湖泊水环境多维演化过程模拟与优化调控研究

1.本书为湖北省学术著作专项资金资助项目《水电科技前沿研究丛书》中的一本，丛书主编为我国水电能源领域的专家周建中教授和张勇传院士。2.本书也是基于水利部公益性行业科研专项的研究成果，对读者研究湖泊水环境的演化过程模拟及优化调控具有很好的参考价值和现实意义。

 

本书以多学科综合交叉研究为手段，采用理论研究、建模仿真与工程应用验证相结合的技术路线，运用水文学、水资源、运筹学、系统科学、环境与生态学和经济学原理与方法，同时借鉴和发展复杂性科学理论在其他领域中的研究成果，以生态修复与保护背景下湖泊生态水网调度为主线，全方位揭示了生态友好环境下湖泊水网系统在社会经济发展过程中的演化规律，发展湖泊群水质水量优化调度的理论与方法体系，突破湖泊群生态水网调度所面临的关键理论与技术瓶颈，预期实现符合生态安全、满足社会经济综合效益*优的湖泊水资源开发与保护。本书可作为湖泊科学、环境科学、水资源、水环境等相关专业院校的本科生和研究生学习用书，也可以作为相关学科的科研工作者或从事湖泊环境工作的管理者和风险评估者等的参考资料。本书以生态修复与保护背景下大东湖生态水网构建工程为背景，系统地研究了生态友好环境下大东湖水系湖泊群水环境多维演化过程模拟及优化调控等相关内容。本书总体目标旨在针对城市湖泊水环境改善、水体污染物控制、饮用水安全保障和生态系统修复与持续改善中水生生物群落结构和水体环境容量相关的科学与技术需求，为建立连通湖泊水质水量多目标联合优化调度的方法、体系与决策支持系统提供生态和环境相关的技术支撑。本书可作为湖泊科学、环境科学、水资源、水环境等相关专业院校的本科生和研究生学习用书，也可以作为相关学科的科研工作者或从事湖泊环境工作的管理者和风险评估者等人的参考资料。

周建中，教授、博士生导师，华中科技大学水电与数字化工程学院院长。华中科技大学首届校内特聘教授、首届华中学者（领军岗），德国布伦瑞克理工大学客座教授。 获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步特等奖3项、一等奖10项、二等奖7项。2015年获中国大学出版社优秀学术著作一等奖1项、2017年获第三届湖北出版政府奖1项；获国家发明专利27项，获软件著作权22项。出版专著4部，在国内外重要学术刊物发表学术论文300多篇，其中被SCI、EI收录250多篇次。

第1章绪论(1)

1.1湖泊水环境现状(1)

1.1.1湖泊治理与生态修复(2)

1.1.2湖泊水动力过程与水环境模拟(3)

1.1.3湖泊水网水质水量联合优化调控(3)

1.2武汉大东湖水系概况(4)

1.3主要内容(10)

参考文献(13)

第2章湖泊水网复杂背景场特征分析(18)

2.1大东湖水网气象水文环境概况(18)

2.1.1大东湖区域水文气象概况(18)

2.1.2大东湖生态环境概述(19)

2.1.3大东湖水系水污染现状概述(22)

2.1.4大东湖生态水网工程简介(24)

2.2大东湖生境现状调查研究(24)

2.2.1调查区域与研究方法(24)

2.2.2大东湖水网生态系统现状(27)

2.2.3大东湖生态系统退化原因(40)

2.3湖泊水环境现状调查研究(41)

2.3.1实验方法(41)

2.3.2实验地点及设备(42)

2.4水环境在线监测系统设计(45)

2.4.1系统整体设计(46)

2.4.2系统硬件电路设计(50)

2.4.3系统软件设计(61)

参考文献(65)

第3章湖泊流域分布式水文建模及预报(67)

3.1具有物理机制的流域分布式水文模型建模(67)

3.1.1集总式概念性流域水文预报模型(68)

3.1.2具有物理机制的分布式栅格新安江模型(73)

3.1.3大东湖区域分布式水循环演变规律分析(80)

3.2流域分布式水文模型参数自适应高效智能优化方法(86)

3.2.1水文预报模型优化率定的数学描述与表达(86)

3.2.2流域分布式水文模型多目标高效智能优化率定方法(89)

3.2.3基于多目标优化框架的水文预报模型优化率定(100)

3.3基于贝叶斯理论的分布式水文模型不确定性分析(103)

3.3.1流域水文模型不确定性分析方法(103)

3.3.2耦合贝叶斯推理和马尔科夫蒙特卡罗的分布式水文模型不确定性分析

(105)

