HSPF模型在渌水流域洪水预报中的应用

近年来,流域暴雨洪水灾害事件频发,准确、可靠的洪水预报是有效预防和抵御山洪灾害的重要措施。以渌水流域为研究区域,构建HSPF半分布式模型,选取流域2013~2020年洪水资料中代表性较好的场次洪水完成模型参数的率定和验证,并采用确定性系数、相对误差等指标进行洪水模拟精度评价。结果表明,该模型在渌水流域场次洪水模拟中表现良好,15场洪水模拟的峰现时间、洪峰流量合格率分别为100.0%、80.0%,洪量及径流深的模拟合格率均为93.3%,确定性系数均值为0.80,总体预报精度达到乙级,说明构建的HSPF洪水预报模型在渌水流域具有较好的适用性,可为该地区的洪水预报提供依据。

基于HSPF模型的平原河网地区流域划分

现有的流域划分方法适用于高差清晰的地区,在平原河网地区适用性较差。为解决平原河网地区流域划分问题,根据平原河网地区的地形地貌特征,提出了一种综合各数据优势的多尺度、分层次的平原河网地区流域划分方法。该方法参考水系、道路、圩堤、闸泵和土地利用类型,结合单元格级网格和网格中心点空间分析数据,生成流域划分参考图。通过建立常州市钟楼区平原河网HSPF水文模型,对提出的平原河网地区流域划分方法进行了模拟应用。结果表明:钟楼区2020~2021年水文过程模拟结果较好,德胜河桥、钟楼大桥和连江桥下站点的相关系数、纳什系数均大于0.75,满足模型模拟精度,提出的平原河网地区流域划分方法有一定的合理性和可行性。

基于HSPF模型的滇池流域非点源污染模拟

介绍HSPF模型的主要结构和功能,通过对该模型参数的灵敏度分析和参数调整,利用滇池流域各入湖河流1988,1989年的水质监测数据及相关统计资料,分别对该流域的水文、水质过程进行了模拟.结果表明,SS是滇池流域非点源污染的首要污染物,大约80%的入湖SS来自非点源.在枯水年(1988年),非点源贡献了约1/3的TN、TP入湖负荷量.而BOD的主要贡献者则是点源污染.

基于HSPF模型的大阁河流域径流量模拟

文章应用HSPF模型对潮河支流大阁河流域进行径流量模拟,采用大阁水文站1972～1975年逐日流量观测数据,通过参数灵敏度分析和校正,使模拟的流量和实测的数据拟合,对模型进行校正。在此基础上采用1982～1985年逐日流量观测数据对模型进行验证。采用相对误差(RE)以及Nash-Suttcliffe效率系数(Ens)作为模型适用性的评价系数,模拟结果得出流量多年相对误差为0.17、Ens为0.87,表明HSPF模型对研究区流域长期的连续径流量模拟具有较好的适用性。

HSPF模型水文水质参数敏感性分析

参数敏感性分析是模型不确定性量化的重要环节,有助于对关键参数的识别,减少参数的不确定性影响,进而提高参数优化效率。以太湖地区典型小流域为研究区,采用扰动分析法对HSPF模型水文模块、泥沙模块以及氮磷输移等水文、水质模拟过程的参数进行了敏感性分析。研究结果显示:水文模块选取的17个参数中有7个敏感:UZSN、INFILT、AGWRC对径流的敏感级别为Ⅲ类,LZSN、DEEPFR、INTFW、IRC敏感级别为Ⅱ类。泥沙透水地面模块选取的9个参数中,KSER、KGER、JGER为Ⅲ类敏感参数,JSER为Ⅳ类敏感参数;不透水地面模块选取的4个参数中,KEIM、JEIM、ACCSDP对泥沙产量的敏感级别为Ⅲ类;河道模块选取的5个参数中,KSAND、EXPSND为Ⅲ类敏感参数,TAUCS、TAUCD为Ⅱ类敏感参数。总氮模拟选取了23个参数分析敏感性,其中WSQOP、SQOLIM、MON-GRND-CONC为Ⅳ类敏感参数,KATM20、MON-IFLW-CONC为Ⅲ类敏感参数,TCNIT、PHYSET、MALGR敏感级别为Ⅱ类。磷素输移模拟选取了12个参数,MON-GRND-CONC敏感级别为Ⅲ类,MON-POTFW、MON-IFLW-CONC、MALGR、PHYSET敏感级别为Ⅱ类。研究结果对于开展基于HSPF模型的流域水文水质研究工作参数的选取具有一定的参考价值,尤其对于太湖周边地区众多低山丘陵小流域进行HSPF模型水文水质模拟时敏感性参数的选取具有借鉴意义。

