流域水环境模拟工具--Basins
计算水文学与水文模拟答案2019
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计算⽔⽂学与⽔⽂模拟答案2019⼀、阐述⽔⽂模拟中蒸散发及实际蒸散发计算的主要⽅法。
1流域蒸散发:流域上不同蒸发⾯(⽔⾯、裸⼟、岩⽯、植被等)的蒸发和散发总称为流域蒸散发。
蒸散量的计算⽅法:(1)野外试验⽅法(⽔⾯蒸发观测、蒸渗仪试验、⽓孔计蒸腾测量以及活枝离体称重法等)(⼩尺度)(2)流域⽔量平衡法。
(较⼤尺度)(3)热⼒学和空⽓动⼒学原理为基础的质量输送法、空⽓动⼒学法、能量平衡法、Penman 综合法、辐射⼀⽓温相关法等2 实际蒸散发的估算:关于实际蒸散发的估算⽅法有多种,主要包括:⽔量平衡法、⽔热平衡法、互补相关法和遥感法等。
(1)⽔量平衡法:根据⽔量平衡原理,对于⼀个闭合流域,其⽔量平衡⽅程式中:P 、E 、R 、ΔW ——流域降⽔量、蒸散发量、径流量和蓄⽔量变化值,mm 。
对于多年平均情况,流域蓄⽔量变化值趋于0,因此,流域⽔量平衡⽅程可简化为:R P E -=(2)概念性模型中常⽤的⽅法实际蒸发是潜在蒸发和⼟壤⼲燥程度的函数。
基本形式:()SMC SMT f ET AET ?=(3)⽔热平衡法:综合考虑⽔量和热量的平衡关系计算流域蒸散发的⽅法,经常使⽤的⼏种基于⽔热平衡的蒸散发计算公式包括:Schreiber 公式、OL ’dekop 公式、Budyko 公式、傅抱璞公式和Zhang L.公式等。
(4)互补相关法:a. Bouchet 认为,可能蒸散发的⼤⼩取决于实际蒸散发,即实际蒸散发是因,可能蒸散发是果。
实际蒸散发与可能蒸散发成反⽐。
b. Morton ⽤⼤量的实验数据证明了局地蒸发潜⼒与实际蒸散发之间的互补相关确实存在,⽽且两者成负指数关系。
(5)遥感(RS )法⽬前,利⽤遥感研究蒸散发的⽅法有很多,可概况为以下三种:a.统计模型。
b.物理模型。
c.数值模型。
d.全遥感信息模型⼆、主要的下渗模型1、近似理论模型(1)格林安普特模型⼜称活塞模型,模型研究的是初始⼲燥的⼟壤在薄层积⽔时的⼊渗问题。
hspf模型
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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。
MIKEBASIN模型在吉林市水资源配置方面的应用_王蕾
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文章编号:1007-2284(2014)01-0128-04MIKE BASIN模型在吉林市水资源配置方面的应用王 蕾1,肖长来1,梁秀娟1,张 茜1,姜 薇1,王悦刚2(1.吉林大学资源环境学院,吉林长春130026;2.通辽水文勘测局,内蒙古通辽028000) 摘 要:以吉林市第二松花江为典型流域,利用MIKE BASIN软件,构建吉林市第二松花江流域水资源配置模型,搜集吉林市1990-2010年水文资料和用水资料,利用吉林水文站1990-2010年控制站流量实际数据进行验证,对规划水平年2015年进行预测计算。
由模型运行结果得到全流域供需水量平衡数据,“二松”干流上3个子流域水量充足,能够满足其用水户用水,其他3个流域都有不同程度的缺水,主要缺水区域集中在鳌龙河、团山子河及牤牛河子流域上游,团山子河子流域在2015年月平均缺水量达8.58万m3,牤牛河子流域月平均缺水量为8.78万m3,鳌龙河子流域月平均缺水量为12.32万m3。
采取地表水与地下水联合调度的方法来解决缺水问题。
MIKE BASIN模型的建立为吉林市水资源合理配置和经济可持续发展提供决策依据。
关键词:吉林市;MIKE BASIN;模型模拟;水资源配置 中图分类号:TV212 文献标识码:AMIKE BASIN Model in Water Resources Allocation in Jilin CityWANG Lei 1,XIAO Chang-lai 1,LIANG Xiu-juan1,ZHANG Qian1,JIANG Wei 1,WANG Yue-gang2(1.College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130026,China;2.Bureau of Hydrological Survey of Tongliao,Tongliao 028000,Inner Mongolia,China)Abstract:In the typical watershed of the Second Songhua River(SSR)in Jilin City,a water resources allocation model was estab-lished with MIKE BASIN software,and the collected hydrological data was verified from 1990to 2010and the information of JilinCity and 1990-2010actual discharge data of Jilin hydrological station,were used to predict and calculate the planning level year 2015.The results of water balance between supply and demand of entire basin were obtained by the model.The water resources of threesubcatchments on the SSR basin are plentiful and meet the water demands.But other three subcatchments(located in Aolong River,Tuanshanzi River and Mangniu River upstream)have different degrees of water shortage.As mentioned above,monthly average wa-ter deficit in the year 2015are 8.58×104,8.78×104,12.32×104 m3,respectively.Water resources shortage can be solved by jointscheduling of surface water and groundwater.The established MIKE BASIN model serves as a decision-making basis for water re-sources optimal allocation and sustainable economic development of Jilin City.Key words:Jilin City;MIKE BASIN;model simulation;water resources allocation收稿日期:2013-07-10基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目(2008BAB42B07);国家自然科学基金项目(41072171)。
12HSPF模型
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第12章HSPF模型12.1 概述HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)模型,是由美国环保署(EPA)开发的一个数学模型,用于较大流域范围内自然和人工条件下,水系中水文水质过程的连续模拟。
HSPF模型自研发以来,已被广泛应用于流域水文、水质模拟研究,包括气候及土地利用变化对流域产流的影响,流域点源或非点源污染负荷确定,泥沙、营养物质、杀虫剂传输模拟以及各种流域管理措施对河流水质的影响等方面的研究。
本章主要介绍HSPF模型的基本原理,模型的改进,模型在径流模拟中的应用,并选择了实例对模型进行了论证,最后对模型进行了总结和展望。
12.1.1 背景资料HSPF模型的前身是Stanford Watershed Model (SWM)模型,包括HSP(Hydrocomp Simulation Program)、ARM (Agricultural Runoff Management)、NPS (Nonpoint Source) 模块。
1980年HSPF(第五版)经美国环保署水质模拟中心第一次公开发布。
模型一经发布,即被认为有可能是领域内最有价值的流域水文水质模型。
HSPF是早期三种模型的扩展和提高,这三种模型分别是:1)美国环保署农业径流管理模型——ARM(Donigian和Davis 1978);2)美国环保署非点源径流模型——NPS(Donigian和Crawford,1979);3)水文模拟程序(HSP)(Hydrocomp,1977)。
在上世纪70年代末期,美国环保署意识到这些模型的连续模拟方法在解决许多复杂的水资源问题时有很重要的价值,因此,他们投入了大量资金来研发一个相当复杂的FORTRAN程序,它包含了以上三种模型的功能,并进行了许多扩展,即HSPF模型。
HSPF 将ARM和NPS模型综合到流域尺度框架内进行分析,选择了HSP中的基本的流域建模方法,将模型编码设计和结构进行发展,并且将所有的独立模型重新设计并在FORTRAN中进行记录,以便结果能够被更广泛的应用。
SWAT使用手册(中文翻译)
![SWAT使用手册(中文翻译)](https://img.taocdn.com/s3/m/5f1d74eb0975f46527d3e195.png)