参考文献(113)

第4章湖泊水系分布式流场数值计算(115)

4.1二维浅水动力学理论基础(115)

4.1.1三维NavierStokes方程(116)

4.1.2二维浅水方程(117)

4.2网格自适应加密与稀疏技术(121)

4.2.1网格密集化(122)

4.2.2网格稀疏化(122)

4.2.3网格自适应准则(122)

4.3湖泊水流数值计算模型及验证(123)

4.3.1黎曼问题及近似黎曼求解器(123)

4.3.2梯度限制器(124)

4.3.3高阶时间格式(125)

4.3.4摩阻项处理(126)

4.3.5底坡源项处理(127)

4.3.6边界处理(127)

4.3.7稳定性条件(128)

4.3.8模型验证(128)

4.4湖泊三维水动力与水温模型(132)

4.4.1垂向σ坐标系下的控制方程(132)

4.4.2边界条件(136)

4.4.3二维垂向积分方程(138)

4.4.4紊流闭合模型(139)

4.5大东湖水网分布式流场模拟(141)

4.5.1风驱动力湖泊分布流场模拟(141)

4.5.2不同引水情形下湖泊流场及滞水区分析(144)

参考文献(148)

第5章湖泊水质变化时空模式分析及预测(150)

5.1湖泊水环境容量计算(150)

5.1.1水环境容量计算模型(150)

5.1.2水环境容量模型参数确定(153)

5.1.3东湖水环境容量计算(154)

5.2湖泊水流水质的高精度数学耦合模型及验证(157)

5.2.1二维水流水质控制方程及有限体积离散(158)

5.2.2高阶格式与水深水位加权变量重构技术(158)

5.2.3数值通量计算(159)

5.2.4水流水质模型验证(161)

5.3湖泊多指标水质模拟及时空分析(164)

5.3.1湖泊综合水质及模拟(164)

5.3.2不同背景场下大东湖水系水动力水质变化特征分析(198)

参考文献(257)

第6章湖泊水质水量多维联合优化调控(259)

6.1面向湖泊群水质改善的水网调度策略(259)

6.1.1大东湖水网引水调度连通方案研究(259)

6.1.2不同引水流量下水网调度效果分析(285)

6.1.3考虑湖泊间污染物迁移风险的水网调度策略设计(295)

6.1.4大东湖水网调度湖泊运行水位优选(309)

6.2考虑综合效益的湖泊水网水质水量联合优化调度方法(311)

6.2.1水质模型与水量水质模型耦合调度关键技术研究(312)

6.2.2面向湖泊水质改善的水质水量耦合调度(313)

6.2.3兼顾调水经济成本的大东湖多目标水质水量调度(315)

6.3大东湖水网调度效果分析与调度效果改善措施(318)

6.3.1面向死水区水质改善的波动调水技术研究(319)

6.3.2不同引水流量分配方案对大东湖水网调度效果的影响分析(329)

参考文献(335)

第7章湖泊生态水网调度综合评价(336)

7.1湖泊生态水网调度多属性决策优选及评价理论(337)

7.1.1基于模糊层次分析法的指标权重计算(337)

7.1.2模糊折中型多目标多属性决策方法(341)

7.1.3多属性决策评价逼近理想解法(346)

7.1.4TOPSIS方法的多目标调度方案集评价(348)

7.2湖泊水质变化对引水调度时空响应关联性评价(349)

7.2.1投影寻踪指标函数研究(349)

7.2.2投影寻踪多项式函数模型(350)

7.2.3大东湖水网调度工程应用(352)

7.3多重循环调度对水质改善的多级模糊综合评价(353)

7.3.1加权模糊核聚类模型原理(353)

7.3.2运用WFKCA与ADE相结合的水质改善评价方法框架及流程

(356)

7.3.3多重循环调度工程应用(357)

7.4湖泊群水网连通对水环境生态影响评价(358)

7.4.1湖泊群生态系统健康评价指标体系研究(358)

7.4.2湖泊群连通工程模糊相似性矩阵聚类分析模型(362)

7.4.3大东湖水网连通工程生态系统健康评价(363)

参考文献(365)

第8章湖泊水环境模拟及调控决策支持系统开发集成及应用(367)

8.1决策支持系统建模与设计方法(367)

8.1.1松耦合模型驱动的湖泊水网调度系统特性分析(368)

8.1.2松耦合模型驱动的湖泊水网调度决策机理研究(372)

8.1.3松耦合模型驱动的湖泊水网调度系统架构研究(372)

8.1.4松耦合模型驱动的湖泊水网调度决策支持系统的持续集成策略(374)

