水环境数学模型是污染物在水体中迁移归趋过程的数学化描述与表达，因其灵活高效、场景展示性好、可重复性强等优点，已经成为模拟和预测污染物在水体中时空分布的主要技术手段。本书首先明确了水环境数学模型的科学概念、建模步骤及其分类，并梳理其发展历程；在此基础上，以河湖水环境数学模型构建及其实证应用为主线，分别系统、详实地介绍了山丘区与平原河网区污染负荷模型、不同特征河网一维水量水质数学模型、沿深平面二维水流及污染物输运数值模拟、湖泊富营养化模型、河流三维水量水质数值模拟、溢油污染预测模型、湿地“箱式”生态动力学模型和水生态毒理模型等当前主要水环境模型的数学原理与建模过程，同时结合大量实际工程案例，对模型的具体应用进行逐步讲解和充分剖析，使读者能够更为直观地掌握水环境模拟技术在工程中的运用方法和建模技巧。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 水环境数学模型的概念 1
1.2 水环境数学模型的建模基本步骤 2
1.3 模型分类 3
1.4 发展历程 6
第2章 水流运动与污染物输运方程 8
2.1 水流运动基本方程 8
2.2 污染物输运扩散基本方程 11
2.2.1 基本方程 11
2.2.2 紊动扩散系数 13
2.3 污染物主要种类 14
2.3.1 营养盐、溶解氧与藻类 14
2.3.2 毒性物质 17
2.4 污染物的主要反应动力学过程 20
2.4.1 生物降解 20
2.4.2 矿化与分解 21
2.4.3 吸附与解吸 21
2.4.4 水解 22
2.4.5 光解 23
2.4.6 挥发 23
2.5 常用水质模型动力反应方程 23
2.5.1 氮素循环及反应方程 24
2.5.2 磷素循环及反应方程 25
2.5.3 其他物质反应方程 26
2.6 毒性物质动力反应方程 28
2.6.1 毒性物质模型简介 28
2.6.2 动力学反应方程 29
第3章 污染负荷模型 34
3.1 山丘区污染负荷模型 35
3.1.1 SWAT模型发展历程 35
3.1.2 SWAT概述 36
3.1.3 坡面汇流阶段 36
3.1.4 河道汇流阶段 44
3.2 平原河网区污染负荷模型 45
3.2.1 污染负荷产生量 45
3.2.2 污染负荷入河量 52
3.2.3 污染负荷时空分配 53
3.2.4 模型参数估值方法 58
3.3 算例——上海市非点源污染负荷计算 61
3.3.1 研究背景 61
3.3.2 基础数据 61
3.3.3 模型参数 62
3.3.4 非点源污染负荷计算成果 69
第4章 河网一维水环境数学模型 73
4.1 河网一维水量模型 73
4.1.1 基本方程 73
4.1.2 单一河道水流计算 74
4.1.3 河网水流计算 79
4.2 河网一维水质模型 91
4.2.1 基本方程 91
4.2.2 求解方法 92
第5章 河网一维水环境数学模型应用案例 98
5.1 太湖流域平原河网水量水质模拟 98
5.1.1 流域概况 99
5.1.2 河网模型构建 100
5.1.3 模型率定及验证 104
5.2 南宁市邕江河网水量水质模拟 122
5.2.1 南宁市邕江流域概况 122
5.2.2 河网模型构建 123
5.2.3 模型参数取值 130
5.2.4 模型率定及验证 131
第6章 基于有结构网格的沿深平面二维水环境数学模型 148
6.1 沿深平面二维非恒定流及物质输运模型 148
6.1.1 基本控制方程 148
6.1.2 定解条件 149
6.1.3 数值计算方法 150
6.2 算例——三峡太平溪至黄陵庙水文站河段水流水质模拟 159
6.2.1 计算河道概况 159
6.2.2 数值模拟情况 159
6.2.3 流场验证 160
6.2.4 浓度场验证 162
6.3 算例——南宁邕江水流水质计算实例 164
6.3.1 模型构建 164
6.3.2 率定年型及计算条件 165
6.3.3 水动力模型率定 166
6.3.4 水质模型率定 173
第7章 基于无结构网格的二维水环境数学模型 177
7.1 基于无结构网格的二维水环境数学模型构建 177
