前言
随着计算机技术快速发展，河流数值模拟技术在水利水电工程领域中发挥的作用越来越大。近几十年来，国内数值模拟技术的发展速度较快，但相对国外成熟的商业化软件而言，还存在较大差距。如何在工程实践中更好地运用数值模拟这一手段，加快推进数学模型的软件化和信息化，本书从网格划分、数值计算方法、可视化技术等方面进行了总结与探讨，并研制了“基于虚拟地球的河流水沙水质数值模拟与演示系统”，该软件在水（潮）流运动、泥沙输移、分蓄洪区洪水演进、温排水、污染物浓度扩散、水质模拟等方面得到成功运用，实际工程应用实例超过200项。当今世界已经进入信息时代，基于互联网环境的物联网、大数据、云计算、移动网、智慧地球等热门技术发展方兴未艾，其应用正在迅速促进社会发展，加剧市场竞争，深刻地改变着人们的生活。近年来，随着信息技术的迅猛发展和水利事业的全面推进，水利信息化逐步深入。我们发现，在处理、发布和查询各类信息时，大量的信息与空间地理位置有关。为此，如何将流域基础数据和河流数值模拟成果进行信息化，并可直接发布在互联网上，是本书关注的重点。河流数值模拟信息化不仅能够加深我们对所研究问题的认识，而且可推动水利信息的共享，从而更好地服务于工程科研和流域管理。目前，关于河流模拟信息化的研究还非常少见，为此我们对河流数值模拟信息化方法、平台构建及应用进行了探索性研究，并研制了“基于虚拟地球的数字河流信息查询管理平台”，实现了流域基础数据和河流模拟成果的同步信息化。
本书共11章，首先对河流数值模拟基本理论和模拟方法进行了介绍（见第3～第5章），然后介绍了模型软件和信息化平台的研制（见第6章），接着对模型的应用进行介绍（见第7～第11章），并对数值模拟中关键问题进行了探讨。各章主要内容说明如下：第1章阐述了国内外河流数值模拟研究现状，介绍了国外河流模拟方面的一些通用软件，对目前国内数值模拟存在的问题进行了分析，同时还对信息化发展趋势及河流数值模拟信息化方法进行了介绍；第2章对目前较为先进、应用较为广泛的网格划分方法进行探讨，将结构网格和非结构网格结合起来，发挥各自所长，使其更好适应复杂边界计算域的模拟，同时对网格插值技术进行了介绍；第3～第5章分别对一维、二维、三维模型的基本方程与离散求解方法作了介绍；第6章介绍了信息化技术的发展和应用情况，并对研制的基于虚拟地球的河流水沙水质数值模拟平台和信息化平台作了介绍；第7章介绍了水流模型涉及到的网格选取、参系数取值、率定与验证要求、计算条件选取、工程概化等关键问题，详细介绍了水流数学模型在涉河工程累积影响模拟，洞庭湖、鄱阳湖洪水演进模拟，河口、海岸潮流模拟等方面的应用；第8章首先介绍了泥沙模型参数取值（包括泥沙扩散系数、水流挟沙力、挟沙力级配、泥沙饱和恢复系数等）、河床级配调整及动岸模拟方法，然后选取长江中下游武汉河段、湖口附近河段和扬中河段进行了泥沙输移和河床冲淤计算；第9章首先介绍了分蓄洪区和溃坝洪水模拟计算参数的确定方法，然后介绍了模型在荆江分洪区、东西湖分洪区和唐家山堰塞湖溃坝中的洪水演进模拟情况；第10章首先对温排水模型参数取值进行了介绍（包括水面综合散热系数、热扩散系数等），介绍了温排水监测和模型验证的相关要求，然后选取天然河道和湖泊进行了温排水影响的计算分析；第11章分别选取径流河段、感潮河段、河口海岸等不同水域，模拟了电厂余氯排放、盐潮入侵、溢油、污染物扩散、水质等物质输运问题。
本书的主要技术特点：一是多网格、多算法、多功能的数值模拟技术；二是由传统的河流水沙的模拟扩展到河流系统（水沙、水质等）的模拟；三是模型的系统化、软件化，为实现河流数值模拟的商业化奠定基础；四是河流基础数据和数值模拟成果的可视化与信息化。本书在写作过程中着重体现模拟技术的实用性和可操作性，相关技术和方法可为涉河工程防洪评价、分蓄洪区洪水评价、航道论证、取水口温排水论证、水环境论证、河口海岸潮流模拟、工程泥沙模拟等专题研究提供技术支撑。受作者研究经历所限，书中应用实例多以长江流域为背景，但相关技术和处理方法也可推广应用于其他河流。通过对本书的阅读，无论是初学者还是专业人员，无论是模型开发者还是模型使用者，都可以从河流数值模拟基本理论、模拟方法、软件开发及实践运用、河流信息化等方面得到一定启发。若通过本书的介绍，能推动国内数学模型的软件化和模拟成果的信息化，则是作者最大的期望。
本书第1～第2章、第4～第7章、第9～第11章由长江科学院张细兵博士撰写，长江科学院崔占峰博士撰写第8章，并参加编写第9章；张杰教授级高级工程师参加编写第7章和第11章，王敏博士撰写第3章。书中部分研究成果来自作者博士学位论文与硕士学位论文成果，还有部分成果来自于作者在长江科学院完成的科研成果报告。武汉大学刘士和教授、杨中华教授和长江科学院卢金友教授级高级工程师对本书提出了许多宝贵意见，在此深表感谢！此外，长江科学院胡向阳高级工程师、杨君工程师、袁莉同志等对本书的编排与出版给予了帮助，在此一并表示感谢！
限于作者水平和现阶段的认识，书中资料引用难免存在一些疏漏和不足之处，衷心希望读者批评指正。
作 者
2013年12月