您现在位置:首页 > 流域模型 > 模型简介
HSPF(Hydrologic Simulation Program— FORTRAN)
模型概述

       HSPF是一个模拟流域水文和广泛传统范围的有毒有机污染物水质综合模型。其前身可追溯到60年代,HSPF是将斯坦福流域模型(SWM)、流域尺度的农业径流模型(ARM)和非点源负荷模型(NPS)整合为一个综合流域尺度模型,配有内流归趋和迁移的流域进程和一维河道。

       HSPF模拟流域水文,土地和土壤污染物径流,沉积物-化学相互作用。该模型可以产生任何模拟过程的时间序列结果。陆路沉积物可分为三种类型(沙,淤泥,粘土),使用该模型模拟其归趋与迁移。污染物和悬浮及床沉积物通过水土保持和分割相互作用。最新版本是HSPF第12版是美国环保署 BASINS(Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources)系统的一部分。

模型介绍
1.模型特征
  • 详细流域模拟模型
  • 流域水文
  • 径流泥沙、污染物的产生和运移
  • 一维河流水文和迁移
  • 农药归趋和迁移模拟
2.模型支持
  • 流域          高度支持
  • 受纳水体   中度支持
  • 生态         不支持
  • 空气         不支持
  • 地下水     低度支持
3.模型功能
  • 简介

        在HSPF中,一个小流域作为所有路径到代表性河流单元各种土地利用组成的典型的概念。几个小流域和代表河流可能被连接起来,代表一个较大的流域排水面积。各种模块可以随时启动,用来模拟陆地和河流的各种进程。

  • 详细资料

        渗透区和非渗透区的土地过程是通过水分平衡、沉积物产生和迁移,以及水质成分的产生和迁移而进行模拟的。水文通过SWM方法所描述的不同层土壤(或存储)的水量平衡建模。考虑用经验方程表示拦截,入渗,蒸发,合流,地下水和地表径流损失,溢洪流量过程被认为是一般由经验方程生成的。沉积物产生以分离和/或冲刷为基础,在渗透区模拟土壤基质和陆路水流迁移,而在非渗透区模拟固体累积和冲刷。它包括由基于土地的营养盐和农药进程以及模拟管理活动的特别作用程序的农业模块。HSPF也可以模拟各种各样的污染物如营养盐,沉积物,示踪剂,溶解氧/生化需氧量,温度,细菌和用户定义的成分的内流归趋和迁移。

4.模型框架
  • 水文响应单元,子流域,流域
  • 简单的一维流和混合水库/湖泊模型
5.尺度
  • 空间尺度
    • 一维,小流域土地利用的集总参数
  • 时间尺度
    • 用户定义的时间步长,通常每小时
6.假设
  • 土地模拟模块是土地利用的分布式模型,而忽略了在小流域内土地利用的空间变化
  • 对于陆路流,模型假设以运行波流动
  • 将陆路流动时的小流域和河流路径流量假设为一系列水库
  • 受纳水体沿宽度和深度呈完全混合状态
7.模型优点
  • 少数的能同时模拟陆面过程和受纳水体过程流域模型
  • 能够模拟洪峰流量和低流量
  • 模拟可变时间步长,包括小于1小时至1分钟,每小时或每天
  • 模拟水力学过程复杂的自然和人工排水网络
  • 包括解决可变水位的能力
  • 可沿水库或支流的许多地方模拟
  • 包括自定义模型定义的外部目标块输出选项
  • 可以进行简单或复杂的设置,这取决于应用程序,要求和数据的可用性
8.模型缺点
  • 依赖于许多代表物理过程的经验关系
  • 小流域水平的各种土地利用类型的块模拟过程(即,一个地块相对另一个流域不考虑空间位置)。该模型的方法,在较小的子流域使用时是分布式模型;然而,这可能导致增加模型的复杂性和仿真时间
  • 需要广泛的校准
  • 应用需要高度的专业知识
  • 只限应用于河流、水库和单向流混合的情况
9.应用历史