7.1.1 控制方程 177
7.1.2 方程数值离散 178
7.1.3 法向通量计算 180
7.1.4 二阶无振荡格式 187
7.1.5 边界条件 188
7.2 算例——南化某码头化学品泄漏风险预测 189
7.2.1 计算研究区域与网格布置 189
7.2.2 模型计算条件 190
7.2.3 模拟结果分析 191
7.3 算例——基于混合网格的长江口北支预测计算 197
7.3.1 计算研究区域与网格布置 197
7.3.2 模型计算条件 198
7.3.3 模型验证 199
7.3.4 流场模拟分析 199
第8章 湖泊富营养化模型 202
8.1 富营养化模型分类 202
8.1.1 营养物模型 202
8.1.2 水动力－富营养化模型 203
8.1.3 多介质耦合模型 204
8.2 EFDC富营养化模型构建 204
8.2.1 藻类动力学方程 205
8.2.2 氮动力学方程 206
8.2.3 磷动力学方程 207
8.2.4 碳动力学方程 207
8.2.5 溶解氧与化学需氧量动力学方程 208
8.3 算例——巢湖富营养化数值模拟 209
第9章 河流三维水量水质数值模拟 214
9.1 垂向坐标变换 214
9.2 垂向坐标变换下笛卡儿坐标水环境数学模型 216
9.2.1 σ坐标系下模型方程的推导 217
9.2.2 定解条件 221
9.2.3 模型求解 222
9.3 算例——基于直角网格的长江某江段污水处理厂尾水排江三维水量水质数值模拟 238
9.3.1 计算区域与网格剖分 238
9.3.2 边界条件与计算参数 239
9.3.3 模型计算结果 240
9.4 垂向坐标变换下曲线贴体坐标水环境数学模型 250
9.4.1 σ坐标变换下模型控制方程 250
9.4.2 方程的离散与求解 251
9.5 算例——基于曲线贴体网格的长江某江段污水处理厂尾水排江三维水量水质数值模拟 253
9.5.1 计算区域与网格剖分 254
9.5.2 边界条件与计算参数 254
9.5.3 模型计算结果 255
第10章 溢油污染预测模型 260
10.1 溢油迁移行为和归宿 260
10.1.1 扩展过程 261
10.1.2 漂移过程 261
10.1.3 扩散过程 262
10.1.4 风化过程 262
10.2 溢油模型及其发展历程 265
10.2.1 溢油模型发展历程 265
10.2.2 溢油扩展模型 266
10.2.3 溢油输移模型 268
10.2.4 溢油归宿模型 270
10.3 算例——苏州港常熟港区突发溢油模拟 272
10.3.1 研究区域概况 272
10.3.2 研究区域网格布置 272
10.3.3 溢油风险预测 272
第11章 湿地生态动力学模型 278
11.1 湿地污染物动力学模型构建 279
11.1.1 人工湿地模拟数学方程 279
11.1.2 模型构建方法 283
11.2 算例——湿地生态动力学模型应用 284
11.2.1 研究区域概况 284
11.2.2 模型输入数据及参数 287
11.2.3 模型率定与验证 289
11.3 湿地最大水环境承载力计算 292
11.3.1 概念内涵 292
11.3.2 计算方法 293
11.3.3 计算方案 293
11.3.4 不同季节最大污水处理负荷 294
第12章 水生态毒理模型 298
12.1 水生态毒理模型的分类 298
12.1.1 分布模型 298
12.1.2 效应模型 300
12.2 AQUATOX生态毒理模型 300
12.2.1 离子化 301
12.2.2 水解反应 301
12.2.3 降解反应 302
12.2.4 微生物降解 302
12.2.5 挥发效应 302
12.2.6 分配系数与生物富集因子 303
12.3 算例——基于AQUATOX的Hartwell湖多氯联苯模型 304
12.3.1 模型的建立 304
12.3.2 模型结果与分析 306
主要参考文献 309
编后语 312
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