2009-HSPF模型及其在非点源污染研究中的应用
大气污染模型介绍
2、 AERMOD模型 AERMOD模型的设计是基于统计理论的正态烟羽 模式。其包含三个方面的内容：AERMOD（大气扩散 模型）、AERMAP（ AERMOD 地形预处理）和AERMET （ AERMOD 气象预处理）。 AERMOD特殊功能包括对垂直非均匀的边界层的 特殊处理，不规则形状的面源的处理，对流层的三 维烟羽模型，在稳定边界层中垂直混合的局限性和 对地面反射的处理，在复杂地形上的扩散处理和建 筑物下洗的处理。
ADMS模型的优缺点 优点：1）ADMS可详细的模拟3000个网格污染源， 1500个街道污染源和1500个工业污染源（包括点源、 面源和体污染源）能够同时模拟。 2）ADMS中交通线源的污染物排放量计算，使用一 个污染排放因子的数据库，其可以与污染排放数据 库连接。 3）ADMS可以与商业化地理信息系统（例如Mapinfo 和ArcView）软件结合在一起。ADMS的气象处理器 可以处理各种输入数据。如风速、日期、时间、地 表热力通量和边界层高度计算边界层参数等。 缺点：1） ADMS模型无法计算复杂的风场。 2） ADMS模型现阶段中文版的某些功能还不够完善， 而英文版对于操作人员有一定的要求性，不利于普 及。
AERMOD模型应用 ① 杨洪斌、张云梅、邹训东、刘玉彻等在沈阳应用 AERMOD模型系统还礼并验证了空气扩散模型。 ② 丁峰、李时蓓、蔡芳等对 AERMOD模型系统在国 内环境影响评价中实例验证的研究成果，宁波市 北仑地区SO2、NO2 预测浓度值与现状监测的比 值在0.5～2.0的频率数分别为64.3%、85.7%。 ③ 王格利用铁岭市在2004年的PM10（可吸入颗粒） 和SO2大气环境监测资料、污染排放清单资料和 气象资料，运用AERMOD模型对铁岭市大气环境 质量区域进行了评价。 ④ 刘永清对AERMOD模型种采用的大气边界层理论 和大气扩散方法进行了分析。
基于PAF和ICLR模型的大气多环芳烃人体暴露肺癌风险评价:以合肥市为例
基于PAF和ICLR模型的大气多环芳烃人体暴露肺癌风险评价：以合肥市为例夏琳琳;王建兵;黄颖珊;王儒威【期刊名称】《环境化学》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】城市有机污染物排放引起的致癌风险是当前人群健康研究关注热点.本研究以安徽省会合肥市为案例,以多环芳烃(PAHs)为研究对象,结合实地采样分析以及超额终生致癌风险模型(ILCR)和人群归因模型(PAF)对城市不同区域、季节、人群的致癌风险进行评估,并采用蒙特卡洛模型解析不同模型的致癌风险评估差异.研究表明,合肥市大气PAHs暴露所引起的额外肺癌每百万人为9.47,ILCR与PAF模型模拟结果具有较好的一致性,而PAF模型的参数敏感性较高.合肥城市PAHs的致癌风险的空间分布、季节变化以及人群分布都存在显著的空间异质性:城市中心道路交通高排放区和郊区农业活动强度大区域的致癌风险较高;秋冬PAHs的浓度水平较高导致较高致癌风险;室外活动频繁的成年人致癌风险高,儿童的风险易感性高.因此,城市人群健康风险综合管控需要系统考虑不同污染排放源的分布差异.【总页数】8页(P856-863)【作者】夏琳琳;王建兵;黄颖珊;王儒威【作者单位】广东工业大学生态环境与资源学院;中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室;暨南大学环境学院【正文语种】中文【中图分类】R73【相关文献】1.我国10城市冬季大气颗粒物中多环芳烃污染及呼吸暴露风险评价2.南太湖地区湖州市大气 PM 中多环芳烃的研究2.5--污染现状和人体暴露健康风险评价3.石家庄市大气细颗粒物中多环芳烃呼吸暴露健康风险评估4.基于HI和Risk模型的化妆品中多环芳烃暴露风险评估5.合肥市大气PM_(2.5)中多环芳烃分布特征、源解析及致癌风险评价因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
HSPF模型在水文与水环境中的进展研究
专业研讨中华传奇８４HSPF 模型在水文与水环境中的进展研究◎.刘卫红/宜昌升华新能源科技有限公司.....摘要：HSPF（Hydrological.Simulation.Program-Fortran）模型是在Stanford 水文模型的基础上发展起来的。
作为半分布式水文水质模型的优秀代表，HSPF 模型能够综合模拟河道水力、流域径流、土壤流失、污染物迁移等过程，从而被广泛应用于流域水文与水环境研究中。
通过概述HSPF 模型研发与整合的发展历程，以及模型中PERLND、IMPLND 与RCHRES 等3个主要模块结构，且综述了模型在土地利用变化、水文过程、非点源污染模拟以及模型参数校验等方面的研究进展。
关键词：HSPF 模型；模拟应用；水文近年来，随着社会经济的快速发展、气候变化及土地利用方式的改变，导致了水污染主要方式由点源向非点源污染转换。
而非点源污染具有隐蔽性、随机性、分散性、难以监测和不易量化处理等特点，同时，它和流域径流、土壤流失、物质迁移等水文过程紧密相连，因此研究难度极大。
