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HSPF模型综述
1. 模型概述
1.1模型介绍
HSPF，全称水文模拟模型，是由美国国家环境保护局于1981年开发完成的．1998年，美国环保署又开发完成了一套基于GIS技术 的整合式平台系统 BASINS．该系统把HSPF模型集成在具有强大空间数据存储和处理能力的 Arcview上，为HSPF自动提取模拟区域的地形地貌、土地利用、土壤植被、河流等数据，以及非点源污染负荷的长时间连续模拟提供了方便．发展至今，HSPF模型又集成了HSP、ARM、NPS等模块．它将常见的污染物和毒性有机物模拟纳入到模型中，能够实现多种污染物地表、壤中流过程及蓄积、迁移、转化的综合模拟．HSPF模型是半分布式综合性流域模型的优秀代表．在国外已经被广泛应用于水、颗粒沉积物、营养盐、化学污染物、有机物质和微生物等的模拟研究，在我国，由于缺乏大量基础数据，对 HSPF模型的研究还处于起步阶段．
HSPF模型将模拟地段分为透水地面、不透水地面、河流或完全混合型湖泊水库三部分，其主模块包括透水地段水文水质模拟模块（PERLND）、不透水地段水文水质模拟模块 （IMPLND）以及地表水体模拟模块（RCHRES）．三大模块下按照功能又分为水文模块、侵蚀模块和污染迁移转化模块等子模块，可以实现对径流、颗粒沉积物、营养盐、化学污染 物、有机物质和微生物等的连续模拟（见图1）．

图1 HSPF模型结构与功能
1.2模型基础数据库
模型需要的输入数据主要有：(1)流域的数字高程模型(DEM)．用来划分子流域和确定出流路径；(2)土地利用数据．主要用来计算植被生长、耗水和地表产汇流；(3)土壤数据．用来计算壤中流和浅层地下水量；(4)气象数据，包括日降雨资料、日最高最低气温、风速、日辐射量、相对湿度、气温站位置高 程、雨量站位置高程等，用来计算流量和蒸散发量n1；(5)农业管理措施和水库和湖泊位置、出流点等；(6)监测站数据．包括各水质参数数据，例如总氮、总磷、BOD等；(7)社会经济数据，包括人口普查数据、人口密度数据等．

1.3水文过程模拟
HSPF模型水文模块在非点源模型中是最为完善的,它以StanfordIV机理模型为基础，将研究区域分为透水地面和不透水地面两种类型，针对不同地面水文过程进行模拟．模型将研究区域自上而下分为树冠层、植被层和各土壤层（包括表层土壤、上土壤层、下土壤层和地下水涵养层）．降水在这些垂直的存储层间进行分配．透水地面的模拟考虑降雨或降雪、截留、地表填洼、渗透、蒸散发、地表径流、壤中流和地下水流等水文过程．降雨或降雪被地面截留一部分，再扣除地表填洼、下渗、蒸发，最后形成地表径流．不透水地面的模拟考虑降雨或降雪、截留、蒸散发、地表径流．降雨或降雪经扣除屋顶集水、沥青变湿及植被截留后形成地表径流．降雨最终由地表径流、壤中流和地下水流进入河流.
1.4泥沙侵蚀模拟
相比目前很多模型釆用的通用土壤流失方程 （USLE），HSPF 模型对泥沙侵蚀的模拟更具有机理性．它将侵蚀过程分为雨滴溅蚀、径流冲刷和径流运移等若干子过程，分别对其进行模拟．泥沙侵蚀模拟过程包括降雨对透水地面土壤的剥蚀，对不透水地面的冲刷以及地表径流对泥沙的输移过程．用于模拟泥沙剥蚀和迁移过程的数学方程是基于Meyer和 Wischmeier 所提出的降雨对土壤表面侵蚀的算法．泥沙随水流的演进输移，HSPF模型采用 Toffaleti 、collby 或幂函数法以及临界切应力原理进行模拟．泥沙的传输按照泥沙粒径大小，粉沙和粘粒的传输、沉降和冲刷根据临界剪切应力原理判断产生沉积或是冲刷，沙粒的传输可以用Toffaleti、collby 或幂级数函数法来计算.