基于HSPF模型的流域水文水质模拟研究进展

HSPF模型是基于BASINS平台的半分布式的综合水文模型,能够准确模拟流域水文水质状况,并已在水资源和水环境领域中得到广泛的普及和应用.介绍了HSPF模型对水文、泥沙侵蚀及污染物的迁移模拟机理,对其在径流、污染物迁移、土地利用覆被变化及气候变化对流域水文水质的影响等领域的最新进展进行了评述.初步探讨了完善HSPF模型的研究方向,主要包括加强污染物迁移转化机理、参数的不确定性及与多学科模拟模型整合等方面的研究.

小流域非点源污染模拟与仿真研究——以HSPF模型在西丽水库流域应用为例

流域范围非点源污染的环境影响评价是流域水环境管理的基础,模拟仿真研究可为削减非点源污染负荷提供必要的政策依据。在简要介绍了HSPF模型的基本结构的基础上,应用HSPF模型模拟了2000年、2004年7月至2005年6月深圳西丽水库域水量和水质的连续动态变化。采用ArcGIS软件进行流域划分,通过野外监测完成数据采集,根据河流出口断面流量和污染物度校准与验证模型,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、Nash-Sutcliffe系数等考察拟值与实测值的吻合程度。研究结果表明,非点源污染是造成水库水质污染的主要原因,果树施肥是水库N、P污染的主要来源,少化肥使用量可以使非点源污染负荷明显降低。

基于PEST自动校正的HSPF水文模拟研究

水文模型率定是评价模型适用性必不可少的部分。基于Levenberg-Marquardt算法的PEST自动率定程序具有优化速度快、模型健壮性好的优点,已被成功应用于许多流域。分别选取2005—2006年、2007—2008年作为校正期和验证期,结合人工试错法和PEST自动率定程序分析参数敏感性及95%置信区间,得到合适参数值,利用HSPF模型对北京延庆县妫水河流域进行水文模拟。人工率定纳什系数E=0.338、确定性系数R2=0.612;PEST自动率定校正期E=0.640、R2=0.787,验证期E=0.737、R2=0.859,并且各参数值均在95%置信区间。表明PEST程序在HSPF模型中具有较好的率定功能,且HSPF模型在研究区具有良好的适用性。

HSPF模型在流域水文与水环境研究中的进展

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。研究表明:HSPF模型对于经验公式和假设估计仍然存在改进与完善的空间;对参数的深入分析研究参有助于降低模拟结果的不确定性;HSPF模型对采集数据精度和规范性的要求也较高。最后,从经验公式完善、参数不确定性探讨和模拟精度提高等方面对模型的完善提出相关建议,供相关研究提供参考。

基于HSPF模型的东江流域降水对非点源污染的影响分析

【目的】全面了解东江流域非点源污染负荷迁移特征及规律,更好地促进东江流域水环境治理和维持生态系统可持续。【方法】采用HSPF模型模拟了东江流域BOD、TN和TP非点源污染负荷的时空分布特征,分析了2007—2009年各非点源污染负荷与降水之间的关系。【结果】模型校准期和验证期间,水文过程月径流量和泥沙迁移过程年输沙量以及BOD、TN、TP污染负荷的率定误差Re均在15%以内,R2和Ens均在0.9左右;东江流域BOD、TN和TP非点源污染负荷主要集中在汛期(4—9月),分别占全年的86.7%、79.3%和85.5%,其中6月达到最高值,而枯水期(10月—翌年3月)则产生量较少,仅占全年的13.3%、20.7%和14.5%,其中1月出现最低值。【结论】HSPF模型可较好地应用于东江流域非点源污染负荷模拟;流域内的BOD、TN和TP非点源污染负荷的形成和分布受降雨影响较大,除TN外,BOD和TP污染负荷空间分布与降水的空间分布基本吻合。

基于HSPF模型的东江流域土地利用变化对径流影响研究

采用HSPF模型模拟了东江流域1980、2000和2008年土地利用情景下的径流过程,并识别了不同土地利用类型水文效应的敏感性。结果表明,HSPF模型模拟的月平均流量的相对误差为-4.6%,Nash-Suttcliffe系数高达0.95,拟合结果良好;气候条件一致下,2008年土地利用情景下模拟的年均径流量较1980年增加了2.36亿m3,增幅为0.97%,且土地利用变化引起的月径流量的增加主要集中5—7月;土地利用变化对流域的洪水过程影响显著。耕地、林地和城镇用地对径流深的贡献系数分别为-0.0118、-0.0237和0.0118mm/km2,耕地的减少和城镇用地的扩张使径流量增加,林地面积的增加使径流量减少。

HSPF模型及其在非点源污染研究中的应用

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.