8.2湖泊水网调度决策支持系统关键技术(376)

8.2.1基于统一平台的海量多源异构数据集成、组织与共享方法研究

(377)

8.2.2网络分布式多模型环境下决策支持模型库构建方法研究(380)

8.2.3基于GIS的开放式决策支持系统交互平台动态生成技术研究

(384)

8.3城市湖泊三维可视化仿真(390)

8.3.1基于虚拟现实技术的城市湖泊建模基础(390)

8.3.2基于OSG的城市湖泊三维可视化仿真系统实现方法(394)

8.3.3城市湖泊三维可视化仿真系统应用实例(400)

8.4湖泊群水文水循环分析子系统(405)

8.4.1系统总体结构(405)

8.4.2水文信息管理模块(406)

8.4.3分布式水循环模拟模块(407)

8.4.4典型情景分析模块(408)

8.5湖泊分布式流场模拟子系统(410)

8.5.1系统总体结构(410)

8.5.2大东湖基础数据查询模块(410)

8.5.3湖泊流场模拟模块(411)

8.5.4死水区分析模块(413)

8.6湖泊水质水环境分析子系统(413)

8.6.1系统总体结构(413)

8.6.2纳污能力计算模块(414)

8.6.3典型情景模拟模块(414)

8.6.4突发污染物模拟模块(415)

8.6.5暴雨情景模拟模块(416)

8.7湖泊水质水量调度子系统(417)

8.7.1系统总体结构(418)

8.7.2工程信息管理模块(419)

8.7.3调水方案模块(419)

8.7.4湖泊水网调度模块(425)

8.7.5调度效果影响分析模块(428)

8.8水网调度评价子系统(431)

8.8.1模糊聚类迭代评价模型(432)

8.8.2投影寻踪评价模型(432)

8.8.3TOPSIS模型(432)

8.9大东湖生态水网调度决策系统应用示范(433)

8.9.1示范系统在大东湖生态水网调度决策中的应用(434)

8.9.2项目取得的重大工程应用成果(447)

参考文献(447) 

作为地球上的璀璨明珠，湖泊在人类社会中占有极其重要的位置。在自然和人类活动的综合影响下，湖泊的水文过程和生态系统结构均发生深刻变化。我国是一个湖泊众多的国家，城市湖泊作为重要的取水水源地和备用水源地，其生态健康与安全是21世纪我国城市经济社会发展的重要保障。在气候变化和人类活动的综合影响下，城市湖泊的水文过程和生态系统结构均发生着深刻变化。江湖连通的阻隔、富营养化状态的呈现和生态环境的破坏，导致了城市湖泊需要水环境污染的全面治理。对于沿江湖泊的治理而言，利用其地理位置特点修建引水、调水和水网连通工程，以恢复湖泊原有的通江特性并建立湖泊之间的水力联系，达到改善水环境的目的，是一条日益受到国家重视的解决环境污染问题的重要途径。为减小实施江湖连通工程的风险性，必须加强湖泊水网水质水量调度研究，为国家大规模开展湖泊治理和实施江湖连通工程进行技术储备。“大东湖”水系作为长江中游*大的城市湖泊水系，具有重要的水资源配置作用，是武汉市水资源的重要组成部分。以东湖为中心，“大东湖”水系主要由东沙湖和北湖水系组成，构建了由江、湖、港、渠等构成的庞大水网，形成了江湖相济、湖湖相通的特有格局，是具有深厚历史积淀和独特水文景观的生态水网湿地群，发挥了强大的调蓄洪水、生态涵养、调节气候等多种环境功能及战略应急水源地等经济社会功能。在湖泊水网连通空间背景场和边界条件下，如何实现湖泊群的多维水质水量调控，迫切需要从新的理论、模型、方法和技术上开展深入系统的专门研究。因此，探索自然和人文因素双重驱动下的湖泊水生态系统演变过程与格局，提出多重约束条件下湖泊水网复杂时空背景场特征分析及建模方法，研究基于分布式水动力学的连通湖泊污染物迁移与水质时空演变及其湖流耦合模型，揭示湖泊水生态系统内大气、水体、沉积物三相界面之间的相互作用规律，建立满足水环境改善和生态安全的湖泊水网水质水量多目标联合优化调控体系，是一项重要而迫切的研究命题。因此，本书以城市湖泊连通工程水网调度为切入点，以生态友好环境下湖泊水网水质时空演化规律分析为要素，系统地研究了湖泊水网水质水量多维调控的先进理论与方法，有效解决了面向生态修复与保护的湖泊水系连通工程优化运行和管理所面临的主要科学问题及关键技术难题。本书主要研究内容和创新成果如下：充分考虑流域下垫面空间分布的异质性和不同水文单元间的水平联系，利用严格的数学物理方程表述各栅格单元水文循环的子过程，建立了能够反映流域气候条件和下垫面时空变异规律的分布式水文模型；综合考虑多种动力因子对湖流波动的影响，建立了大东湖水系分布式流场模型，计算研究湖泊流场的时空分布，揭示了湖泊群不同区域的流场特征及其内在的水动力学驱动机理；针对大东湖水系水质指标众多、水文环境复杂、调度方案多样等问题，分析了大东湖水系水体污染物在不同气候条件和流场条件下的时空变化规律及各污染物的自身变化规律，建立了大东湖水系多维预测模型，解析了大东湖水系水质时空演化的驱动因素及其过程机制；分析了不同调水方案下污染物的时空分布规律、迁移状态及水体置换速度，确定了面向湖泊群水质改善的大东湖生态水网调度策略，提出了复杂约束条件下大东湖生态水网水质水量联合优化调度决策模型和方案措施；研究了面向湖泊群生态水网调度的多属性决策优选方法，提出了基于模糊聚类迭代的水质改善程度多级评判方法和基于投影寻踪先进理论的水质改善程度关联性评价模型，解析了调度方案集与实际水质改善效果的耦合关系，解决了大东湖生态水网调度的复杂优化决策问题；提出了基于WPF的开放式交互系统松耦合持续集成方法，开发了基于WebGIS和可视化技术的大东湖水网优化调度决策支持系统。本书的研究工作得到了水利部公益性行业科研专项“大东湖水网调度关键技术研究及应用(201001080)”的资助，主要内容为周建中教授的研究成果，部分章节由课题组内相关研究生和青年教师协助周建中教授完成。本书在研究和写作过程中，得到了水利部中国科学院水工程生态研究所和清华大学相关研究课题组成员的大力支持和帮助。由于江湖连通背景下湖泊水网水质水量调度问题本身存在复杂性，且影响因素众多，许多理论与方法尚处于研究探索之中，加之作者水平有限，书中不当之处在所难免，敬请读者批评指正。