       建模的概念首次在1960年代初为斯坦福模型提出。在70年代,增加了水质过程。在1970年代后期开发了一个FORTRAN的版本,包括一些相关的模型和软件。工程设计开发的概念由EPA的瑞典(GA)研究实验室提出。在上世纪80年代,美国地质调查局和环境保护局共同开发了前、后处理软件,算法的改进以及USGS的二进制流域数据管理(WDM)系统。自1980年以来,所有模型的代码由Aqua Terra 顾问根据与美国环保局和美国地质调查局的合同进行维护。在1990年代中期至后期,Tetra科技公司,根据与EPA签订的开发的BASINS系统和NPSM系统的合成,首次开发了面向HSPF模型的Windows界面。目前发布的支持模型是第12版,作为WinHSPF模型和界面与 BASINS 3.0一同开发。HSPF是一个通过证明和测试的连续流域模拟模型。这是美国环保局为了复杂的TMDL研究所建议的一个模型。HSPF模型得到了广泛的应用,其应用已被记录在其整个发展周期文件中。

10.模型评价

        HSPF通过了漫长时间的广泛的审查和应用(Hicks,1985;Ross等人,1997;和Tsihrintzis等人,1996)。模型最大的一个应用是在切萨皮克湾流域,作为切萨皮克湾项目的管理倡议的一部分(Donigian,1990,1992)。Tsihrintzis等人(1994,1995)在GIS框架中应用HSPF(使用ARC/INFO)评价南佛罗里达州的农业活动,特别是运输的沉积物,营养盐和杀虫剂的迁移对河流和地下水的影响。广泛的HSPF参考文献已编入模型开发和应用文档,并可在网上http://hspf.com/hspfbib.html获得。

11.模型输入
  • 连续气象时间序列记录包括(至少)
    • 降雨
    • 潜在蒸散
  • 对于雪的模拟,此外还需要增加气象时间序列包括
    • 温度
    • 风速度
    • 太阳辐射
    • 露点温度
  • 额外的模拟选项,其他所需的气象时间序列可能包括
    • 蒸发量
    • 云覆盖
  • 土壤数据(指导水文校准辅助数据),污染物积聚和冲刷,河流规模或率定曲线以及点源负荷输入
  • 需要指定大量的参数(一些默认值可用)
12.用户指南
  • HSPF用户指南(Bicknell等人,2001)是支撑模型基本理论和参数的推荐文档
  • Windows帮助文件版本手册可在http://hspf.com/pub/hspf/HSPF.chm浏览
13.硬件/软件要求
  • 计算机硬件
    • 电脑
  • 操作系统
    • DOS 和 Windows
  • 编程语言
    • FORTRAN
  • 运行时间估计
    • 秒到几分钟或几小时,这取决于空间/时间分辨率和计算机的性能
14.链接支持
  • CE-QUAL-W2
15.相关系统
  • WinHSPF,HSPF的接口,是BASINS 3.0版本的关键组成模块。BASINS 3.0版本是美国EPA水办公室满足各机构执行结合点和非点源的流域和水质评估的持续需求而开发的
  • LSPC,HSPF的另一个界面,可以通过环境署建模工具箱获得http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/index.html
16.灵敏度/不确定性/校准

      HSPFParm是美国环境保护局BASINS系统中一个免费的HSPF参数数据库。软件是独立安装的BASINS系统。通过美国的出版物可以获得区域化模型参数的应用。对于在模型的建立和标定中参数如何选择这是一个很好的起点。

      HSPF的专业校准系统(HSPFXP)是一个交互式程序,使用超过35个规则和80个条件(Lumb,1994)评价模型观测时间序列。它利用人工智能技术,结合专家意见,根据统计和评价的结果,推荐哪些参数应该调整。

      参数估计软件包(PEST)是一个模型校准辅助工具,可以与HSPF结合运行(Doherty,2003)运行。目标函数的目标是通过用户在一定范围内调整模型参数,尽量减少最小二乘法模拟和观测流量之间的差异。PEST遍历通过一系列的HSPF模式运行,改变参数选择和运行模式,直到满足目标为止。

17.模型界面功能

      使用HSPF模型至少需要两个文件:用户控制输入文件(UCI)参数和控制规范和时间序列的WDM文件。当自己运行时,加州大学文本文件作为HSPF模型的接口。

      WinHSPF的接口,首先分布于BASINS 3.0系统中,提供了一个互动界面的窗口环境的HSPF。WinHSPF可以为修改现有HSPF输入序列而创建一个新的HSPF输入序列。该HSPF程序可以在WinHSPF环境下运行。输入序列可以修改并保存在另一个名字,从而创造模拟情景。

18.联系信息

19.下载信息