基于正交极差分析的青龙河流域HSPF模型参数寻优模式

为评价桃林口水库水文水质状况,建立其上游青龙河流域的BASINs/HSPF水文水质模拟模型.以Nash-Sutcliffe效率系数作为评价标准,联合正交设计和极差分析法进行参数寻优研究和可靠性分析.结果表明:BASINs/HSPF模型参数寻优的正交极差联合分析模式可大幅减小参数的寻优次数和寻优区间,是获得模型灵敏度参数和参数满意解的高效模式,可为模型参数寻优算法开发提供借鉴;应用正交极差分析的参数率定结果,以青龙河流域下游桃林口水库监测点2011年实测径流数据对模型进行验证,验证期(2011年)的Nash-Sutcliffe效率系数为0.79,稍低于率定期(2012年)的Nash-Sutcliffe效率系数(0.81)以及PEST自动校准的Nash-Sutcliffe效率系数(0.84),水质模拟结果也基本吻合;针对青龙河流域BASINs/HSPF模型,应用正交极差分析方法识别出6个高灵敏的BASINs/HSPF模型参数(IRC、INFILT、AGWRC、DEEPFR、AGWETP和LZSN);应用正交极差分析方法获得的BASINs/HSPF模型参数满意解取值区间依次为:LZSN[2.0,6.3],INFILT[0.084,0.167],AGWRC[0.90,0.95],DEEPFR[0.209,0.333],BASETP[0.067,0.199],AGWETP[0.067,0.199],CEPSC[0.14,0.27],UZSN[1.35,2.00],IRC[0.392,0.483].

基于PEST的HSPF模型径流模拟优化

参数率定是水文模型构建的关键步骤之一,为了提高模型的率定效率和模拟效果,针对HSPF模型,以晋江山美水库流域为例,将PEST应用于日径流模型的率定,分别采用单目标函数和多目标函数率定参数,并对日流量偏差这一目标函数进行改进,划分为丰水期和枯水期的日流量偏差,对比分析了单目标与多目标率定结果的优劣及多目标函数改进前与改进后率定结果的差异。结果表明:1)相比单目标率定,多目标率定的NSE、R2、RMSE和PBIAS等结果均得到不同程度的提高。2)2种多目标率定的结果,在对日流量偏差改进后,枯水期日径流的模拟结果得到显著提高,率定期和验证期的NSE分别由-0.04和0.43提升至0.25和0.54,R2分别由0.37和0.59提升至0.47和0.64,PBIAS分别由-33.57%和-22.72%提升至-24.52%和-16.79%,RMSE分别由9.54和8.89m^3/s降低至8.06和7.96 m^3/s。因此,相比单目标率定,多目标率定能更好的把握径流变化趋势、径流总量和流量保证率的特征;并且将日流量偏差划分丰、枯水期之后,研究区的枯水期径流模拟效果得到显著提高。

基于响应面优化的青龙河流域HSPF模型参数校准方法

Hydrological Simulation Program-Fortran(HSPF)模型参数多且交互作用复杂,传统参数寻优面临着优化参数不灵敏、优化算法易陷入局部陷阱等问题,影响了优化精度和效率.本文集成青龙河流域、参数抽样、灵敏度分析和参数优化探索新的寻优途径.应用响应面优化软件Design Expert,针对9个HSPF模型参数进行抽样,获得130组参数集,采用多元二次回归模型,建立参数集与纳什效率系数(NSE)的非线性关系,通过等高线和响应面识别最优参数及其密集取值区间.响应面优化参数的NSE平均值、最大值、最小值以及寻优区间缩减率均优于正交极差分析方法;LZSN、INFILT、AGWRC为极灵敏参数,DEEPFR为灵敏参数;LZSN和INFILT、INFILT和AGWRC、INFILT和UZSN、INFILT和IRC的交互作用对结果有显著影响;优化参数的密集取值区间:LZSN[2.00,2.65];INFILT[0.400,0.475];AGWRC[0.870,0.885];DEEPFR[0.101,0.176];BASETP[0.001,0.120];AGWETP[0,083,0.120];CEPSC[0.166,0.244];UZSN[0.83,1.22]; IRC[0.53,0.63].响应面方法综合了参数抽样、参数灵敏度分析以及参数优化等3个方面,考虑了参数非线性关系和参数的交互作用,兼顾了优化精度和效率,为青龙河流域HSPF模型参数优化开拓了新途径.