所以通过构建数学模型，对其进行长时间和大空间序列的模拟是解决该问题的一种有效方。
一、HSPF 模型的发展和模块结构（一）HSPF 模型的发展20世纪70年代末，美国环保署发现运用模型模拟的方法在解决复杂的水资源问题中具有很大的价值，因此，他们在SWM 模型的基础上研发一个较为复杂的FORTRAN 程序，其包含了HSP 、ARM （1978）和NPS （1979）三种模型的功能，之后扩展形成HSPF 模型。
20世纪80年代到90年代，美国地质调查局（USGS ）的产品ANNIE ，WDM 和HSPEXP 极大地推动和简化了流域模型的应用。
之后在经过不断地发展完善，模型已经可以提供多种沉积化学作用模式，并结合水动力方程实现沉积物以及多种污染物的地表径流、壤中流过程及其迁移、转化的综合模拟。
（二）HSPF 模型的模块结构HSPF 模型是一种兼具有分布式与集中式水文模型的综合式水文模型。
核电厂非放射性生产废水处理方案研究
第 44 卷第 4 期2024年 4 月Vol.44 No.4Apr.，2024工业水处理Industrial Water Treatment DOI ：10.19965/ki.iwt.2023-0665核电厂非放射性生产废水处理方案研究张受卫1，冀青杰2，李良浩1，陈周燕1（1.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100096； 2.山东核电有限公司，山东烟台 265116）[ 摘要 ] 核电厂非放射性生产废水的来源及成分比较复杂，现有核电机组非放射性废水均是排入循环冷却水排水系统后经电厂总排放口排入海中，总排放口排水水质满足《污水综合排放标准》中的排放要求。
随着国内环保要求的提高，部分地方环保部门提出废水中的二类污染物含量在排入循环冷却水排水前需满足《污水综合排放标准》中的排放要求，现有废水水质无法满足该要求。
为解决上述问题，以CAP1000核电机组为例，通过对非放射性生产废水的组成及现有的处理情况进行分析，明确了超标废水来源主要为凝结水精处理系统树脂再生时排放的酸碱废水，废水中氨氮含量远高于排放标准要求。
根据该废水的排放情况及水质特点，先对废水进行了高、低盐分类收集减量处理，然后针对氨氮超标的高盐废水提出了折点氯化法、吹脱+电解制氯氧化联合处理、膜脱氨3种处理方案，并对各方案进行了技术经济比较，为核电厂的非放射性生产废水处理的工艺设计提供参考。
［关键词］ 核电厂；非放射性生产废水；凝结水精处理废水；氨氮废水［中图分类号］ TK09；X703.1 ［文献标识码］B ［文章编号］ 1005-829X （2024）04-0205-05Research on the treatment process of non -radioactive productionwastewater in nuclear power plantZHANG Shouwei 1, JI Qingjie 2, LI Lianghao 1, CHEN Zhouyan 1(1.State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Co., L td., Beijing 100096, China;2.Shandong Nuclear Power Company , Yantai 265116, China )Abstract ： The sources and components of non -radioactive production wastewater from nuclear power plant is rela⁃tively complex. The existing wastewater from nuclear power plant is discharged into the circulating cooling waterdrainage system and then into the sea through the main discharge outlet of the power plant. The water quality of the discharge outlet meets the discharge requirements of the Comprehensive Wastewater Discharge Standard. With theimprovement of domestic environmental protection requirements, some local environmental protection departments require that the content of Class Ⅱ pollutants in the wastewater should meet the discharge requirements of the Com ⁃prehensive Wastewater Discharge Standard before being discharged into the circulating cooling water drainage sys⁃tem. The