Soil and Water Assessment Tool User’s Manual Version 2000S.L.Neitsch, J.G.Arnold, J.R.Kiniry, R.Srinivasan, J.R.Williams, 2002Chapter 1 overview1.1 流域结构W ATERSHED CONFIGURATION✧子流域-无数量限制的HRUs(每个子流域至少有1个)-一个水塘(可选)-一块湿地(可选)✧支流/干流段(每个子流域一个)✧干流河网滞留水(围坝拦截部分)(可选)✧点源(可选)1.1.1子流域(subbasins)子流域是流域划分的第一级水平,其在流域内拥有地理位置并且在空间上与其他子流域相连接。
1.1.2 水文响应单元(HRU)HRUs是子流域内拥有特定土地利用/管理/土壤属性的部分,其为离散于整个子流域内同一土地利用/管理/土壤属性的集合,且假定不同HRU相互之间没有干扰。
HRUs的优势在于其能提高子流域内负荷预测的精度。
一般情况下,一个子流域每会有1-10个HRUs。
为了能在一个数据集内组合更多的多样化信息,一般要求生成多个具有合适数量HRUs的子流域而不是少量拥有大量HRUs的子流域。
1.1.3主河道(Reach/Main Channels)水流路线、沉积物和其他经过河段的物质在theoretical documentation section7中有描述。
1.1.4 支流(Tributary Channels)辅助性水流渠道用来区分子流域内产生的地表径流输入的渠系化水流。
附属水道的输入用来计算子流域内径流产生到汇集的时间以及径流汇集到主河道的输移损失。
辅助性水道输入定义了子流域内最长达水流路经。
对某些子流域而言,主河道可能是最长的水流路经,如果这样,辅助性水流渠道的长度就和主河道一样。
在其他子流域内,辅助性河道的长度和主河道是不同的。
1.1.5池塘、湿地和水库(Ponds/Wetlands/Reservoirs)两类水体(池塘/湿地)在每个子流域内都会有定义。
SWAT操作说明
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SWAT(Soil and Water Assessment TooL)操作说明(ArcView界面)http:/./swatR.SrinivasanBlackland Research and Extension CenterTexas Agricultural Experiment StationTexas A&M University翻译:高歌 许红梅(国家气候中心)2007年11月主要内容1.简介2.目的3.扩展部分4.流域划分及土地利用、土壤类型定义5.应用SWAT6.结果的后处理及显示简介土壤和水评估工具(SWAT)是一个具有物理基础可进行连续事件模拟的水文模式,用于预报土地管理措施对水、沉积物的影响以及农用化学物的大量使用、复杂流域的土壤变化、土地利用和管理条件的长期影响。
模拟时,一个流域被划分为一定数量均匀的子流域(即水文响应单元 HRUs),子流域内的土壤和土地利用具有一致的特征。
每个子流域的输入信息包括:天气;子流域内统一的陆面覆盖、土壤以及管理措施;池塘或水库,地下水以及主要的河道及子流域支流。
径流的运载,沉淀物、营养物和杀虫剂在子流域主要河道的运载情况也可以模拟,主要考虑了一些影响水文的物理过程。
更为细致的SWAT功能的描述,请参考SWAT User’s Manual, Version 99.2 (/swat/swatdoc.html#new)。
目的操作说明介绍软件安装及熟悉基本操作。
建立项目A VSWATX , ArcView3.x的扩展版。
建立一个ArcView项目,该项目包括连接处理好的资料以及兼容所有GIS常用的功能。
项目还包括一个常用的ArcView 图形用户界面(GUI),有菜单、按钮和工具。
1.启动ArcView3.x, 从File菜单中选取extension, 浏览A VSWATX并选择可选框,出现A VSWATX界面(图1)。
2.按下New Project旁边的按钮,弹出对话框,从下拉菜单选择资料目录,然后填写创建项目的名称,如:SWATDEMO. 文件名最长可以有8个字符,不给出文件的扩展名。
SWAT简介(地理信息系统平台)
![SWAT简介(地理信息系统平台)](https://img.taocdn.com/s3/m/6e497746336c1eb91a375d3b.png)
SWAT 模型简述1. 模型研究目的SWAT (Soil and Water Assessment Tool )是由美国农业部(USDA )的农业研究中心(ARS ,Agricultural Research Service )Jeff Amonld 博士1994年开发的。
模型开发的最初目的是为了预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下,土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。
它是一种基于GIS 基础之上的分布式流域水文模型,近年来得到了快速的发展和应用,主要是利用遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程,如水量、水质以及杀虫剂的输移与转化过程。
SWAT 模型综合了早期开发的SWRRB (the Simulator for Water Resources in Rural Basins )模型和ROTO (the Routing Ourputs to Outlet )模型的特征,从1990s 问世以来,经历了SW AT94.2,96.2,98.1,99.2,2000等版本,模型在原理算法、结构、功能等方面都有很大的改进,现在使用的SWAT2005版本可以在Arcview 、ArcGIS 等常见的软件平台上运行,具有良好的用户界面。
2. 模型的原理与结构SWAT 是一个物理基础的模型,可以进行连续时间序列的模拟。
SW AT 模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河道汇流部分)。
前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量;后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。
整个水分循环系统遵循水量平衡规律:01()tt day surf a seep gw i sw sw R Q E w Q ==+----∑式中:t sw (mm)是土壤最终含水量,0sw (mm)土壤初始含水量,t 为时间(day),day R (mm)为第i 天总降水量,surf Q (mm)是第i 天地表径流总量,a E (mm)是第i 天蒸散总量,seep w (mm)第i 天土壤侧流总量,gw Q (mm)第i 天地下径流总量。
大凌河流域MIKE BASIN水资源模型
![大凌河流域MIKE BASIN水资源模型](https://img.taocdn.com/s3/m/525fd7f432d4b14e852458fb770bf78a65293aac.png)
大凌河流域MIKE BASIN水资源模型吴俊秀;郭清【期刊名称】《水文》【年(卷),期】2011(031)001【摘要】MIKE BASIN model is a system to lump river net, and it links completely with GIS. The structure of its data and modeling is clearly defined. It can be used to support the participated dialogue in integrated water resources management and to create the solutions for solving the conflicts. It has two components that are hydrological model (NAM) and water resources model (MIKE BASIN). MIKE BASIN model is a quite important tool to provide helps in understanding and analysis of the condition of water resources in river basins, in developing integrated water resources management plan for river basins. This paper has detailed the process of establishing MIKE BASIN water resources model, including the requirements to data, analysis of data, use of data, as well as calibration of parameters in the model, which has the purpose to give the references for other users in establishment of MIKE BASIN Model.%Mike Basin 模型是一个集总式综合河网模拟系统,与 GIS 系统全面链接,具备清楚的数据与模型结构,支持水资源综合管理的参与式对话和矛盾解决方案.它由两个模型单元组成:水文模型(NAM)和水资源分配模型(MIKE BASIN).它是认识和分析流域水资源状况,进行流域水资源综合管理规划十分重要的工具.本文从模型数据的需求、分析与应用以及参数的率定,较详细地阐述了大凌河流域 MIKE BASIN 水资源模型的建立过程,为其他用户进行模型的建立提供了借鉴.【总页数】6页(P70-75)【作者】吴俊秀;郭清【作者单位】辽宁省水文水资源勘测局,辽宁,沈阳,110003;辽宁省水文水资源勘测局,辽宁,沈阳,110003【正文语种】中文【中图分类】P334.92【相关文献】1.利用MIKE BASIN模型软件构建流域水资源配置模型 [J], 李鹏;肖飞;高海菊2.MIKE BASIN在中英项目大凌河流域水资源管理中的应用 [J], 莫铠3.基于MIKE BASIN的浑河流域水资源管理模型模拟研究 [J], 吴迪4.基于MIKE BASIN的石羊河流域水资源管理模拟模型 [J], 孙栋元;卢书超;李元红;王军德;胡想全;程玉菲5.应用MIKE BASIN模型规划调配大凌河流域水资源 [J], 吴俊秀;李红英;刘革因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
