课题2：城市水和营养物循环机理与演变规律研究

本课题研究将围绕项目所要解决的三方面科学问题，开展水循环机理与时空演变规律以及与水相关的城市“病”的成因机制、诊断识别与调控机理的研究。在研究城市生命体水循环过程及各组分之间的相互作用机理的基础上，通过开发一套城市生命体水循环模拟体系，深入分析与水环境相关的城市“病”的形成机理。研究重点包括对城市可利用水资源量的衡算，对污染物迁移转化机理的探索，以及对物流和营养流的过程分析。进而通过水资源管理优化决策模型的建立，构筑城市生命体物流和营养流调控理论与方法体系。具体主要研究内容如下：

(1）不确定性城市降水径流过程机理研究 包括城市区域气候变化模拟模型的开发、变化环境下水汽循环过程机理研究以及不确定性分布式降水径流预测系统的研究。并通过开展物理模型试验研究，帮助确定城市复杂情况下水文模型的参数，并检验水文模型的预测结果。

(2）污染物在地下水中的传输过程与机理研究 本研究将进行非平稳随机地下水流模拟。同时通过一系列不确定性分析方法的引入，建立不确定性城市地下水动力模拟的理论和方法体系。在此基础上，进一步对污染物质在地下水中的迁移转化规律进行模拟研究，建立不确定性的多相、多组分、三维地下水污染传输过程模型以及多种不确定性分析与风险评价方法体系。

(3）不确定性城市地表地下传质模拟模型系统 本研究将在不确定性分布式城市降水径流过程模型和地下水模型的基础上，对地表冲刷过程机理、城市管网非恒定流、泥沙在雨水管网中的冲刷与淤积过程机理、污染物在管网中的传输特性进行研究，建立不确定性地表地下传质模拟预测与分析体系。

(4）不确定性多层次水资源管理理论与方法 建立多目标、动态、不确定、非线性的城市生命体水资源综合管理决策模型系统，从而对城市生命体中与水循环有关的“疾病”进行综合诊断与防治和调控。还将运用基于模糊理论的多判据决策分析（MCDA）技术，建立城市水资源多判据决策支持系统（MCDSS），对各优化结果进行分析判断，在不确定的状况下选择最佳的妥协方案。

研究目标：揭示城市生命体物流和营养流循环机理，建立我国首个不确定性分布式城市降水径流模型和创新性的多相、多组分、三维地下水污染传输过程模型。通过子模型研究，建立高度综合的、不确定性地表地下传质模拟模型体系，实现整个水系统循环过程的量化。在此基础上，建立新型的多目标、动态、不确定、非线性水资源管理决策模型，为城市生命体中与物流和营养流相关的“疾病”防治和调控提供理论与方法支持。

课题负责人： 黄跃飞（清华大学）、沈永明（大连理工大学）
主要学术骨干：韩文亮 、郑永红、魏加华、付旭东、杨晓昕
经费比例： 13%