existing wastewater quality cannot meet this requirement. To meet the above requirements, taking the CAP1000 nuclear power plant as an example, by analyzing the composition and current treatment conditions of non -radioactive production wastewater, it was discovered that the unqualified wastewater was mainly the acid and alkaliwastewater discharged during the regeneration of the condensate polishing system. The ammonia nitrogen content in the wastewater was much higher than the discharge standard requiremented. Based on the discharge situation and water quality characteristics of the wastewater, high and low salt classification and reduction treatment were first car⁃ried out. Then three treatment technological processes were proposed for high salt wastewater in which ammonia ni⁃trogen exceeded the standard, including break point chlorination oxidation treatment, combined treatment of air stripper and electrolytic chlorine oxidation, and membrane treatment. Technical and economic comparisons were made for each technological process, providing reference for the design of non -radioactive production wastewatertreatment in nuclear power plant.开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：经验交流工业水处理 2024-04，44（4）Key words ： nuclear power plant; non -radioactive production wastewater; condensate polisher system wastewater; ammonia nitrogen wastewater核电机组非放射性废水主要包括生活废水和非放射性生产废水。
hspf模型
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1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、2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3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MobileBay4流域的水文过程，结果表现很好。
建立甲醛作用SH-SH5Y 细胞染毒模型的研究
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2017年第20期·55·文章编号：2095－6835（2017）20－0055－03建立甲醛作用SH-SH5Y 细胞染毒模型的研究唐曦瀛（苏州科技大学，江苏苏州215009）摘要：建立了甲醛（FA ）对SH-SH5Y 的染毒模型，方法为分别检测在2mM 、1mM 、0.5mM 、0.25mM 、0.125mM 、0.0625mM 下对SH-SH5Y 染毒24h 、48h 、72h 后CCK-8的细胞活力，结果为甲醛（FA ）在0.25mM 染毒24h 后的细胞活力在50%左右，可以作为细胞染毒模型。
关键词：甲醛（FA ）；SH-SH5Y ；cck-8；汽车中图分类号：O643文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2017.20.055室内装修材料及家具、纺织品、汽车内装饰物等含有一定的甲醛，在人们使用和接触过程中可通过呼吸和皮肤吸收等多种方式进入人体，可能产生神经毒性、淋巴细胞毒性、生殖毒性。
神经母细胞瘤细胞（SH-SH5Y 细胞）是一种方便的神经模型，可制作与人类认知障碍相关的人类、灵长类特异性转录网络和通路。