水质模型分类
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/hhhbb/archive/2006/06/23/1681.html《QUAL 一 2 K模型及其主要参数确定》S —P模型的基本思路是:他们认为水中溶解氧( DO) 随时问减少的速率与B OD的浓度成正比,水中溶解氧的减少主要是由于水中有机物在好气菌在分解中消耗水中氧气所引起的,并且与BOD降解具有相同的速度,即复氧的速度与氧亏成正比。
S - P模型只考虑了有机物降解和大气复氧对DO的影响,没有考虑有机物沉浮、底泥吸附等对DO的影响,因此其结果与实际有一定的差别。
有很多学者对其进行了改进,主要有以下3种模型:( 1 ) Thomas模型:对一维稳态河流,在S---P模型基础上增加了一项因悬浮物的沉淀与浮所引起的BOD速率变化。
( 2 ) Camp—Dobbins模型:在Thomas的基础,增加了底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化速率和藻类光合作用和呼吸作用以及地表径流引起的溶解氧速率变化。
( 3 ) Oconnor模型:假定总的BOD是由含碳BOD(CBOI))和含氮BOD(NBOD)两项组成,模型不仅考虑了含碳化合物的耗氧,而且也考虑了含氮化合物的耗氧。
《W A S P水质模型在辽河干流污染减排模拟中的应用》WASP水质模型:WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)是由美国国家环保局开发的水质分析软件,可用来模拟常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律,是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域等一系列水质问题而设计的动态多箱模型。
WASP模型在中国渭河、苏州河、汉江等多个流域及水库已有成功的应用。
WASP模型由两个独立的计算机程序DYNHYD和WASP组成,两个程序可连接运行,也可以分开执行。
DYNHYD是一个简单的“Link—node”网络水力动态模型,产生的输出文件可为水质分析模拟程序WASP提供流量和体积参数。
SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势
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第34卷㊀第9期2021年9月环㊀境㊀科㊀学㊀研㊀究ResearchofEnvironmentalSciencesVol.34ꎬNo.9Septemberꎬ2021收稿日期:2021 ̄01 ̄24㊀㊀㊀修订日期:2021 ̄04 ̄27作者简介:郑佳琦(1996 ̄)ꎬ女ꎬ内蒙古赤峰人ꎬzhengjqcheer@163.com.∗责任作者ꎬ何卓识(1987 ̄)ꎬ女ꎬ副研究员ꎬ硕士ꎬ主要从事水环境质量演变模型研究ꎬzhuoshihe@163.com基金项目:国家重点研发计划项目(No.2017YFA0605003)ꎻ国家自然科学基金项目(No.51922010)SupportedbyNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2017YFA0605003)ꎻNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51922010)SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势郑佳琦1ꎬ李文攀2ꎬ霍守亮1ꎬ何卓识1∗ꎬ曹祥会1ꎬ马春子1ꎬ黄炜惠11.中国环境科学研究院ꎬ环境基准与风险评估国家重点实验室ꎬ北京㊀1000122.中国环境监测总站ꎬ北京㊀100012摘要:模型是研究水环境变化㊁进行水环境管理的重要工具.SPARROW(spatiallyreferencedregressionsonwatershedattributes)是一个基于质量平衡方法将监测数据与流域特征和污染物来源信息相关联的非线性流域回归模型ꎬ具有数据需求量少㊁结构透明㊁普适性强等优点.为深刻理解SPARROW模型在水环境管理中的应用现状及未来发展趋势ꎬ笔者对SPARROW模型的原理以及其在营养物背景浓度模拟㊁水质评价㊁水质目标管理㊁气候变化对水环境影响等方面应用的国内外研究现状进行了系统梳理.结果表明:①通过选择合适的参考点ꎬSPARROW模型可以有效模拟流域背景营养物通量和浓度ꎬ为流域水质标准的制定提供参照依据.②SPARROW模型可将营养物监测获得的数据信息外推至未监测区域ꎬ在水质监测数据数量有限的情况下进行水质评价.③SPARROW模型可模拟不同土地使用条件㊁资源管理等情境下河流营养物负荷ꎬ为水质的管理与决策提供支撑.④气候变化情景下ꎬ基于SPARROW模型进行气候变化对水环境影响的研究可以支撑水环境管理方案的制定ꎬ以应对未来气候变化导致的营养物输出增加.针对SPARROW模型目前在应用中存在的问题进行了分析与讨论ꎬ建议未来在应用SPARROW模型时ꎬ加强以下几个方面的研究:①进一步开发高锰酸盐指数㊁化学需氧量(COD)㊁氨氮等相关模块ꎻ②将SPARROW模型与机器学习模型相结合ꎬ提高量化模型参数的能力ꎬ使模型更好地应用于不同尺度㊁不同流域的水质相关研究.关键词:水环境模型ꎻSPARROW模型ꎻ氮磷污染负荷ꎻ水环境管理中图分类号:X522㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1001 ̄6929(2021)09 ̄2200 ̄08文献标志码:ADOI:10 13198∕j issn 1001 ̄6929 2021 04 29ApplicationandDevelopmentTrendofSPARROWModelinWaterEnvironmentManagementZHENGJiaqi1ꎬLIWenpan2ꎬHUOShouliang1ꎬHEZhuoshi1∗ꎬCAOXianghui1ꎬMAChunzi1ꎬHUANGWeihui11.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessmentꎬChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciencesꎬBeijing100012ꎬChina2.ChinaEnvironmentalMonitoringStationꎬBeijing100012ꎬChinaAbstract:Modelisanimportanttoolforstudyingthechangeofwaterenvironmentandwaterenvironmentmanagement.Thespatiallyreferencedregressionsonwatershedattributes(SPARROW)isanon ̄linearwatershedregressionmodelbasedonthemassbalanceꎬwhichcorrelatesthemonitoringdatawithwatershedcharacteristicsandpollutantsourceinformation.Ithastheadvantagesoflessdatarequirementsꎬclearstructureandexcellentversality.InordertodeeplyunderstandtheapplicationsituationanddevelopmenttrendoftheSPARROWmodelinwaterenvironmentmanagementꎬtheprinciplesoftheSPARROWmodelanditsapplicationinnutrientbackgroundconcentrationsimulationꎬwaterqualityevaluationꎬwaterqualitytargetmanagementandtheimpactofclimatechangeonwaterenvironmentweresystematicallyreviewed.Theresultsshowthat:(1)TheSPARROWmodelcouldeffectivelysimulatethebackgroundnutrientfluxandconcentrationbychoosingappropriatereferencesitesꎬandprovidebasisfortheformulationofwaterqualitystandards.(2)Themodelcanextrapolatenutrientconcentrationofunmonitoredareaviamonitordataꎬwhichmakesitpossibletoevaluatewaterqualityundertheconditionoflimitedwaterqualitymonitoringdata.(3)Themodelcansimulatetherivernutrientloadunderdifferentlandusepatternsandresourcemanagementꎬandprovidesupportforwaterqualitymanagementanddecision ̄making.