“山水林田湖草是生命共同体”的论述深入人心，生态环境保护在我国受到了高度重视。湖泊作为地球水圈的关键组成单元，是人类赖以生存和可持续发展的自然依托。近年来，随着全球气候变化和人类活动的加剧，湖泊的生存与可持续发展均面临着严重威胁。目前，我国大量湖泊出现一系列生态环境恶化现象，富营养化的问题普遍突出。因此，政府逐步加大了湖泊污染治理力度。河湖水系连通作为解决湖泊水环境污染问题的重要途径，正受到前所未有的重视。2011年，中共中央、国务院在《关于加快水利改革发展的决定》中，明确将河湖连通作为“加强水资源配置工程建设”一项措施进行说明，强调“完善优化水资源战略配置格局，在保护生态前提下，尽快建设一批骨干水源工程和河湖水系连通工程，提高水资源调控水平和供水保障能力”。

河湖连通背景下湖泊水网水质水量联合优化调控是水资源学科的重点研究方向之一。在其发展历程中，为满足不断提升的社会和工程需求，新的学科增长点不断涌现。周建中教授所著的该书，正是在此背景下顺应时代需要、引领学科发展的一本好书。全书系统介绍了作者历经数年来在大东湖生态水网水质水量调度分析理论与方法上的众多研究成果。

该书以多学科综合交叉研究为手段，采用理论研究、建模仿真与工程应用验证相结合的技术路线，运用水文学、水资源、运筹学、系统科学、环境与生态学和经济学原理与方法，同时借鉴和发展了复杂性科学理论在该领域中的应用，是一本集大成之佳作。在内容上，该书以生态修复与保护背景下大东湖生态水网调度为主线，全方位地揭示了生态友好环境下大东湖水网系统在社会经济发展过程中的演化规律，发展了湖泊群水质水量优化调度的理论与方法体系，突破了面向生态调控的湖泊群生态水网调度所面临的关键理论与技术瓶颈，运用很多非常精彩的技术手段巧妙解决了现实存在的众多技术难题。全书理论与实际相结合，逻辑严谨、内容丰富、由浅入深，既可作为相关行业专家的拜读经典，同时也是从事水资源、水环境和相关科学研究的工作者的一本难得的参考书。

周建中教授治学严谨，学术水平高，且勇于创新，善于思考和解决行业内的科学、技术难题。他所著的这一专著，相信将对解决我国当前所面临的水资源、水环境问题产生较大的推动作用。