降雨输入对青龙河流域HSPF模型模拟结果的影响

为评价降雨输入对青龙河流域BASINs/HSPF模型模拟结果的影响,改善HSPF模型模拟精度,应用趋势成分建模、周期成分建模、相依随机建模和独立随机建模(白噪声)等随机建模程序和蒙特卡洛计算机模拟方法,获得200组降雨随机模拟序列,分别作为青龙河流域BASINs/HSPF模型的输入,以Nash-Sutcliffe效率系数(E NS)作为模型模拟效果的评价标准,获得如下结论:采用趋势成分、周期成分与ARMA建模以及正态随机模拟获得降雨随机模拟序列是量化降雨输入随机性的可行方法;在模型参数优化的条件下,降雨随机模拟序列HSPF模拟E NS值的变化区间为[71.09%,74.96%],波动幅度达3.87%,表明降雨输入随机性对于HSPF模拟结果具有显著影响;当考虑每年的日降雨量极大值时,E NS值变化区间为[75.35%,78.81%],波动幅度达3.46%,且结果均优于没有考虑降雨极大值点的降雨随机模拟序列,表明降雨时间序列的极大值点对于HSPF模拟效果具有显著影响;随着降雨时间序列中所考虑极大值点数量的逐渐增多,HSPF模拟效果出现下降趋势,表明HSPF模拟应特别关注若干最大极值点的影响;降雨输入的不确定性是HSPF模型模拟结果不确定性的重要来源,改善HSPF模拟效果需要考虑降雨时间序列随机性和极值点因素的影响.本研究可为量化降雨输入对HSPF模型模拟的影响以及HSPF模拟的降雨情景优选提供借鉴.

子流域划分对HSPF模型径流模拟效果的影响

在水文水质模拟过程中,子流域划分数量直接影响模拟结果的精确度,确定最佳子流域划分方案对提高模拟精确度至关重要。基于PEST-HSPF模型,以中河流域为例,在相同参数及不同参数条件下,采用PEST自动校准方法,判断子流域划分数量对流量模拟精确度的影响。结果表明,在相同水文参数下,子流域划分数量变化时,模拟流量的纳什系数(NSE)和可决系数(R2)在0.65~0.78之间波动,其中子流域划分数量在10~20之间对模拟结果的精确度影响最大;在不同水文参数下,径流模拟结果的NSE与R2随子流域划分数量的增加先增大后减小,相对误差(RE)在子流域划分数量介于1~10之间时急剧下降后趋于稳定;子流域划分对HSPF水文模拟效果影响显著,表现出阈值效应,当划分数量超出阈值范围时,径流模拟精度均会受到很大影响。

HSPF模型在流域面源污染模拟中的应用

HSPF模型是以斯坦福水文模型为基础,能综合模拟流域径流、土壤流失、污染物传输、河道水力等过程的应用模型。该模型是半分布式水文水质模型的优秀代表。综述了HSPF模型及与其他常用面源污染模型的对比,概括HSPF模型应用优势,并综述了HSPF模型在不同空间属性条件、不同气象和水文条件下国内外流域面源污染模拟中的实际应用,以及HSPF模型参数的不确定性研究,最后提出对HSPF模型在我国流域面源污染控制中的应用展望。

HSPF模型在滇池流域水文模拟中的应用

针对滇池流域入河河道较多、人为因素影响突出等特点,提出基于HSPF模型的入湖水量模拟方法,采用资料较齐全的2个子流域、连续3年的逐日流量数据对模型进行了校准,在此基础上采用连续3年的流量数据对模型进行验证,选择相对误差(RE)、相关系数(R2)、Nash-Suttcliffe效率系数(Ens)对模型的适用性进行评价。研究结果表明,模型在滇池流域的水文模拟结果比较理想,在年径流量、季度流量还是日径流量模拟都得到较好的效果,这表明HSPF模型在研究区对流域长期连续的径流量模拟具有较好的适用性。

基于HSPF的东江分布式水文模型构建

针对东江流域,在基于HSPF水文模型的基础上,构建了东江流域分布式水文模型。详细介绍了HSPF分布式水文模型构建的原理、模型数据准备、模型构建以及模型验证过程。从气象分布变异的角度出发,将东江流域划分成51个子流域,从物理分布变异的角度出发,将东江流域的土地利用类型与土壤类型和坡向重新叠置成29种特征类型的下垫面。通过模型的模拟效果来看,两校准站(河源站和博罗站)的相对误差均小于15%,NASH系数都在0.9以上,模拟效果良好。