(4)UnderclimatechangescenariosꎬthestudyoftheimpactofclimatechangeonthewaterenvironmentbasedontheSPARROWmodelcanassisttheformulationofwater第9期郑佳琦等:SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势㊀㊀㊀environmentmanagementplansandtackletheincreaseofnutrientoutputcausedbyclimatechangeinthefuture.InthispaperꎬtheproblemsexistingintheapplicationoftheSPARROWmodelareanalyzedanddiscussedꎬanditisrecommendedtostrengthenthefollowingaspectsofresearchwhenapplyingtheSPARROWmodelinthefuture:(1)TherelevantmodulessuchaspermanganateindexꎬCODandammonianitrogensimulationmodulesshouldbefurtherdevelopedꎻ(2)CombinetheSPARROWmodelwithmachinelearningmodeltoimprovetheabilityofquantifyingtheparametersofthemodelꎬsothatthemodelcanbebetterappliedtowaterqualityrelatedstudiesatdifferentscalesanddifferentbasins.Keywords:waterqualitymodelꎻSPARROWmodelꎻnitrogenandphosphorusloadingꎻwaterenvironmentmanagement㊀㊀近10年来ꎬ随着治污力度不断加大ꎬ我国水环境质量持续改善ꎬ截至2020年ꎬ我国1937个水质断面中ꎬGB3838 2002«地表水环境质量»Ⅲ类及以上水体已达到83 4%[1].然而由氮磷等营养物富集造成的水体富营养化问题依然存在.研究[2 ̄3]表明ꎬ自然环境和人类活动都会影响水体氮磷的浓度.水质模型可用于模拟不同土地管理㊁土地利用㊁气候变化下的水质变化趋势ꎬ是研究水环境变化㊁进行水环境管理的重要工具.目前比较成熟的水质模型可分为机理模型和统计模型两大类ꎬ其中机理模型为动态的㊁基于过程的流域模型ꎬ如SWAT(soilandwaterassessmenttools)㊁WASP(waterqualityanalysissimulationprogram)㊁EFDC(environmentalfluiddynamicscode)㊁MIKE21㊁HSPF(hydrologicsimulationprogramfortran).这些模型在结构上有所不同ꎬ但每个模型都需要用户提供50~100个相关参数来进行水文㊁泥沙和营养物的模拟[4].模型的复杂性㊁对数据量的要求以及大量需要校准的参数会限制这类机理模型的应用.相较于机理模型ꎬ统计模型具有相对简单的数学结构ꎬ易于在大流域中使用ꎬ并且模型参数和预测中的误差量化较容易(见表1)ꎬ常见的统计模型有回归分析㊁人工神经网络(ANNs)㊁克里格空间统计方法等[5]ꎬ该类统计模型缺乏质量平衡约束且不包含水质随空间和时间变化的信息ꎬ而这些信息通常是表征营养物输送过程的关键[6].表1㊀机理模型与统计模型的对比Table1Comparisonbetweenmechanismmodelandstatisticalmodel模型类别常用模型优点缺点机理模型SWAT㊁WASP㊁EFDC㊁MIKE21㊁HSPF考虑土壤性质㊁土地覆盖等环境变量影响水质的物理过程ꎬ刻画污染物输送过程详尽数据需求量大ꎬ参数校准困难统计模型回归分析㊁人工神经网络㊁克里格空间统计模型结构简单ꎬ量化模型参数和误差较容易缺乏物理机制ꎬ不考虑质量平衡约束ꎬ仅描述变量的相关关系ꎬ不包含水质空间和随时间变化的信息㊀㊀SPARROW(spatiallyreferencedregressiononwatershedattributes)模型是一种将机理模型和统计模型相结合的水质模型ꎬ其通过混合统计和基于过程的方法将监测数据与流域特征和污染物来源信息联系起来ꎬ来估计污染物在流域和水体的迁移ꎬ以探索人类活动㊁自然过程和污染物迁移三者之间的关系[7].该模型吸取了机理模型和经验模型的优点ꎬ具有较强的空间特性㊁较好的污染负荷预测能力并提供模型系数和预测结果的不确定性度量[8]ꎬ具有数据需求量少㊁结构透明㊁普适性强等优点ꎬ被广泛应用于流域背景浓度模拟㊁水质目标管理与总量控制㊁水质评价及预测㊁气候变化对水环境影响等研究[9].该文对SPARROW模型的结构原理及优缺点㊁国内外应用进展进行了系统阐述ꎬ在已有应用基础上ꎬ讨论了该模型在使用过程中存在的问题ꎬ并展望了该模型未来可能的发展趋势.1㊀SPARROW模型的原理与结构SPARROW是美国地质调查局(USGS)开发的具有空间属性的非线性流域回归模型.该模型使用质量平衡方法ꎬ将水质数据与监测点位所在流域的属性相关联ꎬ估算污染物在流域下垫面及河道运输中的损失ꎬ从而获得河流中污染物的分布㊁来源和输移等信息ꎬ并提供了模型系数和水质预测不确定性度量[10].SPARROW模型将小流域的试验数据和观测结果与大流域地表水的营养物输送相关联ꎬ为赋予污染物负荷数据空间意义提供了一种可靠的方法[11]ꎬ其复杂性适中ꎬ输入数据相对较少ꎬ结构相对透明ꎬ具有可解释的模型系数和对源贡献量的估计[12 ̄13]ꎻ同时ꎬ基于回归的SPARROW模型拟合与尺度无关ꎬ使得其适用于不同尺度的时间和空间场景[14].河流河段的污染物负荷由两部分组成ꎬ分别是上游河段传输到该河段的污染负荷和本河段及其所在子流域产生的污染负荷.Schwarz等[5ꎬ15]提供了SPARROW模型理论发展的细节ꎬ计算公式:Fi∗=ðjɪJ(i)Fjᶄ{}δiA(ZiSꎬZiRꎻθSꎬθR)+ðNSn=1SnꎬiαnDn(ZiDꎬθD){}Aᶄ(ZiSꎬZiRꎻθSꎬθR)(1)1022㊀㊀㊀环㊀境㊀科㊀学㊀研㊀究第34卷式中:Fi∗为子流域的年总污染负荷ꎬkg∕aꎬ第1部分表示由上游河段传输到下游i河段的污染物通量ꎬ第2部分表示i河段所在子流域产生并进入河段的污染物通量ꎻJ(i)为与i河段相邻的上游河段的集合ꎻδi为上游污染物通量传输到i河段的比例ꎬ通常依据水流量确定ꎻA㊁Aᶄ均为传输过程的衰减函数ꎬ其中湖泊和河流的参数不同ꎬ分别用角标R和S表示ꎬ衰减函数的参数分别为ZiS㊁θS和ZiR㊁θRꎻNS为流域内污染源数量ꎻSnꎬi为i河段内的第n个污染源产生的污染负荷ꎬkg∕aꎻαn为第n个污染源的排放系数ꎻDn为第n个污染源的水陆传输项ꎻZiD为陆域传输衰减函数的参数ꎻθD为参数的系数.年总污染负荷(Fi∗)由长期监测的水质及流量数据估算得到ꎬ作为模型的因变量.模型估算河流污染物负荷涉及3种自变量ꎬ分别为源变量㊁陆 ̄水迁移变量以及河道和湖泊中的损失变量.源变量(Snꎬi)可以包含城市用地面积㊁大气沉降等污染源相关变量ꎻ陆地到水体迁移变量(Dn)可以包含气温㊁降水量㊁地表坡度㊁河网密度和湿地面积等ꎻ河道中的损失变量(ZiS㊁θS)由河流长度和流速决定ꎬ湖泊中的损失变量(ZiR㊁θR)由区域水力负荷(平均径流与湖泊面积的比值)决定.利用上述自变量的参数ꎬ模型将年均污染物通量数据与流域污染现状以及影响传输的土壤景观和地表水性质相联系ꎬ基于最小二乘法的回归分析建立了水体负荷通量估算模型.对模型参数和水体负荷通量预测值模拟方程进行多次评估ꎬ最终得到模拟误差最小的最优结果.SPARROW模型的结构示意如图1所示.图1㊀SPARROW模型结构示意Fig.1SchematicdiagramofmodelstructureforSPARROW2㊀SPARROW模型的研究进展SPARROW模型最初被应用于美国地区ꎬ由于其较好的模拟效果ꎬ已在国际范围内开始应用研究[13ꎬ16 ̄17].近年来SPARROW模型得到了国内外学者的关注ꎬ如Li等[18]利用SPARROW模型评估了松花江流域扩散源的营养物输送和流失比率ꎬ并预测了上游子流域向通江监测断面运输营养物负荷的百分比ꎻZhou等[19]估算了九龙江流域总氮和总磷的来源及迁移ꎬ并在SPARROW模型基础上开发了情景分析模块ꎻ此外ꎬ研究人员在新安江流域[20]㊁密云水库流域[21]㊁艾比湖流域[22]等地区也开展了相关研究.目前ꎬSPARROW模型在模拟营养物背景本底浓度㊁水质目标管理及总量控制㊁水质评价与预测㊁气候变化对水环境影响等方面都得到了很好的应用.2 1㊀营养物背景浓度模拟流域水体氮磷自然背景浓度反映自然因素对营养物达到水质目标的影响ꎬ有时可能在富营养化过程中起决定性的作用[23].对水质状况的评估通常是基于当前水质状况与自然背景条件的阈值相比较ꎬ因此营养物的自然背景浓度是水质标准制定及评估富营养化过程的重要参考[24].常用于地表水营养物背景浓度模拟研究的方法有参照湖泊法㊁古湖沼学法及压力 ̄响应关系法ꎬ但存在一定局限性(见表2).表2㊀营养物背景浓度研究方法Table2Methodsforstudyingthebackgroundconcentrationofnutrients方法研究过程缺点参照湖泊法使用未受干扰水体的营养物监测数据进行研究ꎬ利用频数分布法ꎬ选择适当的百分位数作为区域营养物本底浓度[25]很少有未被开发的大流域ꎬ几乎所有的参照点都位于小流域ꎬ不同区域间营养物本底浓度可能具有很大差别ꎬ从小参考流域获得的结果很难 按比例放大 [26 ̄27]古湖沼学通过建立硅藻数据库ꎬ采用一系列多变量统计学手段提取影响硅藻分布的主要环境变量ꎬ建立转换函数并利用长期连续的湖泊监测数据来验证结果的可靠性采样和样品分析难度相对较大ꎬ沉积物中有机物保存受控因素较多ꎬ数据分析复杂压力 ̄响应关系法使用干扰变量作为预测因子ꎬ如人口密度㊁土地覆盖等.模型的截距为无人为干扰时的预测营养物浓度ꎬ即营养物背景本底浓度没有考虑大气沉降及营养物质向下游传输过程中的流失过程㊀㊀不同于参照湖泊法ꎬSPARROW模型可以利用较小的上游参照流域ꎬ为整个流域估算营养物背景浓度.该模型通过在流域上游选择无人类活动干扰或人类干扰相对较小的参照站点ꎬ构建营养物浓度与天然环境因素回归方程得到模型的营养物源变量.SPARROW模型在进行背景浓度模拟时ꎬ将人为污染2022第9期郑佳琦等:SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势㊀㊀㊀源数量设为0ꎬ同时考虑了营养物在河流和湖库输移过程中的损失ꎬ以此模拟未受人类干扰条件下水质由上游至下游的变化情况.