1.5污染物迁移模型
HSPF模型污染物迁移模块考虑了污染物在多种环境介质之间的迁移转化过程，考虑了污染物在土壤中的状态、含量，及其受到各种物理化学过程及生物过程的影响，可以模拟输出BOD、DO、营养物、农药和微生物等多种污染物负荷．尤其对氮的模拟，模型综合考虑了溶解态，吸附态氮，有机氮和无机氮，氮素间的相互转化，以及氮素与环境介质间的迁移等多个过程．
1.6模型的适用性
HSPF模型结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优点，是一个可以模拟流域内连续的水文过程以及水质变化过程的模型．①模型集成于BASINS系统平台，实现了模拟区域地形地貌、土地利用、土壤植被、河流等数据的自动提取．与SWAT模型相比，它包含融雪模块，因此对冬季径流的模拟具有优势．②对于降雨径流， HSPF模型能够将降水径流过程按某一尺度进行空间划分，对每一区域降雨、下渗等过程分别进行动态和连续的模拟．③对于子流域，HSPF模型每个子流域间具有承接关系，并可根据不同需要调整子流域水文响应单元大小．既实现了分布式模拟，又能减少计算冗余，同时避免了类似分布式的结构假定函数与实际不符而造成的错误．④对于模拟尺度，HSPF模型主要用于农业和城市混合型的不同时空尺度流域，能够模拟时间尺度为小时的产汇流过程．模型中WD－Mutil软件可将现有气候气象数据进行衍生和扩充，延长了模拟时间序列.
2 国内外HSPF模型的研究进展
2.1水文过程与情景模拟分析
许多研究表明，HSPF模型在不同地区的水文过程模拟中均有很好的表现． Alarcon等利用 HSPF 模型模拟墨西哥湾北部 Mobile Bay 流域的水文过程，结果表现很好。HSPF模型比FLO-2D 模型在模拟洪峰流量和径流退水周期方面表现较好． Hayashi 等成功整合 HSPF与PRM( Paddy Runoff Model) 和 LDM( Lake Discharge Model) 模型，进行了长江流域中下游地区的日径流模拟．Tzoraki 等尝试用 HSPF 模型描述喀斯特流域水文． Kourgialas 等也利用 HSPF 模型模拟了一个洪水频发的喀斯特河流流域的地表和地下水径流水文过程，模拟 结果和野外观测数据具有很好的一致性 ． DiazRamirez 等研究表明， HSPF 能够用来模拟热带岛屿河流流域水文和泥沙输移过程．气候变化与土地利用变化对水文过程影响显著， HSPF 可以模拟多种气候、土地利用变化情景对不同水文过程的影响．Gncü 等利用 HSPF 模拟表明，气候变化将导致土耳其西部河流、水库及流域 的降雨径流季节变化更加显著．Choi 等将土地利用变化模型与 HSPF 模型衔接起来，定量预测流域尺度河道径流对未来城市扩张的响应． Ferrari 等利用 HSPF 模拟矿区开矿增加对洪水的影响，结果 显示洪水规模线性增加． Cho 等使用 HSPF 和 MODFLOW，模拟 Virginia 流域8 种土地利用情景对 地下 水 位 和 河 道 径 流 的 影 响． Al-Abed 和 Abdulla 等使用 HSPF 模型模拟约旦干旱地区 Zarqa 河流域的水文过程，评价半干旱流域潜在的降雨与气温变化对水平衡的影响，进一步分析不同管理措施和气候变化情景对流域水资源的影响。
2.2水质过程与情景模拟分析
HSPF 是少数几个综合流域水文和水质模拟模型之一，能够模拟来自透水地面、不透水地面的泥沙、营养盐、农药、粪大肠菌群的贡献，以及在河道和充分混合水体连续水量、水质过程．如 Ribarova 等［29］以保加利亚Iskar 河为例，研究表明HSPF 模型对预测首次洪水营养盐浓度有很好的表现． Chang 等利用 HSPF 模型和实测数据研究了台湾一个山地流域的水质和非点源污染负荷，表明大部分参 数浓度雨季较高，尤其是次降雨事件对 P 输出贡献较高．Hunter等研究了澳大利亚 Great Barrier Reef 河流域土地利用对悬浮物、氮、磷输出通量的影响． Alarcon 等利用 HSPF 模型估算了河道流量及 TN、TP 浓度，进而分析密西西比滨海地区水文估算结果对土地利用数据及地形的尺度依赖性及敏感性． Duan 等利用 GIRAS 和 NLCD 两种土地利用数据，使用 HSPF 模拟 Saint Louis 湾土地利用变化对水文和水质参数的影响，林地减少与裸地增加导致土壤侵蚀加剧，径流泥沙输出增大，水质恶化． Lee 等研究表明 HSPF 在城市、农业、林地等单一及复合的土地利用小流域水质模拟中均有很好的表现． Mishra 等研究表明， HSPF 模型在模拟印度某小流域非点源污染物损失模拟中表现很好． Isleib 等选择在波多黎各的 Lake Loiza 和 Lake La Plata 两湖以及流域，模拟 4 个小的子流域磷和粪大肠杆菌，研究能否用于检验大尺度流域的假设． Jia 等应用 GLUE ( Generalized Likelihood Uncertainty Estimation) 方法分析HSPF模拟水文和粪大肠菌群在 Moore's Creek 的迁移． Liu 等使用 HSPF 模型， 研究了小流域滨岸带土地利用变化对水文水质的定量影响． 结果显示60 m、 90 m、 120 m 的滨岸森林或湿地缓冲区能够使年径流量减少0. 26% ～ 0. 28%，硝态氮和亚硝态氮排放减少 2. 9% ～ 6. 1%，总磷排 放减少3. 2% ～7. 8%，研究表明 HSPF 是模拟滨岸带土地利用变化非点源的有效工具.