为了研究甲醛对神经细胞的毒性作用，采用甲醛对SH-SH5Y 染毒检测细胞活力。
1材料与方法1.1主要试剂与仪器主要试剂为甲醛（formaldehyde FA ）分析纯，由中国上海试剂总厂生产；DMEM 、胎牛血清（FBS ）、质量分数为0.25%的胰酶消化液，为GibcoBRL 公司生产；人神经母细胞瘤细胞系SH-SH5Y 细胞购自中国科学院典型培养物保藏委员会细胞库（上海）；细胞活力检测试剂盒（CCK-8）购于碧云天生物技术研究所。
主要设备为酶标仪，Thermo Scientific Multiskan 。
1.2SH-SH5Y 细胞培养取SH-SH5Y 细胞DMEM 培养液（质量分数为10%的胎牛血清）处于37℃，在5%的CO 2培养箱中培养3d 传代。
农业面源污染研究进展
蒙小俊.农业面源污染研究进展［J ］.中南农业科技，2023，44（9）：237-240．随着点源污染控制水平的不断提高，非点源污染成为全球水体污染的重要污染来源，全球范围内近50%的地表水资源已受到非点源污染的影响［1，2］。
按照污染类型划分，面源污染主要分为城市面源污染和农业面源污染，因雨污分流改造和海绵城市建设不断推进，城市面源污染逐渐得到缓解和控制，农业面源污染仍然是造成中国和世界水污染的重要原因［1，3］。
农业面源排放的氮磷在水体中的富集是导致水体富营养化和水环境恶化的主要原因，为有效改善水体环境必须因地制宜地开展农业面源污染防治。
针对农业面源污染的源头和过程本身，面源污染防治需解决的问题可分为总量估算、路径分析和治理措施3个方面［4］。
然而，面源污染物的来源及其传输过程监测控制难度大，需使用模型模拟的方法才能对农业面源污染进行评估分析［5］。
源头控制为主、过程阻控与末端治理相结合是进行农业面源污染防控的主要途径［6］。
本研究概述了农业面源污染的来源、特点及其危害，分析了农业面源污染模型和防治技术，以期为农业面源污染防控奠定基础。
1农业面源污染的来源与特点农业面源污染通常来源于农业种植、畜禽养殖和农村生活污水3个方面，耕地、果园面积大幅度增长，农村地区畜禽养殖业的迅速发展和生活排污是造成农业面源污染的主要因素［7，8］，其中以农田径流形式产生的氮、磷流失，对河流水体氮、磷含量贡献较大。
研究表明，农业面源污染不同类型污染源产生TN 负荷量大小依次为农田化肥、畜禽养殖、农村生活，而不同类型污染源TP 污染负荷量大小顺序为畜禽养殖、农田化肥、农村生活［9，10］。
与点源污染相比，农业面源污染具有以下几个显著特点，①来源广泛，具有不确定性，进入水体不能集中监测；②随机性、间歇性变化大，进入水体迁移属于水动力学；③与降雨径流、水土流失有关，降雨是面源污染产生的基本条件；④暴雨过后污染负荷较大；⑤人类活动影响迁移过程。
新疆农业面源污染研究进展
间的相关性ꎬ 考察的指标主要集中在化肥污染上ꎮ 研
染分布空间差异性分析中便利用经验性的动物排泄系
究同时提出利用征收排污费、 建立化肥污染田长制等
数值ꎬ 统计分析畜牧业中的粪尿排泄量ꎮ 周晓琴等结
措施来降低化肥污染ꎮ 周子渭等 [２１] 研究了新疆农业
合全国污染排查数据ꎬ 采用源强系数法ꎬ 对新疆农业
据ꎬ 可以规范农场污染物的治理ꎮ Ｖｌａｄｉｍｉｒ Ｎｏｖｏｔｎｙ
[１９]
Ｕ 型的发展规律ꎬ 当经济发展到一定水平ꎬ 单位面积
了这个拐点ꎬ 农业面源污染会逐渐趋缓ꎮ 这些观点降
认为在某个流域开发之前ꎬ 应建立良好的模型以预测
低了人们对新疆农业面源污染无限增长的担忧ꎬ 但是
水体的污染物负荷能力ꎬ 从而保证生活用水水质不超标ꎮ
控制农业面源污染ꎮ
８ ６ ２０２４ꎬ Ｖｏｌ ４４ꎬ Ｎｏ ０３
农业与技术 ※资源环境
参考文献
[１２] 蔡路灵. 河南省农业面源污染调查研究 [ Ｄ] . 开封: 河南大
ｔａｉｎ － Ｒｅｓｔｏｒｅꎬ ３Ｒ ｓｔｒａｔｅｇｙ)
[１５]
ꎬ ３Ｒ 策略以力推广节水灌溉ꎮ 周
晓琴等认为ꎬ 新疆畜牧业污染较种植业污染严重ꎬ 应
大力推动养殖业产生粪肥的循环利用ꎬ 作为种植业氮
磷用肥的补充ꎮ 张芳等 [２５] 提倡大力宣传地膜回收政
策ꎬ 加大 补 贴 等ꎬ 以 改 善 新 疆 农 业 农 膜 污 染ꎮ 刘 婷
改善农业面源污染ꎬ 加强技术研发ꎬ 增加第三产业占
与社会发展的相关性ꎮ 如ꎬ 邓晴晴
[１４]
从集聚效应角
比ꎬ 改善生态环境ꎬ 可以降低农业面源污染ꎮ
度分析了农业面源污染与农业规模效应、 技术效应、
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1 模型结构与基础数据库
111 模型的结构 HSPF 模型是目前综合模拟径流、土壤流失、污
非点源 点P非点源 点P非点源点源 点P非点源 点P非点源 点P非点源
多个 minPs 多个 单个 多个 多个 多个 多个 多个
minPs 径流 minPs dPh minPs dPh dPh minPs dPh
径流 易降解/ 农药 径流P人工管道
径流P渗流 径流 径流
径流/ 渗流/ 人工管道 径流/ 渗流/ 人工管道
染物传输、河道水力等过程, 以及水温、泥沙传输、营 养物和化学物相互反应的流域非点源污染模拟模型 之一, 包括 3 个主模块和 5 个应用模块, 能对透水地