相较于其他模型ꎬSPARROW模型输入数据相对较少且易获得.Smith等[28]利用63个低开发强度的源头河段的总氮和总磷数据校准了流域通量回归模型ꎬ建立总氮㊁总磷与径流㊁集水面积㊁大气沉降和其他区域因素的响应方程ꎬ利用总氮和总磷通量模型估算流域背景营养负荷量化SPARROW模型河流运输中的营养源变量ꎬ通过SPARROW模型计算总氮和总磷损失率来估计整个流域背景营养物负荷传输过程ꎬ最终得到整个流域的营养物背景浓度.利用SPARROW模型模拟营养物背景浓度关键在于参照点的选择ꎬ尽可能地选择受人类活动影响较小的监测点.由于不同国家和地区的经济㊁人口㊁土地利用情况存在差异ꎬ参照点的确定也有不同的方法.芬兰将最小人为压力的流域系统定义为农用地面积占比小于10%㊁林地面积占比小于5%㊁城镇用地面积占比小于0 8%的流域[29].挪威将农用地面积占比小于10%㊁人口密度小于5人∕km2且没有点源污染的区域视为水体不受人为影响或人为压力较小的区域[30].美国地质调查局水文基准网络计划项目中选择基准流域所遵循的标准包括:流域内不存在人类活动㊁流域中的地下水不受抽水井的影响㊁流域内具有准确监测的河流流量数据[31].Lewis等[27]在美国热带地区的流域研究中ꎬ将最小干扰流域定义为自然植被覆盖大于80%㊁人口密度低于5人∕km2㊁氮沉降低于2 5kg∕(hm2 a)的区域.确定合适的参照点选择方法ꎬSPARROW模型可以有效模拟流域背景营养物通量和浓度ꎬ为评估由人类活动导致的水体营养物的增加提供了研究基础ꎬ为流域水质标准的制定提供了参照量化依据.我国人口密度大ꎬ流域受人类活动扰动强度高ꎬ传统的营养物背景浓度模拟方法在我国适用性差.SPARROW模型提供了一种利用上游参照流域预测下游流域营养物背景浓度的方法ꎬ为我国水环境管理提供了一种新的技术.2 2㊀水质评价与预测流域水质评价主要包括估计营养物负荷㊁识别营养物来源和分析营养物通量空间分布三方面[32].评价过程中均需要评价目标的监测数据来描述该地区过去或现在的水质状况ꎬ但受到空间采样范围限制和监测频次差异的影响ꎬ有效水质监测数据样本量有限.SPARROW模型可以将监测获得的营养物通量信息外推至未监测区域[10]ꎬ利用流域气候㊁地质环境㊁土地利用等因素对水质的影响ꎬ预测未监测区域营养物通量及浓度.相较于一般统计模型ꎬSPARROW模型在估计流域营养负荷时考虑了污染物向下游传输时的衰减或滞留ꎬ目前已成功应用于美国全国范围河流总氮和总磷负荷的估算[33].美国农业部在2004年启动的保护性措施效益评价项目(CEAP)中ꎬ将SPARROW模型应用于水质效益的评估ꎬ为SWAT模型提供径流和污染物负荷信息[34].同时ꎬSPARROW模型使用整个流域的空间水系网络ꎬ利用简单的基于过程的源和输移描述ꎬ对所有子流域营养物来源贡献进行比较和排序ꎬ量化了不同营养物来源的重要性ꎬ评估水质与不同污染源之间的联系ꎬ以确定流域尺度的营养物来源和输移过程[35 ̄37].Xu等[38]使用SPARROW模型估算了天津渤海湾流域氮磷的来源和输移过程ꎬ确定了流域向渤海湾输送的氮磷负荷及流域上游㊁工业排放㊁污水排放等因素对流域营养负荷贡献的百分比.SPARROW模型将回归模型与空间信息相关联ꎬ保留了环境因素的空间信息ꎬ可以直接通过地图来展示模型模拟和预测结果ꎬ提供了营养物通量详细的空间分布信息ꎬ揭示了营养物负荷的区域差异性.Booth等[39]对莫比尔河进入莫比尔湾之前的最后一条河流河段开展SPARROW模型研究ꎬ以评估从该河汇水区向莫比尔湾的营养物输送ꎬ研究发现ꎬ远离海湾的河段和水库上游的河段向海湾输送营养物负荷占比较低.利用SPARROW模型预测得到的流域营养物负荷ꎬ结合水质评价方法ꎬ可以实现流域水环境质量评价.Wise等[40]利用SPARROW模型预测太平洋西北部河流总氮和总磷年均浓度ꎬ结合频数分布法估算该河流的年均浓度超过美国环境保护局适用参考标准的概率ꎬ以评价该河流的水质状态ꎬ为水环境管理提供参考.2 3㊀水质目标管理及总量控制除了估算及评价未监测河流的水质条件外ꎬSPARROW模型还可用于估算不同土地使用条件㊁资源管理方案下河流营养物负荷情况.目前流域面临来自农田开垦㊁人口增长和城市扩张的压力越来越大[41]ꎬ为保持良好的水环境ꎬ确保水资源的可持续利用ꎬ多采用TMDL(最大日负荷总量)法制定水环境管理政策.TMDL控制方案的主要部分之一是为所有影响河段水质的污染源建立一个假设的污染物负荷分配ꎬ从而使该断面的水质达到标准.SPARROW模型中的通量模拟功能可实现目标水体的污染物总量估3022㊀㊀㊀环㊀境㊀科㊀学㊀研㊀究第34卷算㊁流域主要污染物筛选及模拟不同的污染物负荷分配方案对水质的响应ꎬ从而确定TMDL控制方案[42].Detenbeck等[43]对美国河口区的氮总量进行了综合估算ꎬ并评估不同污染源对氮负荷的相对贡献ꎬ从而制定了一种针对沿海区域减少氮负荷的TMDL策略.SPARROW模型可以通过改变输入变量数值ꎬ描述特定输入条件变化对水环境的影响ꎬ提供实施管理方案的水质效益估计.Dai等[44]研究表明ꎬ通过分别削减三岔河和雅池河子流域30%和10%的人为氨氮负荷量ꎬ可使乌江流域80%水体达到GB3838 2002Ⅲ类水质标准.SPARROW模型是由统计分析系统(SAS)宏语言编写的开源系统ꎬ可在原模型的基础上开发成用户友好㊁便捷访问㊁更适合管理人员使用的水质管理模型.管理者可直接使用模型参与水质模拟分析ꎬ可直观感受到不同管理方案的使用效果ꎬ精简了决策过程.如Hassanzadeh等[45]基于SPARROW模型开发了一个动力学决策支持系统ꎬ该模型可以计算加拿大卡佩勒河流域农业效率管理措施实施前后的负荷变化ꎬ模拟流域内畜禽养殖数量或湿地覆盖率变化对流域营养负荷的影响等.Booth等[39]也开发了基于互联网的SPARROW决策支持系统ꎬ方便用户利用网页访问系统界面ꎬ为用户展示水质状态ꎬ并预测未来共享社会经济路径下的水质状况.2 4㊀气候变化对水环境影响水环境问题与水文模式息息相关ꎬ而水文模式本身对气候变化十分敏感ꎬ降水和径流的变化可能会改变营养盐的流动性和稀释率ꎬ气温的升高可能会影响被输送物质的化学反应动力学[46].Huo等[47]使用广义可加模型估计了未来气候情景对营养基准的影响ꎬ结果表明ꎬ在营养物没有增加的情况下ꎬ一些当前没有发生藻华的湖泊可能会受气候变化的影响在未来发生蓝藻水华.未来流域营养物负荷很可能会因气候变化的影响而改变ꎬ在应对气候变化的水环境管理决策中必须考虑到未来气候变化对水环境的影响.将SPARROW模型与降雨 ̄径流模型相结合ꎬ估算在不同大气环流模式和碳排放情景下流域径流变化ꎬ调整气候变化条件下模型中流量㊁流速等水域传输变量ꎬ能得到更可靠的河流营养负荷预测结果.Robertson等[48]根据不同情景下降雨径流模型系统(PRMS)模拟河流未来流量及其相应的水流速度和行进时间ꎬ然后利用SPARROW模型模拟未来情景中营养物在河道内的损失.Teutschbein等[49]用概念性水文模型HBV模拟未来情景下每个集水区的日径流ꎬ再与SPARROW模型耦合实现对未来气候情景下流域污染负荷的估计.目前ꎬSPARROW模型在气候变化对水环境影响的研究应用中还存在一定的局限性.水体营养物浓度的季节性波动要比外源输入量的波动大得多ꎬ气候变暖很可能导致更强的季节性波动[50].SPARROW模型没有考虑营养物传输的时间动态ꎬ只提供营养物的长时间平均值ꎬ忽略了季节性波动的影响ꎬ是未来可以进行改进的地方.气候变化情景下ꎬ基于SPARROW模型进行气候变化对水环境影响的研究可以支撑水环境管理方案的制定ꎬ以应对未来气候变化导致的营养物输出增加ꎬ只有将营养物浓度保持在一定水平下ꎬ水体富营养化问题才能得到有效缓解.3㊀SPARROW模型应用展望和发展趋势相对机理模型而言ꎬSPARROW模型需要的监测数据数量更少ꎬ并将营养物质的产生及迁移过程与河流衰减作用相联系ꎬ用统计方法描述自然条件和人类活动对水体营养物负荷的影响.可以利用该模型在流域水环境评价与预测㊁污染物背景浓度模拟㊁污染物总量控制管理等方面开展多项研究.虽然SPARROW模型在预测特定水质管理措施㊁气候变化等条件下地表水营养负荷的变化趋势方面得到了很好的应用ꎬ但该模型没有考虑各影响因素对受纳水体影响的时间效应.由上游土地利用或气候发生变化到观测到下游受纳水体中营养负荷由此变化之间的时间会受到不同流域地质条件的影响[51].因此应开发时间动态SPARROW模型ꎬ解释流域水体营养物迁移的时间效应ꎬ为制定精准的水环境管理方案提供水质预测支撑.目前ꎬ受到SPARROW模型结构的影响ꎬ模型多被应用于估算流域氮磷的负荷及迁移研究ꎬ对其他污染物模拟效果一般[8ꎬ52].SPARROW模型主要包含人畜排泄㊁土地利用㊁化肥施用量㊁大气沉降及点源排放5种污染源的影响ꎬ与流域氮磷负荷的主要影响因素一致.而对其他污染物而言ꎬ如化学需氧量(COD)等ꎬ以上5个方面不能完整代表影响污染负荷的主要因素.COD污染负荷与产业用水结构及污水处理厂去污率有较大关系ꎬ自然条件(如土地利用㊁大气沉降等)对其影响较小.因此为了适应污染物总量控制需求ꎬ更准确地进行污染物负荷模拟ꎬ应对SPARROW模型进一步开发高锰酸盐指数㊁COD㊁氨氮等相关模块.此外ꎬSPARROW模型使用非线性回归方法模拟流域污染负荷ꎬ流域内所有子流域使用固定系数ꎬ并4022第9期郑佳琦等:SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势㊀㊀㊀且模型估算的河流内损失率系数反映的是河段污染物去除的平均速率ꎬ年度统计数据不能预测季节性负荷或短期年内循环ꎬ后续的研究可以通过贝叶斯等方法对其进行改进ꎬ使模型融入有关模型参数的先验知识ꎬ为模型参数找到较为准确的参数区间[53].SPARROW模型一般应用于监测频率高㊁监测点密集的大流域ꎬ致使模型很难应用于缺乏高密度监测网的中小流域.可将SPARROW模型与随机森林等机器学习模型相结合ꎬ利用机器学习模型的学习能力ꎬ提高量化模型不确定性的能力ꎬ使模型更好地应用于不同尺度㊁不同流域的水质相关研究.4㊀结论a)SPARROW模型吸取了机理模型与统计模型的优点ꎬ具有数据需求量少㊁结构透明㊁普适性强等特点.