HSPF模型在斯坦福流域模型上发展而来, 能够在BASINS系统和WDMUtil等工具的辅助下, 综合模拟水文径流、土壤流失状况、水温、泥沙运输、污染物含量、河道水力等过程。HSPF模型将模拟模块分为透水地段模块、不透水地段模块、地表水体水质模拟模块, 以及管理实践相关的BMP模块, 实现对泥沙、BOD、溶解氧(DO)、氮、磷、农药等污染物负荷, 以及迁移转化的长时间序列的连续模拟^[21]。

结合相关资料^{[18, 22]}, 将我国常用面源污染模型作一对比(表1)。可以看出, HSPF模型结合了分布式水文模型与其他集总式流域模型的一些优点。(1)HSPF模型依托于最新的BASINS 4.1系统。BASINS为美国环保署(USEPA)于1998年开发的操作平台, HSPF利用BASINS及GenScn工具, 可方便快捷地帮助HSPF预处理所需的输入数据。同时, HSPF模型可利用MapWindow GIS自动划分子流域, 生成所需河网水系, 并将Arcview融合水文模型, 实现对土地利用、土壤、地形、数字高程模型(DEM)等图形的加载叠加和可视化, 大大降低了数据处理的烦琐度^[23]。(2)HSPF模型可根据应用对象水文单元大小进行调整, 从而适应各子流域的模拟运算并紧密结合相互子流域, 操作方便, 减小运算负担。(3)HSPF模型可模拟详细的径流形成过程, 时间步长较其他面源污染模型更久, 模拟过程更连续, 模拟结果精度较好。(4)HSPF模型相较于SWAT模型而言, 可运用于单个的洪水事件^[24]。

对比HSPF模型与我国其他面源污染模型, HSPF模型结合了分布式水文模型与集中式水文模型的优势, 它可分析模拟点源与面源的过程, 在美国、澳大利亚、韩国及我国的水文水质领域研究中都得到了许多应用^[25]。如今, HSPF模型作为美国环保署在水环境研究中的推荐模型, 在流域面源污染中的功效愈发显现。

表1

表1

表1 我国常用的面源污染模型对比 模型名称 参数 形式 空间 尺度 时间 尺度 时间步长 模型组块 优势 不足 CREAMS 集中, 分布 农田 小区 长期连续 1 d 水文、侵蚀或泥沙、简单污染物平衡水文模型 不仅预测单一降雨事件, 也可预测长期降雨的平均值 不能应用于大型流域的面源污染, 不能提供过程信息, 缺少模拟功能 ANSWERS 分布 流域 长期连续 暴雨期为1 min, 非暴雨期为1 d 水文、泥沙分散-输送、描述水流路径的组件 径流与沉积物预测结果与观测数据一致 侵蚀模块很多为经验主义, 无法模拟许多子流程 AGNPS 分布 流域 长期连续 1 d 水文、土壤侵蚀、泥沙输移、氮磷 可模拟流域内土壤侵蚀的空间分布及侵蚀对水质的影响 需大量输入参数, 应用范围受限, 信息缺乏 AnnAGNPS 分布 流域 长期连续 1 d 水文、侵蚀和泥沙输移、化学物质模块 可模拟评估最佳管理措施 总磷模拟存在较大的不确定性, 不考虑降水空间差异 SWAT 集中, 分布 流域 长期连续 1 d 水文、面源污染负荷模拟、河道污染物迁移转化、湖泊水体水质模块 考虑了径流和沉积物汇流过程, 结合GIS开发水土保持模块, 操作简便 无法用于单个洪水事件, 需根据应用区域修改数据库 HSPF 集中, 分布 流域 长期连续 1 min~1 d 透水地段和不透水地段、河流水库水文水质模块 可模拟详细的径流形成过程, 擅长连续时间步长, 拥有BASINS操作平台, 使用方便 缺乏详细的空间描述, 许多参数无法应用于信息缺乏地区

表1 我国常用的面源污染模型对比

针对不同空间属性条件下的流域面源污染研究, 国内外研究主要侧重不同土地利用类型及覆被条件下的面源污染研究。在国外, Liu等^[28]认为, 虽然河岸走廊的土地利用变化可以作为缓解面源污染的可行选择, 但其在不同地理尺度下的影响尚未确定, 故通过运用HSPF模型来为美国俄亥俄州的上游小迈阿密河流域量化其土地变化的水文影响。在标定和验证后, HSPF模型被用于预测缓冲区不同场景下的水文和水质影响。结果表明, 60、90、120 m的河岸林和湿地缓冲液能使平均年流量减少0.26%~0.28%, 亚硝酸盐加硝酸盐增加2.9%~6.1%, 总磷降低3.2%~7.8%。该研究表明, HSPF是一种有效的工具, 可以对来自土地利用变化的非点源污染进行建模, 即使在一个具有相对较少的人为影响的小流域中也是如此。Mishra等^[29]运用HSPF模型研究持续的时间尺度下印度某小混合型(土地农业、灌木丛和森林、岩石、草)流域。实验随机抽取15次径流水溶性N O3--N、N H4+-N和P污染物。模型的标定和验证结果表明, HSPF在模拟径流、产沙量和面源污染物方面, 模拟的季节性趋势与实测值高度吻合, 相似程度高达95%, 说明HSPF模型可以作为模拟径流和沉积物的工具, 对研究非点源污染流域中产生的N、P、S污染物损失模拟较好。Jeon等^[21]运用HSPF模型对含有30%稻田的农区进行污染负荷研究, 计算了稻田水环境中总氮和总磷的积累量, 结果显示, 模拟值与观测值十分相近, 模拟效果较好, 说明HSPF模型应用于水稻种植区流域的面源污染是可行的。