61
首都师范大学学报( 自然科学版)
2009 年
模型
流域类型
AGNPS 农业用地/ 未利用地
CREAMS 农业用地/ 未利用地
DR3MQUAL EPIC
径流P渗流
污染物类型
易降解/ 难降解 吸附/ 降解 难降解 易降解P农药 易降解P农药
易降解P难降解 易降解/ 农药吸附/ 降解
易降解/ 难降解 易降解P农药
污染物的 物理化学变化
-
吸附P降解 吸附P降解
-
降解 吸附P降解
面、不透水地面、河流和完全混合型湖泊水库三种不 同性质的地表水文水质过程进行模拟, 应用模块用
由于模型本身的限制, 有些问题不能单靠某个 特定的模型完成, 需要模型的综合或者二次开发. 如 模型与 GIS 的结合了, 解决了分布式模型输入数据 量 大 的 问 题[8] . BASINS ( Better Assessment Science Integrat ing Pointand Non- point Sources) 系统是基于 GIS 技术的整合式平台, 它集成了很多的工具如流域数 据管 理 器 ( WDMUtil) 和流 域 刻 划 工 具 ( Watershed Delineation) 、HSPF 模 型和 SWAT 模型, 决策制定和 分析系统如情景分析处理( Postprocessing GenScn) 和 流域 管 理 敏 感度 分 析 系 统 ( Watershed Management Sensitivity Analysis) , BASINS 现已升级到 410 版本, 它 以 Mapwindow GIS 软件为平台, 将各种水文模型镶嵌 其中, 从而构架成一种基于 GIS 和多种内嵌水文模 型的流域环境规划管理系统.
62
2 模型应用研究进展
HSPF 模型是目前综合模拟径流、土壤流失、污 染物传输、河道水力等过程, 以及水温、泥沙传输、营 养物和化学物相互反应的流域非点源污染模拟模型 之一, 模型的模拟结果是径流、沉积物输送、营养物、 农药及用户定义的污染成分浓度过程的时间序列、 以及流域内某一点水量、水质的时变过程. HSPF 模 型可以连续模拟透水地面、不透水地面、河流或完全 混合型湖泊水库的水文和水质过程. 该模型将地表 和土壤中的污染物随径流的变化作为整体来模拟, 给出降雨径流量、泥沙输送量、氮磷浓度的历时变化 和流域内任何一点水量水质的时间, 其中水质计算
第 3期
薛亦峰等: HSPF 模型及其在非点源污染研究中 的应用
考虑了污染物的水解、氧化和吸附等作用[ 8] . 211 水文模拟
降雨的水文过 程是影响非点 源污染的主要因 素, 水文模拟主要是模拟一定区域内地面降水径流 的变化过程[ 9] . 2000 年 S. E. Bum 和 L. E. Band 将模 型用于美国马里兰州巴尔的摩 upper Gwynns Falls 流 域, 评价分析了土地利用变化对流域行为的影响, 并 通过这些分析研究 upper Gwynns Falls 流域可透水地 面和饱和土壤中径流比和基流的关系, 根据模型模 拟数据, 预测城市化对流 域的影响, 得到较好的结 果[ 9] . 2003 年 XinJian Chen 用 HSPF 模 型 对 Alafia River 进行水动力学和盐分传输研究, 得出了淡水盐水界面位置的经验关系[ 10] . 同年, Mark S. Johnson 和 William F. Coon 等人用 HSPF 和 SMR 模型在纽约 州中部的 Irondequoi tCreek 102 平方公里的上游流域 进行为期 7 年的水文模拟, 对比分析分析了集总式 水文 模 型 HSPF 和 分 布 式 水 文 模 型 SMR ( Soil Moisture Routing) 的产、汇流机制和模拟效果, 在模拟 期中两个 模型的效率值 分别为 0167 和 0165, HSPF 模型略优于 SMR, HSPF 模型中复杂的融雪程序使得 在冬季流量的模拟中取得比 SBR 更好的效果[11] . 林 诚二等人针对长江上游地区地表水径流所建立模型 的模拟效果, 来检验卫星数据所估算的降水数据, 模 型模拟结果表明: HSPF 模型对长江上游主要支流的 5 天平均流量的模拟, 达到很好的效果. 212 非点源污染与水质模拟
城市用地 农业用地
HSPF 农业P城市P未利用地
STROM
城市用地
SWAT 农业用地P农业用地/ 未利用地
注: 资料来源于文献[ 4] 、[ 5]
表 1 主要流域水文模型的技术指标
污染源
时间分 流域数量
辨率
污染物进入 水体方式
点P非点源 非点源单个 点P非点源
摘要
HSPF( Hydrological Simulation Program) Fortran) 模型是将数学方 法应用于水文计算和 预报形成的流域水 文模型, 可对陆地表面、亚表面和地下水的水文路线以及 污染物的输移 进行模拟, 广 泛应用 于不同尺 度流域 的非点 源污染 模拟 研究, 为流域管理措施的制定和实施提供有力的依据 . 本文总结了 HSPF 模型的发展过程、模 型的结构特 点, 分 析了该模型在国内外应用实例中的可靠性以及存在的问题. 最 后根据该 模型的 限制因 素, 指 出了应 用中的 改进方 向.