该模型通过长期监测的水质与流量数据校准污染源㊁河道损失㊁陆地 ̄水体迁移损失等污染物负荷主要影响因素的参数ꎬ将监测数据与流域特征相关联ꎬ为污染物负荷赋予了空间意义.b)目前SPARROW模型已在水质评价与预测㊁水质目标管理及总量控制㊁气候变化对水环境影响等方面得到了广泛应用.为识别㊁评估㊁预测人类活动及气候变化导致的水体营养物增加提供了研究基础.SPARROW模型在营养物背景浓度模拟方面的应用ꎬ也为我国水环境管理政策的制订和管理提供了新的支撑技术.c)SPARROW模型多用于流域氮磷污染负荷及迁移研究ꎬ对其他几项主要污染物(如高锰酸盐指数㊁COD㊁氨氮等)的模拟效果一般ꎬ且该模型没有考虑影响因素的时间滞后影响.为实现水环境的精准治污㊁科学管理ꎬ未来SPARROW模型应进一步开发其他污染物模块ꎬ并与机器学习模型相结合ꎬ利用机器学习模型的学习能力使该模型适应多尺度的研究区域.参考文献(References):[1]㊀生态环境部.中国生态环境状况公报(2020年)[R].北京:生态环境部ꎬ2020:18.[2]㊀COUTURERMꎬMOESJꎬLINYꎬetal.SimulatingwaterqualityandecologicalstatusofLakeVansjoꎬNorwayꎬunderlanduseandclimatechangebylinkingprocess ̄orientedmodelswithaBayesiannetwork[J].ScienceoftheTotalEnvironmentꎬ2018ꎬ621:713 ̄724. [3]㊀STACHELEKJꎬWENGWꎬCAREYCꎬetal.Granularmeasuresofagriculturalland ̄useinfluencelakenitrogenandphosphorusdifferentlyatmacroscales[J].EcologicalApplicationsꎬ2020:e02187.[4]㊀JACKSON ̄BLAKELAꎬSAMPLEJEꎬWADEAJꎬetal.Areourdynamicwaterqualitymodelstoocomplex?acomparisonofanewparsimoniousphosphorusmodelꎬSimplyPꎬandINCA ̄P[J].WaterResourcesResearchꎬ2017ꎬ53(7):5382 ̄5399.[5]㊀SCHWARZGEꎬHOOSABꎬALEXANDERRBꎬetal.TheSPARROWsurfacewaterqualitymodel:theoryꎬapplicationanduserdocumentation[M].Virginia:U.S.GeologicalSurveyꎬ2006:15 ̄16.[6]㊀HONGBꎬSWANEYDPꎬMCCRACKINMꎬetal.AdvancesinNANIandNAPIaccountingfortheBalticDrainageBasin:spatialandtemporaltrendsandrelationshipstowatershedTNandTPfluxes[J].Biogeochemistryꎬ2017ꎬ133(3):245 ̄261. [7]㊀BURIGATO ̄COSTACMDꎬDA ̄SILVA ̄MARQUESLꎬALMEIDAAKꎬetal.Applicabilityofwaterqualitymodelsaroundtheworld:areview[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearchꎬ2019ꎬ26:36141 ̄36162.[8]㊀李亚娇ꎬ宋佳宝ꎬ李家科ꎬ等.四种典型非点源污染模型研究与应用进展[J].水电能源科学ꎬ2019ꎬ37(3):21 ̄24.LIYajiaoꎬSONGJiabaoꎬLIJiakeꎬetal.Researchandapplicationprogressoffourtypicalnon ̄pointsourcepollutionmodels[J].WaterResourcesandPowerꎬ2019ꎬ37(3):21 ̄24.[9]㊀NAUMANTWꎬELYCPꎬMILLERMPꎬetal.SalinityyieldmodelingoftheUpperColoradoRiverBasinusing30mresolutionsoilmapsandrandomforests[J].WaterResourcesResearchꎬ2019ꎬ55(6):4954 ̄4973.[10]㊀SAADDAꎬSCHWARZGEꎬROBERTSONDMꎬetal.Amulti ̄agencynutrientdatasetusedtoestimateloadsꎬimprovemonitoringdesignꎬandcalibrateregionalnutrientSPARROWmodels[J].JournaloftheAmericanWaterResourcesAssociationꎬ2011ꎬ47(5):933 ̄949.[11]㊀陈瑜ꎬ刘光逊ꎬ赵越ꎬ等.仿真流域的总氮模拟:SPARROW模型应用方法研究[J].水资源与水工程学报ꎬ2012ꎬ23(4):98 ̄101.CHENYuꎬLIUGuangxunꎬZHAOYueꎬetal.ResearchonthetatalnitrogensimulationofimitationwatershedbyusingtheSPARROWmodel[J].JournalofWaterResources&WaterEngineeringꎬ2012ꎬ23(4):98 ̄101.[12]㊀MORALES ̄MARÍNLꎬWHEATERHꎬLINDENSCHMIDTKE.Potentialchangesofannual ̄averagednutrientexportintheSouthSaskatchewanRiverBasinunderclimateandland ̄usechangescenarios[J].Waterꎬ2018ꎬ10:1438 ̄1456.[13]㊀ALEXANDERRBꎬELLIOTTAHꎬSHANKARUꎬetal.EstimatingthesourcesandsinksofnutrientsintheWaikatoRiverBasinNewZealand[J].WaterResourcesResearchꎬ2002ꎬ38(12):1268 ̄1280. [14]㊀ZHANGWangshouꎬSTEVENGPꎬLIHengpengꎬetal.Modelingphosphorussourcesandtransportinaheadwatercatchmentwithrapidagriculturalexpansion[J].EnvironmentalPollutionꎬ2019ꎬ255:113273 ̄113284.[15]㊀ALEXANDERRBꎬSMITHRAꎬSCHWARZGEꎬetal.DifferencesinphosphorusandnitrogendeliverytothegulfofMexicofromtheMississippiRiverBasin[J].EnvironmentalScience&Technologyꎬ5022。
MIKEBASIN模型在松花江流域的应用研究
![MIKEBASIN模型在松花江流域的应用研究](https://img.taocdn.com/s3/m/fa6daab1f121dd36a32d8252.png)
LIU Zhi-li
[Abstract]The paper calculates quantitatively the water resources carrying capacity for the 2020 and 2030 planning year of Hun River basin in pre and post water conveyance by using the fuzzy multi-objective planning method, with a combination of fuzzy mathematics and multi-objective planning. The results show that, under the condition of no water conveyance, the water resources carrying capacity of Hun River basin has some potential in the whole, but some areas are occur the overloading phenomenon, under the condition of water conveyance, the water resources carrying capacity has a more substantial increase and the Hun River basin has the larger development space. [Key words]Hun River basin; water resources; carrying capacity; fuzzy mathematics; multi-objective planning
用BATS模型模拟径流的个例研究
![用BATS模型模拟径流的个例研究](https://img.taocdn.com/s3/m/3c3f5d010622192e453610661ed9ad51f01d541f.png)
用BATS模型模拟径流的个例研究
刘春蓁;程斌;程兴无
【期刊名称】《水文》
【年(卷),期】1998(000)001
【摘要】为了解陆气间水热交换在径表成中的作用,本文采用BATS模型模拟了淮河流域山区和平原在1991年汛期50天的暴雨洪水过程,计算了径流,土壤温度和感热,通量,并用常规的汇流计算方法得到了流域出口断量过程线。
【总页数】6页(P8-13)
【作者】刘春蓁;程斌;程兴无
【作者单位】水利部水利信息中心;水利部水利信息中心
【正文语种】中文
【中图分类】P333.1