3.HSPF模型所存在的问题
HSPF以强大的水文模型为基础，模拟精度较高，因此，在许多国家得到了成功应用，现有的非点源模型参数比较多，基础数据要求严格，目前，国内对流域范围非点源污染模型的应用研究仍处于起步 阶段，大部分停留在引用国外模型在部分流域应用的水平．但国内基础数据比较薄弱，模型引入与应用仍存在障碍．在我国的应用过程中还存在一些问题，主要有以下几个方面：
1)土壤数据．HSPF模型是针对北美的土壤、植被和流域水文结构来设计的，模型自带的土壤数据库和国内的土壤分类不同，土壤编码和名称也差别较大．我国现有的土壤数据属性达不到模型要求的 精度：模型中土壤剖面有10层，我国土壤数据只做到5层(100 cm深度左右)，并且西部地区主要是1：100万的土壤图，仅东部地区有1：50万的．HSPF模型采用的土壤粒径级配标准是USDA简化的美制标准，而中国的土壤粒径级配标准与此不同．
2)植被数据．模型的土地利用数据库是根据北 美的植被类型分类，已经细分到植被的种类，与我国的土地利用分为6大类不一致，我国的土地利用数据不能直接利用，需要修改甚至需要实地观测采样， 根据遥感影像重新解译等，工作量较大．模型计算中采用了生物量方法，需要模拟的一些植被需要用户添加属性参数，而这些参数大多需要实验研究或调 查才能得到，对模型的推广应用十分不利．
3)气象模拟误差．由于我国气象站点的不均匀性和观测资料不完整等原因，需要用到WDMUtil自动补充缺失资料，根据气温和太阳辐射的月平均值和标准差等补充缺失数据，随机阵的动荡性会造成 数据不合理．因此，需要长系列的数据消减误差，消减气象模拟误差也是模型需要改进的地方之一．
4) 水质模拟中，污染物在多种环境介质之间的迁移转化，在物理、化学和生物作用的综合效应下， 污染物行为的变化是十分复杂的．由于还没有对污染物在各种介质之间的迁移过程有更充分的认识， 现有的模型在处理实际问题时不得不对污染物在介质问的迁移过程作近似假设，许多参数的随机性给 模型预测结果带来不确定性．
4.HSPF模型的研究展望
4.1 HSPF模型的研究方向展望
HSPF模型已经广泛应用于区域的水资源水环境模拟，并取得了精确的结果．未来，气候变化、土地利用覆被变化等情景模拟以及非点源污染对流域水文水质的影响，以及地区水资源、水环境综合管理问题解决仍将是研究的热点。HSPF模型若要在流域水文水质模拟上有更大的突破，需要加强以下几方面的研究：①污染物迁移转化机理的研究．现有的模型依赖于很多经验关系或近似假设来表达污染物在介质间的迁移过程，很多参数的随机性给模型预测结果带来了不确定性，其中的某些方案或算法也仍然有改进和完善的空间．②参数的敏感性及不确定性研究．由于模型所需的参数数量很大，对模拟过程参数进行敏感性分析及对参数不确定性进行定量化研究，将对模型使用效率具有重要意义．③与多学科模拟模型整合联用的研究．HSPF模型仅限于对均匀混合的河流、水库和一维水体模拟。
4.2 HSPF模型在我国的应用及展望
HSPF模型在我国应用相对较少，只是近几年在云南滇池流域、河北大阁河流域、广东西丽水库流域、东江流域等地进行了少量应用研究，研究结果表明 HSPF 模型在流域水文过程模拟，氮、磷、 SS、 BOD、 DO 等水质要素模拟方面均有较好的表现．普遍存在的问题是， HSPF 模型对输入数据要求较高，需要有连续降雨、蒸发等时间序列数据，同时也要有相应的连续水文水质监测数据来校正模型．因此，我国各地区数据相对短缺的现实，是限制 HSPF 模型在我国广泛应用的主要原因．另外，由于 HSPF 模型基于美国国情开发，在我国应用时，不可避免地具有引进国外模型应用中存在的共性问题．土壤数据、土地利用数据、气象数据的分类、格式等方面都需要进行相应的调整，增加模型输入数据与参数的不确定性分析也是提高 HSPF 模型在我国 应用精度的重要环节．将来随着我国气象、水文、水质数据基站的增 多，及其土地利用数据、土壤数据、植被数据等基础空间数据开放共享程度增大，加上不同地区野外实测数据的积累，模型数据限制问题将逐渐弱化．HSPF模型在流域水文水质过程模拟及水环境管理综合问题的能力将逐渐显现，模型在我国的应用也将更加广泛．

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