在国内, 何泓杰^[30]用HSPF模型模拟估算, 确定了2009年流溪河流域面源污染物的负荷总量与重点污染分布区及时间段, 研究得出不同土地利用条件下的面源污染负荷贡献率, 并利用HSPF模型对流溪河未来一定时段面源污染负荷进行了预测模拟, 对日后此流域的污染及管理规划提供了切实的研究数据。李涛^[31]利用HSPF模型研究了济南南部山区面源污染在土地利用及不同覆被影响下的负荷及规律, 研究计算了此区域总氮、总磷的含量, 结果表明, 耕地对总氮的污染负荷贡献最大, 建设用地对总磷的污染负荷影响最深, 林地和草地对面源污染负荷贡献成反比。该研究为山区由于人为因素投放农药、化肥造成的水环境的面源污染治理提供了支持, 为山区的生态环境维护与可持续发展提供了依据。

关于HSPF模型在不同气象条件下的流域面源污染应用研究, 国内外学者大多从降雨及径流因素、气候因素等不同条件下对流域面源污染进行研究。在国外, Ouyang等^[32]用HSPF模型, 模拟了一定流域、气象、水文条件下美国佛罗里达州Cedar-Ortega河流域Hg动态负荷状况, 并用已有的现场数据对模型进行了标定和验证, 然后应用该方法预测了在降雨以及水流通的情况下从流域出口到LSJR的日和年负荷, 结果显示, 预计模拟期间日均总汞通量是0.69 g· hm^-2。模拟进一步表明, 降雨事件对Hg载荷的影响是显著的, 特别是在一个非常潮湿的时期。Huo等^[33]在降雨数据缺乏的情况下, 利用HSPF模型对流域流量预测进行改进, 对Feitsui水库流域的每小时降水进行估计。结果表明, 利用HSPF模型可对降雨数据进行补充, 改善河流流量预测, 从而便于对流域进行水质评价。

在国内, 白晓燕等^[34]研究了东江流域在降水影响下的面源污染物迁移与时空分布状况, 利用HSPF模型得出各面源污染物在降水汛水期和枯水期的污染负荷情况。数据表明, 校准期和验证期的HSPF模型中东江流域月径流量、输沙量, 以及总氮(TN)、BOD、总磷(TP)污染负荷的相对误差均在15%以下。在枯水期以及汛水期, 流域面源污染负荷表现差异明显。东江流域的面源污染负荷在2007— 2009年间汛水期(4— 9月)较重, 而枯水期污染物负荷总量较少, 并且较集中期间的各污染物BOD、TN、TP的负荷比重分别高达86.7%、79.3%、85.5%, 结果显示东江流域降水量与流域的面源污染呈现正相关关系, 密切影响流域的水质变化, 且HSPF模型在东江流域的面源污染模拟结果精度较高, 较为适用。张鹏飞^[35]研究了气候变化条件下, 密云水库流域面源污染负荷的变化情况, 并利用HSPF模型对水库的径流和营养物质进行校准验证。结果表明, 总氮、总磷的负荷量减少与降雨量关系密切, 气温条件变化对污染物负荷影响不突出。由密云水库的降雨年际波动深刻影响了面源污染来看, 极端气候条件下流域面源污染的防控与整治格外重要。

在流域水文水质的模拟应用过程中, HSPF模型自身参数的不确定性对模拟输出的影响较大。研究HSPF模型参数调整, 对减少参数不确定性的影响具有重要意义。在国内, 罗川等^[36]对太湖小流域的水文模块、泥沙模块, 以及N、P输出等模拟参数进行了敏感性分析, 结果得出7大关于径流过程的敏感参数, 其中, 关于泥沙敏感性的参数3种, 关于水质模拟的敏感参数4种。研究结论对类似太湖区域的丘陵地区的小流域水文水质模拟的敏感性参数调整和选择具有一定的借鉴作用。李燕等^[37]也分析了太湖丘陵地区流域径流模拟的关键参数敏感性, 总结了AGWRC、UZSN、INFILT、LZSN、DEEPFR这5大水文模拟中的关键参数的敏感性, 通过调整参数将径流模拟偏差控制在10%以内, 直到精度能符合模拟要求, 提高了HSPF模型的模拟准确度。张丽红^[38]将HSPF模型应用于青山水库的水文径流应用中, 通过利用PEST参数校准工具, 在贝叶斯理论基础上, 构建了青山水库模型参数相对误差的函数, 对模型的参数不确定性和预测不确定性进行了研究, 得出了参数的标准差及协方差, 以及参数在预测不确定性中的贡献, 结果与参数敏感性分析一致。

国外, Gallagher等^[39]认为流域模拟模型参数在自然界中很难甚至不可能测量, 参数必须经常在次级信息源中进行评估, 因此通常具有显著的不确定性, 参数的准确度对于模型模拟应用的成功是至关重要的。Fonseca等^[40]研究了葡萄牙水流域模型模拟参数的不确定性和灵敏度, 目的是在数据资源获取条件不足的前提下对模型参数的精确度研究进行指导, 该研究进行了为期4 a的验证, 结果显示, HSPF模型模拟结果与预测值一致性较高, 敏感性分析结果显示, 径流估计与土壤、土地利用、气候条件参数最为相关。此研究说明, 今后学者在研究数据有限条件下的流域建模中, 应多注意部分重点敏感性参数, 以期更有效地利用资源。