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SWAT模型研究进展
![SWAT模型研究进展](https://img.taocdn.com/s3/m/6ddea938b5daa58da0116c175f0e7cd185251844.png)
SWAT模型研究进展黄奎【期刊名称】《《珠江水运》》【年(卷),期】2019(000)019【总页数】2页(P34-35)【关键词】SWAT模型; 径流模拟; 非点源污染; 集成研究【作者】黄奎【作者单位】重庆市潼南区水环境监测和保护站【正文语种】中文SWAT(Soil Water and Assessment Tools)模型是由美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)开发的长时段、中等流域尺度的分布式水文模型,常常应用于模拟复杂流域的径流、泥沙和化学污染物等转移途径。
该模型基于SWRRB 模型开发的长时段的流域分布式水文模型,具有强大的物理基础,可以集成地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和数字高程模型(DEM)于一体,模拟100 年内流域的降水、土壤、土地利用和管理对径流,对径流量、营养元素的负荷、泥沙流失量等长期的影响。
该模型具有良好的用户界面,较强的空间数据管理、组织、分析和表达能力,在数量众多的非点污染源模型中脱颖而出;但不能进行单次降水的影响模拟。
自90年代初正式问世以来,随着需求和技术的提高,模型不断更新,研究内容越来越广泛,包括径流模拟、非点源污染、模型输入参数和气候变化的水文效应以及模型的改进等诸多方面。
1.SWAT模型径流模拟研究进展起初 SWAT 模型主要是应用于水文水质方面,在2000 年左右才应用于径流模拟研究,在美国具有多个全国性和区域性项目实践基础。
基于美国的经验,SWAT模型在国内得到广泛的应用。
该模型径流过程主要分为水循环陆面部分和水循环的水面部分,即从产流和坡面汇流至汇入河流水系全过程。
Arnold等以美国3个流域,密西西比河支流等为研究对象,验证SWAT模型应用于径流模拟适用性,得出长期径流模拟精度高,短期径流模拟效果差。
罗睿等以黄河左岸一级支流三川河研究对象,构建干旱-半干旱地区分布式水文模型,模拟三川河流域月平均流量过程,并以1980~1985年5年的降雨和径流监测数据进行率定和验证,模型率定和验证期效率分别为0.71和0.73,较实际监测数据偏大。
基于MIKEBASIN的石羊河流域水资源管理模拟模型
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MI K E B A S I N 是 由丹 麦 水 利 研 究 院 ( D a n i s h H v .
d r a u l i c I n s t i t u t e . D HI )研 发 的流 域 水 资源 规 划 管 理 工
切需 要解 决 的重要课 题 之一 通过水 资 源 的有 效管 理 .
具. 在 流 域或 区域 尺 度 上解 决 水 量 的优 化 配 置 、 用水
户连 接 ( 将用 水 与供 水 通 过节 点连 接 ) 、 水 库 调度 规 则
及 水 质 模 拟 等 问题 的综 合 性 水 资 源 数 学模 型 软 件【 3 I 该模 型 由两个 子 模 型单 元组 成 : 水 文模 型 ( N A M) 和水 资 源分配 模 型 ( MI K E B A S I N) 。N A M 模 型 是 MI K E B A S I N模 型用 于降雨 径 流计算 的前 置模 型 。 N A M模 型 是 一 个确 定性 、集 中式参 数 的概念 性 降雨 径 流模 型 , 分 4层蓄水 体 进行 流域 产 汇流模 拟 计算 。4层蓄 水 体 分 别 为融 雪 水库 、地表 水 库 、浅层 水 库 和地 下 水库 。 N A M 模 型所 需 的数据 包 括 气象 数 据 、 流 量 数据 、 流 域 参数 和 初始 条件 定 义 基 于这 些 , 模 型 生成 流域 径 流
中 图分类 号 : P 3 3 4 . 9 2 ; T V 2 1 3 . 4
文献 标识 码 : A
文 章编 号 : 1 0 0 0 — 0 8 5 2 ( 2 0 1 5 ) 0 6 — 0 0 5 0 — 0 7
l 引 言
在 干旱 区 . 水 资源是 最 宝贵 的 自然 资源 . 它不 仅是 荒漠绿 洲形 成 、 发 展 和稳定 的基 础 . 也 是环 境 的必要 和 有机组 成部 分 .更是 维系 生态 系统 和流域 生态 安全 与 经济社 会 和谐发 展 的决定 性 因素_ l 1 。然而 , 随 着人 口与 经济 的增 长 , 可 利用 水资 源不 足成 为 区域 生态 恢复 、 经 济发 展 和人 民生活 水平不 断提 高 的限制 因素 再加 之 人类 对水 资源 的不 合理 利用 和气候 变化 的影 响 .由此 引 发绿 洲 萎缩 、 土地 沙化 、 土壤 盐 碱化 、 植 被 退 缩 等生 态 环境 问题 .使得 干旱 区流 域水循 环 过程 和生态 格 局 发生 了深刻 变 化l 2 1 科 学合 理 地 解决 经 济社 会 发 展 与 水资 源供 需 的矛盾 . 加强 流域 尺度上 水资 源管 理 . 实 现 水 资源与 社会 、 经济 和生 态环境 的协 调发 展 , 是 当前 迫
数字流域三维虚拟仿真系统综述_叶伟
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个缺憾,可将流域及周边区域具有标志性的、重要的自然和人 文景观真实地呈现在人们的面前,可对多角度、多层次地进行 观察。
同时,数字流域导入具体水利专业建筑模型如水坝,水库, 监测站点等的三维电子沙盘接口,可用来准实时地监测水位, 监测人员,察看险情等。
近年来,国内在数字流域三维可视化方面取得了快速的发 展。清华大学基于 VRMap2 开发了黄河流域三维仿真系统。天 津大学开发了水利水电工程施工场地布置可视化演示系统。四 川大学也开始致力于将虚拟现实技术与水利工程结合的研究 等[7]。
真实模拟数字流域的水流效果需要建立真实的动态水流
动力学及运动学的微分方程模型,将模型通过编程进行数值求
解得到实时的数据。
数字流域的洪水模型包括流域水文模型和流域洪水演进
模型两部分。流域水文模型包括流域蒸发模拟,降雨产流模拟,
区域汇流模拟和区域出流模拟。洪水演进模型包括边界条件模
拟,零维水流模拟,一维水流模拟,二维水流模拟,区间入流模
摘 要:近年来,虚拟现实技术在我国得到了快速的发展,并应用于各行各业。文中主要综述三维虚拟仿真系统在以 三维可视化和仿真模拟为目标的数字流域实时仿真系统中的应用。
关键词:虚拟现实;三维可视化;数字流域
中图分类号:TP311
文献标识码:B
Summary of Three Dimension Virtual Simulation System of Digital Basins
24
文章编号:1006-8139(2013)02-024-03
山西水利科技
数字流域三维虚拟仿真系统综述
2013 年 5 月
叶 伟 1 荣 榕 2 邓长涛 3 申 晨 4
(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术实验室,天津 300456;2.山西省水利厅数字水利中心, 山西太原 030002;3.珠江水利水电科学研究院,广东广州 510610;4.太原理工大学,山西太原 030024)
MIKE BASIN模型在白龙江引水工程受水区水资源配置中的应用
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DOI:10.19645/j.issn2095-0144.2018.10.003MIKE BASIN 模型在白龙江引水工程受水区水资源配置中的应用张旭昇,熊伟,曾发琛(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,甘肃兰州730000)摘要:为了对白龙江引水工程受水区132处供水水源与442个用水对象组成复杂的供用水网络进行水资源供需多方案快速分析,基于MIKE BASIN 软件建立了受水区水资源配置模型。
计算结果表明,规划水平年2040年,当地地表水可供水量6.30亿m 3,地下水可供水量1.72亿m 3,其他水可供水量2.61亿m 3,缺水量7.88亿m 3,满足各用水对象保证率条件下需外调白龙江水7.66亿m 3,模型较好地模拟了不同类型水源之间联合供水,复杂用水条件下流域内外水资源供需状况及配置情况。
关键词:MIKE BASIN 模型;白龙江引水工程;复杂供用水网络;水资源配置中图分类号:TV213.4文献标志码:A文章编号:2095-0144(2018)10-0055-07第54卷第10期甘肃水利水电技术GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGYVol.54,No.10白龙江引水工程是将白龙江流域的水资源调入泾、渭河流域的长距离跨流域调水工程,是支撑甘肃省泾、渭河流域未来经济社会发展的重要水源工程,是一项基础性、全局性、战略性水资源配置工程。
受水区涉及县区较多,具有面积广、水系多、供用水网络关系复杂的特点。
水资源配置需充分考虑现状及规划水库、地下水调蓄及各水源间丰枯互补,进行地表水、地下水和外调水联合调度。
应用MIKE BASIN 软件建立水源条件各异、供用关系复杂,多水源联合调度的水资源配置模型,初步分析工程受水区可供水量、缺水量及需调水量,模拟多水源联合调度区域的长系列供需平衡及配置计算,为水资源短缺地区科学合理地确定调水规模提供一种可借鉴的方法。
2024版MIKEBASIN水资源软件完整实例培训教程
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MIKEBASIN水资源软件完整实例培训教程•MIKEBASIN软件概述•水资源模型构建•水资源分析与管理•MIKEBASIN在流域规划中的应用•MIKEBASIN在城市水务管理中的应用•MIKEBASIN在农业灌溉中的应用•MIKEBASIN软件操作技巧与常见问题解答MIKEBASIN软件概述软件背景及功能背景MIKEBASIN是由丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的一款综合性的水资源管理软件,旨在提供水资源规划、管理和决策支持的全流程解决方案。