枯水年的流量模拟值和实测值都较为接近, 但由于 河流点源数据的缺少, 使得 TN 的模拟 值和实测值 有一定的偏差[14] , 但并不影响其它水质组分的模拟 效果.
目前, 在我国也开始应用 HSPF 模型进行 流域 水文和水质研究. 邢可霞( 2004 年) 等采用 HSPF 模 型对滇池流域 1988 年、1989 年的水文、水质进行了 模拟, 定量地计算出 4 种污染物( SS、BOD、TN、TP) 的非点源污染负荷, 为流域非点源控制方案的实施 提供了科学的评估依据[ 9] . 梅立永等人在西丽水库 流域非点源污染模拟与仿真研究中, 应用 HSPF 模 型模拟了 2000 年、2004 年 7 月至 2005 年 6 月深圳 西丽水库流域水量和水质的连续动态变化. 根据河 流出口断面流量和污染物浓度校准与验证模型, 确 定最终输出流入水库的 SS、TN 和 TP 的总负荷量与 非点源负荷量, 并通过判决系数 r2、Nash- Sutcliffe 系 数等考察模拟值与实测值的吻合程度. 其河流出流 量验证期模拟值与实测值的 r2 和 ENS 分别为 0198 和 0159, 泥沙模拟值与实测 值的 r2 和 ENS 分 别为 0191 和 0177[ 16] . 在中国, HSPF 模型进行非点源污染 模拟的最大 限制是 实测数 据的 短缺, 从而 影响 了 HSPF 模型的模拟效果. 213 模型的集成与二次开发
第 30 卷 第 3 期 2009 年 6 月
首都师范大学学报( 自然科学版) Journal of Capital Normal University
( Natural Science Edition)
No. 3 June , 2009
HSPF 模型及其在非点源污染研究中的应用*
薛亦峰 王晓燕
( 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048)
来编辑处理各种时间序列数据[ 6] 。
图 1 HSPF 模型的结构[ 3]
112 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[ 7] ; ( 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.
随着逐步改进和完善, HSPF 模型现已结合了美 国环保署雅典实验室的研究成果, 将常见污染物和 毒性有机物模拟纳入模型中; 模型提供水解、氧化、 光解、生物降解、挥发和吸收等 6 种沉积化学作用模 式, 并结合水动力学实现沙、粉沙和粘土三种沉积物 以及 BOD、DO、氮、磷、农药等多种污染物的地表、壤 中径流过程和蓄积、迁移、转化综合模拟, 水质模拟 包括对透水地区、不透水地区、河流、水库中的多种 水质要 素 的 模 拟, 这 些 水 质 要 素包 括 泥 沙、DO、
HSPF 模型是在 Stanford 水文模型的基础上开发 的, 在使用过程中不断加工修改而逐步完善, 成为综
收稿日期: 2008-04-23 * 中国地质科学院重点开放实验室专项资金资助项目
合性流域模 型的典范之作. HSPF 模 型采用标 准的 Fortran 语言编写, 能够运行水文模拟程序( HSP) 、农 业径 流管 理模 型 ( ARM) 和 非 点源 污 染 负荷 模 型 ( NPS) 的所有函 数, 在一定程度上克服 了大部分模 型在数据管理和模型兼容性方面存在的许多缺陷, 便于维护和修改数据. 1996 年 HSPF 模 型被整合到 点源 - 非 点 源综 合评 估 模型 BASINS 里 面, 利 用 ArcView 软件对空间 数据的存储和处 理能力, HSPF 能够自动提取模拟区域所需要的地形、地貌、土地利 用、土壤、植被、河流等数据, 进行非点源污染负荷的 长时间连续模拟, 在水旱灾害防治、水环境监测、水 资源开发利用中得到广泛的应用[3] .