积有显著影响,工厂区附近的土壤砷含量显著比远离工厂区和交通区的土壤高.因此,北京市近郊区土壤砷在整体空间分布上主要与成土母质有关,然而人类活动在一定程度上也显著增加了土壤砷的累积.     

挥发性有机污染物排放控制标准制订中的关键技术问题研究

研究分析了挥发性有机污染物排放标准制订中4个关键技术问题:污染因子选择、控制指标确定、限值的确定以及技术管理措施.结果表明,应根据毒性和光化学反应性选择污染因子;确定控制指标应既考虑有组织控制指标,又考虑无组织的控制指标;确定排放限值应明确是基于控制技术还是基于健康风险;同时制定技术管理措施以通过源头和过程控制挥发性有机污染物排放.     

湘中矿区不同用地类型面源Cd输出负荷的原位实验研究

受污染土壤重金属随降雨径流输出已成为河流、湖泊等水体重金属超标的主要来源之一,近年来日益受到关注.研究表明湘江中下游农田土壤重金属超标问题日益严峻,以镉超标最为严重.研究以湘中矿区Cd超标农业小流域为实验场,选取流域内水稻、旱田、荒草地这3类土地利用模式设置径流小区进行自然降雨水文过程的原位观测.结果表明,雨水pH值由春季到夏季呈升高趋势,径流水相溶解态Cd浓度呈明显的季节性差异,春季显著高于夏季,雨水pH值可显著影响土壤溶解态Cd向径流水相迁移,与径流水相溶解态Cd浓度呈负相关关系.相同降雨条件下,稻田径流水相溶解态Cd浓度显著低于旱田和荒草地,旱田与荒草地Cd面源输出负荷显著高于水稻田,由于降雨量差异,3类土地利用类型溶解态Cd面源输出负荷的季节性规律不明显.本研究可为流域尺度重金属面源输出负荷定量估算以及湘江流域水环境安全与水质预警提供数据支持和科学依据.     

黄河下游滩区开封段土壤重金属分布特征及其潜在风险评价

按照土壤采样规范,对开封段黄河滩区及滩外土壤采样,表层0～20 cm样品48个,垂直剖面采样100 cm,2个;并按照土壤化学分析方法,对Pb、Cr、Hg、As和Cd这5种重金属进行分析;最后,按照国家土壤一级标准,采用单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和Hkanson潜在生态危害指数法对开封市黄河滩区土壤重金属分布特征、污染状况和潜在生态危害进行了分析.结果表明:①开封市黄河滩区土壤Pb、Cr、Hg、As和Cd这5种重金属含量就平均值而言,Cr的平均含量最大,Pb、Hg的平均含量最小.除Hg之外,其它重金属元素的变异系数均较小,说明重金属Hg存在较大差异;滩区土壤的主要污染元素为Hg、As、Pb,其中Pb的污染为普遍性污染.Cr和Cd在各村间变化不大,且含量均在国家一级标准(自然保护区)以下.②土壤各重金属元素的空间分布特征研究区内上下段之间分异明显,上段呈清洁状态,中段有少量污染,下段表现出明显富集的分布状态;③以黄河大堤为界,滩区内外重金属分异与居民点分布密切相关,在滩区上段(西南部)居民集中,土壤各重金属浓度较高,表现为沿河区<大堤外,中下游段(滩区东北部)重金属含量大于大堤外土地,下游段东北趋向于污染富集.④以重金属平均单项潜在生态风险指数(Eri)评价表明,开封市黄河滩区土壤Hg的潜在生态风险达到强烈水平,Pb在重金属综合潜在生态风险的贡献率高达50.5%,是最主要的生态风险重金属,各个重金属的污染程度为Hg>Pb>As>Cd>Cr.⑤各重金属生态危害的次序为Hg>Cd>As>Pb>Cr.由RI值对应的潜在生态风险等级可知,开封市黄河滩区土壤存在中等级别重金属潜在生态危害.     

不同玉米品种对新鲜城市污泥处理效果的初步研究

寻求城市污泥安全农用的方法是当前城市污泥处理处置的重要研究课题之一.采用小区试验,研究了8个玉米品种对新鲜城市污泥处理效果.结果表明:所选择的8个玉米品种均可以在污泥上生长,大丰5品种对锌的累积量最低,04杂1品种对镉累积量最低,会单4品种对铜和铅累积量最低;玉米种植可显著降低城市污泥中的含水率,比不种玉米的对照处理(69.43%)水分去除率提高9.05%~17.50%,有利于城市污泥的干化及后续利用;各玉米品种植株中的总养分(氮+五氧化二磷+氧化钾)均高于有机肥标准(NY525—2012)的总养分要求,而重金属镉和铅的质量浓度除赛田3品种外其他品种均低于农用有机肥标准(NY525—2012)的限量值;玉米种植后城市污泥中的总养分和锌、镉、铜、铅4种重金属质量浓度变化很小.可见,利用玉米处理新鲜的城市污泥既可降低城市污泥中的水分,又可以产生一定量优质的有机肥原料,为城市污泥的资源化利用提供新思路.     

大型炼锌厂周边土壤及蔬菜的汞污染评价及来源分析

采集某大型炼锌厂周边的耕种土壤及蔬菜样品,分析其汞含量,并采用单项污染指数法及相关标准对土壤和蔬菜的汞污染状况进行了评价.结果表明,炼锌厂周边的耕种土壤和蔬菜都受到了不同程度的汞污染.土壤样品汞的超标率为78%,其中污染最严重区域土壤中的汞浓度是背景点土壤汞浓度的29倍,已达到重度污染程度.所有蔬菜样品的汞含量超过无公害蔬菜重金属限量指标,最大超标64.5倍,平均超标25.4倍.85%的蔬菜样品叶片中汞含量明显高于根部汞含量,说明叶片中的汞主要来自于大气;蔬菜根部汞含量与土壤汞含量明显线性相关,说明根部的汞主要来自于土壤.炼锌厂汞排放对其周边土壤和蔬菜的汞污染均有显著的影响.     

东北三省畜禽养殖类固醇激素排放及其潜在污染风险

以东北三省畜禽养殖数量统计数据和养殖结构分析为基础,对黑龙江、吉林和辽宁省畜禽养殖类固醇激素排放量进行了估算,并初步探讨了畜禽粪便中类固醇激素对当地水体的潜在污染风险.结果表明,由于养殖数量的增加,东北三省畜禽粪便所排放的类固醇激素量均持续增大.在1998～2008年的10 a间,辽宁、吉林和黑龙江三省的类固醇激素排放量分别增长了2 272.7、1 951.1和1 634.8 kg,并且省会城市沈阳、长春和哈尔滨的增长最为明显.东北三省各城市中畜禽粪便类固醇雌激素排放量最大的是长春,达到874.7 kg;哈尔滨和沈阳的排放量在各自省份中也是最大,分别为652.7 kg和603.1 kg·辽宁省的畜禽类固醇激素排放总量在东北三省为最多,所排放类固醇雌激素的雌二醇等当量浓度EEQs预测值也最高,达到17.1ng·L-1.如果以英国环保署(Environment Agency,United Kingdom)建议的最低可观测效应浓度10 ng·L-1为参考依据,辽宁省在目前的畜禽养殖规模和结构下,所排放的粪便类固醇雌激素极有可能会对地表水体中的水生生物产生内分泌干扰效应.