功能MIKEBASIN具有水资源评价、水资源配置、水环境模拟、洪水预报与风险管理、水利工程运行管理等功能,支持多用户协同工作和数据共享。
应用领域与范围应用领域MIKEBASIN广泛应用于水资源规划、水环境保护、水利工程设计与运行管理等领域,为政府、企业和科研机构提供决策支持和技术服务。
应用范围MIKEBASIN适用于不同尺度的水资源管理,包括流域、区域、城市和农村等,可处理复杂的水资源问题,如水资源短缺、水污染、洪涝灾害等。
技术特点与优势技术特点MIKEBASIN采用先进的数值模拟技术和地理信息系统(GIS)技术,实现了水资源系统的精细化模拟和可视化表达;同时,软件支持多源数据融合和不确定性分析,提高了模拟结果的可靠性和准确性。
优势MIKEBASIN具有高度的灵活性和可扩展性,可根据用户需求进行定制开发;软件提供了丰富的数据接口和模型库,方便用户进行数据导入和模型构建;此外,MIKEBASIN还提供了完善的用户手册和在线技术支持,降低了用户的学习成本和使用难度。
水资源模型构建收集研究区域的基础地理信息数据,包括数字高程模型(DEM)、土地利用类型、土壤类型等;收集研究区域的气象数据,包括降水、蒸发、气温等;收集研究区域的水文数据,包括河流流量、水位、水质等;对收集的数据进行整理、格式转换和预处理,以便后续模型建立。
01020304数据收集与整理导入整理好的基础地理信息数据、气象数据和水文数据;构建研究区域的水系网络,包括河流、湖泊、水库等;根据研究需求,添加相应的模块和插件,如水质模块、生态模块等。
hspf模型
![hspf模型](https://img.taocdn.com/s3/m/0642a895a0116c175f0e48b5.png)
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、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Mobile Bay 流域的水文过程,结果表现很好。
流域水资源配置模拟模型及实例应用研究
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流域水资源配置模拟模型及实例应用研究
王珊琳;李杰;刘德峰
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2004(000)005
【摘要】以水资源系统工程的理论及方法为出发点,分析国内外水资源配置模拟模型研究现状及存在问题,探讨其基本原理,阐述其系统构成及其各专项模型的原理及求解方法等.同时,对生态环境需水量理论进行研究,提出合理、实用的生态环境需水量计算方法.最后以Mikebasin水资源规划及管理专业软件为平台,将理论研究的成果具体应用于建立东江流域水资源配置模拟模型.
【总页数】5页(P11-14,22)
【作者】王珊琳;李杰;刘德峰
【作者单位】珠江水利委员会科学研究所,广东,广州,510611;珠江水利委员会科学研究所,广东,广州,510611;珠江水利委员会科学研究所,广东,广州,510611
【正文语种】中文
【中图分类】TV213.4
【相关文献】
1.分布式水文模拟模型在流域水资源管理中的应用 [J], 郭舸
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3.汉江流域水资源配置模拟模型研究 [J], 李媛媛;杨辉辉
4.度假酒店植物配置BIM应用研究r——青岛东方影都文华酒店植物配置BIM应
用实例分析 [J], 高振江;王朝忠
5.基于MIKE BASIN的石羊河流域水资源管理模拟模型 [J], 孙栋元;卢书超;李元红;王军德;胡想全;程玉菲
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1.3基本原理
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直接点击“Build ” 建立一个无数据的建个无数据的
新项目 该项目为
“International project ”
将项目名设为“Patuxent ”,其* 默认后缀为*. mwprj
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地图投影与分区设置
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选择L6\demg\择\g\
02060006demg.tif
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选择L6\landuse\l b l d h l_baltmd.shp l_washdc.shp 两文件
可利用Analsis 下的
Reclassify Land Use 工具重新进行土地利用分类
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输入河网数据
选择L6\
nhd\02060006shp nhd\02060006.shp
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输入研究区的边界
选择L6\W_branch \W branch shp \W_branch.shp
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2.2.1气象数据
降雨 潜在蒸发 气温 风速
太阳辐射 露点温度
云层覆盖…
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BASINS HSPF BASINS-HSPF
中气象数据的处理过程h t
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如何将左边的日最高气温数据文件转化为*WDM *.WDM
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输入天气数据
Basins ÆWDMUtil ÆFile ÆNew ,在
目录下建立L6\WDM 目录下,建立一个空wdm 文件,将文件命名为“west_brex ”File ÆImport ,在L6\West Branch
Weather Data 目录下,选择
“marlboro tmax txt ”
marlboro_tmax.txt h t
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在header 栏,选中lines 1
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Script Creation Wizard —Data Mapping
按图设置完毕,点击Read Data
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先选择Time Series 列表中In-memory 类型的数据 再将该数据写入WDM
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进入Write to WDM 对话框
根据WDMUtil 气象数据集编码9Output DSN Æ19h t
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数据输入后结果
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子流域输出层--Subbasins
鼠标点击的开始结束都要在
已有边界外面 点击右键绘制结束 生成Subbasins
基于DEM ,利用Calculate
Subbasin Parameters 计算子流域坡度
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—Streams Outlets 河网层与出口层St ea s 、Out ets
基于河网数据
点击“Define Stream
”
Network and Outlet h t
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2.3.2 自动划分
基于DEM 、预先数字化的河网数据(Existing )Stream Polyline )、Focusing Mask
本例中,打开DEM 、河网层和W_branch 层Watershed Delineation ÆAutomatic
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若不定义出口
若不设定出口文件(层),直接Run ,生成
Watershed Shapefile 层
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若定义出口
定义出口文件(Outlet.shp )
出口必须选在河道上 最下游的用户设置出口为整个研究区的出口
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输入流域绘制文件Æ启动HSPF
启动BASNINS 项目9L7\Patuxent.mwprj 添加流域绘制文件
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D:\Basins\Predefined\west branch 目录下wb_strms.shp wb_subs.shp wb_outs.shp
选中wb_subs.shp 层中六个子流
域
Models ÆHSPF ÆGeneral
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