前言

隨著計算機技術快速發展，河流數值模擬技術在水利水電工程領域中發揮的作用越來越大。近幾十年來，國內數值模擬技術的發展速度較快，但相對國外成熟的商業化軟件而言，還存在較大差距。如何在工程實踐中更好地運用數值模擬這一手段，加快推進數學模型的軟件化和信息化，本書從網格劃分、數值計算方法、可視化技術等方面進行了總結與探討，并研制了“基于虛擬地球的河流水沙水質數值模擬與演示系統”，該軟件在水（潮）流運動、泥沙輸移、分蓄洪區洪水演進、溫排水、污染物濃度擴散、水質模擬等方面得到成功運用，實際工程應用實例超過200項。當今世界已經進入信息時代，基于互聯網環境的物聯網、大數據、云計算、移動網、智慧地球等熱門技術發展方興未艾，其應用正在迅速促進社會發展，加劇市場競爭，深刻地改變著人們的生活。近年來，隨著信息技術的迅猛發展和水利事業的全面推進，水利信息化逐步深入。我們發現，在處理、發布和查詢各類信息時，大量的信息與空間地理位置有關。為此，如何將流域基礎數據和河流數值模擬成果進行信息化，并可直接發布在互聯網上，是本書關注的重點。河流數值模擬信息化不僅能夠加深我們對所研究問題的認識，而且可推動水利信息的共享，從而更好地服務于工程科研和流域管理。目前，關于河流模擬信息化的研究還非常少見，為此我們對河流數值模擬信息化方法、平臺構建及應用進行了探索性研究，并研制了“基于虛擬地球的數字河流信息查詢管理平臺”，實現了流域基礎數據和河流模擬成果的同步信息化。

本書共11章，首先對河流數值模擬基本理論和模擬方法進行了介紹（見第3～第5章），然后介紹了模型軟件和信息化平臺的研制（見第6章），接著對模型的應用進行介紹（見第7～第11章），并對數值模擬中關鍵問題進行了探討。各章主要內容說明如下：第1章闡述了國內外河流數值模擬研究現狀，介紹了國外河流模擬方面的一些通用軟件，對目前國內數值模擬存在的問題進行了分析，同時還對信息化發展趨勢及河流數值模擬信息化方法進行了介紹；第2章對目前較為先進、應用較為廣泛的網格劃分方法進行探討，將結構網格和非結構網格結合起來，發揮各自所長，使其更好適應復雜邊界計算域的模擬，同時對網格插值技術進行了介紹；第3～第5章分別對一維、二維、三維模型的基本方程與離散求解方法作了介紹；第6章介紹了信息化技術的發展和應用情況，并對研制的基于虛擬地球的河流水沙水質數值模擬平臺和信息化平臺作了介紹；第7章介紹了水流模型涉及到的網格選取、參系數取值、率定與驗證要求、計算條件選取、工程概化等關鍵問題，詳細介紹了水流數學模型在涉河工程累積影響模擬，洞庭湖、鄱陽湖洪水演進模擬，河口、海岸潮流模擬等方面的應用；第8章首先介紹了泥沙模型參數取值（包括泥沙擴散系數、水流挾沙力、挾沙力級配、泥沙飽和恢復系數等）、河床級配調整及動岸模擬方法，然后選取長江中下游武漢河段、湖口附近河段和揚中河段進行了泥沙輸移和河床沖淤計算；第9章首先介紹了分蓄洪區和潰壩洪水模擬計算參數的確定方法，然后介紹了模型在荊江分洪區、東西湖分洪區和唐家山堰塞湖潰壩中的洪水演進模擬情況；第10章首先對溫排水模型參數取值進行了介紹（包括水面綜合散熱系數、熱擴散系數等），介紹了溫排水監測和模型驗證的相關要求，然后選取天然河道和湖泊進行了溫排水影響的計算分析；第11章分別選取徑流河段、感潮河段、河口海岸等不同水域，模擬了電廠余氯排放、鹽潮入侵、溢油、污染物擴散、水質等物質輸運問題。

本書的主要技術特點：一是多網格、多算法、多功能的數值模擬技術；二是由傳統的河流水沙的模擬擴展到河流系統（水沙、水質等）的模擬；三是模型的系統化、軟件化，為實現河流數值模擬的商業化奠定基礎；四是河流基礎數據和數值模擬成果的可視化與信息化。本書在寫作過程中著重體現模擬技術的實用性和可操作性，相關技術和方法可為涉河工程防洪評價、分蓄洪區洪水評價、航道論證、取水口溫排水論證、水環境論證、河口海岸潮流模擬、工程泥沙模擬等專題研究提供技術支撐。受作者研究經歷所限，書中應用實例多以長江流域為背景，但相關技術和處理方法也可推廣應用于其他河流。通過對本書的閱讀，無論是初學者還是專業人員，無論是模型開發者還是模型使用者，都可以從河流數值模擬基本理論、模擬方法、軟件開發及實踐運用、河流信息化等方面得到一定啟發。若通過本書的介紹，能推動國內數學模型的軟件化和模擬成果的信息化，則是作者最大的期望。

本書第1～第2章、第4～第7章、第9～第11章由長江科學院張細兵博士撰寫，長江科學院崔占峰博士撰寫第8章，并參加編寫第9章；張杰教授級高級工程師參加編寫第7章和第11章，王敏博士撰寫第3章。書中部分研究成果來自作者博士學位論文與碩士學位論文成果，還有部分成果來自于作者在長江科學院完成的科研成果報告。武漢大學劉士和教授、楊中華教授和長江科學院盧金友教授級高級工程師對本書提出了許多寶貴意見，在此深表感謝！此外，長江科學院胡向陽高級工程師、楊君工程師、袁莉同志等對本書的編排與出版給予了幫助，在此一并表示感謝！

限于作者水平和現階段的認識，書中資料引用難免存在一些疏漏和不足之處，衷心希望讀者批評指正。

作 者

2013年12月