HSPF水文模型機理及應用研究——以河北太行山區(qū)綠化方案制訂為例.pdf

1、水文模型是水文學發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是描述和反映自然界中復雜水文現(xiàn)象的一個手段，是定量模擬水文現(xiàn)象特征量及其過程變化的一種有效工具，它既是水文科學研究中的一種比較實用的方法，又是當今水文科學研究和應用的重點、難點和熱點之一，不僅豐富了水文學的研究體系和研究手段，而且隨著水文學、計算機科學的發(fā)展而發(fā)展，促進了水文學的總體發(fā)展。 流域水文模型是水文模型的一種類別，它將流域概化為一個系統(tǒng)，研究流域的輸入因素(降雨、蒸發(fā)、前期含水量等

2、)與徑流輸出(洪量、洪峰流量、等)之間的數(shù)學關系和邏輯表達式，使其能夠在一定的目標下代替實際水文系統(tǒng)，對流域的行為進行模擬和預測。目前，流域水文模型已成為降雨徑流計算的一種重要途徑，不僅在實際應用中獲得了很大的成績，還推動了水文預報和相關學科的發(fā)展。 HSPF(Hydrological Simulation Program-FORTlRAN)模型于1981年由Johanson et al提出，它起源于1966年SWM(Stanf

3、ord Watershed Model)斯坦福模型，是將數(shù)學方法應用于水文計算和預報形成的流域水文模型。多年來，美國環(huán)保署(EPA)致力于研發(fā)關于流域污染方面的數(shù)學模型以預測環(huán)境災害，這其中，依靠氣象、水文數(shù)據(jù)支持，HSPF模型大量應用于模擬人為因素影響下的自然水系統(tǒng)的水情和水質(zhì)，并隨著基礎數(shù)據(jù)數(shù)量加大及精度提高達到更佳模擬效果。 為了配合多種模型不同尺度下點源、非點源污染綜合模擬分析的需求，平臺式系統(tǒng)BASINS(Better

4、 Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources)于1998年由美國環(huán)保署開發(fā)完成。該系統(tǒng)是一套基于GIS技術的整合式平臺，內(nèi)嵌了HSPF、SWAT、PLOAD、AGWA等水文模型和WDMUtil、GenScn等輔助工具。通過Basins系統(tǒng)，HSPF模型成功的捆綁于擁有眾多插件、功能強大的Arcview中，從而為該模型所需的地形、地貌、土地利用/覆被、土壤、流域等數(shù)

5、據(jù)的自動生成和疊加處理提供了更加方便、精準的手段，同時延長了數(shù)據(jù)處理、模擬預測的時間序列長度。 HSPF模型具有“公式組-子程序-子模塊-模塊-模型”逐級遞進的層次性物理結構，并運用“子流域-地段-要素集合-要素-對象”這一逐級遞減的穩(wěn)定方式來描繪和組織數(shù)據(jù)，它不僅能夠依據(jù)一定規(guī)則和按照使用者設立的不同時段將一系列時間連續(xù)數(shù)據(jù)分割為有限段的離散數(shù)據(jù)，并將分割好的數(shù)據(jù)段排列和標準化，從而構建時間序列，還能夠運用已有時間序列，依據(jù)一

6、些經(jīng)驗公式衍生出新時間序列，作為結果輸出或是新的模擬數(shù)據(jù)來源。 HSPF模型的內(nèi)部主模塊包括透水地段水文水質(zhì)模擬模塊(PERLND)、不透水地段水文水質(zhì)模擬模塊(IMPLND)以及地表水體模擬模塊(RCHRES)，其中，其中PWATER水文子模塊是透水地段水文水質(zhì)模擬模塊的運轉(zhuǎn)基礎，應用于水量計算和構成分析，是預報可滲透流域地段出口的河川徑流總量的關鍵，也是本次研究所采用的核心子模塊。 HSPF模型外部組件主要包括BAS

7、INS系統(tǒng)、GenScn和WDMUtil，它們都是模型正常運轉(zhuǎn)所不可或缺的模型外圍組成部分。本研究還對模型內(nèi)部運算機制、下滲及壤中流運算機制以及土壤柱假設等方面的模型機理進行了詳細闡述。 本文所選取的研究對象——河北太行山區(qū)流域，是阻隔太平洋水汽的天然屏障，是山前平原地下水的重要涵養(yǎng)區(qū)，也是開墾和破壞較為嚴重、生態(tài)環(huán)境安全危機較為明顯的地區(qū)。該區(qū)域既適合進行土地利用/覆被改變的流域水文循環(huán)要素響應機制的研究，又有根據(jù)該研究制訂區(qū)

8、域綠化方案的實際需求。 本文制訂綠化方案時，首先以徑流量為突破點，通過研究區(qū)土地利用/覆被、土壤、氣象等時空數(shù)據(jù)，建立起河北太行山區(qū)降水-徑流模型，并加以驗證。其次，在確定區(qū)域徑流量模型成立后，分別實現(xiàn)了區(qū)域蒸發(fā)量、區(qū)域含沙量的模擬。第三，根據(jù)區(qū)域狀況，設定綜合情景，對河北太行山整體進行模擬，以確定和把握這些假設情景對水文要素改變的整體趨勢。第四，將太行山區(qū)按照海拔分為亞高山地區(qū)、中山地區(qū)、低山地區(qū)以及丘陵崗坡和山前平原區(qū)，以便