河海大学李一平教授团队：地表水环境数值模拟与预测—— EFDC 建模技术及案例实训

在我国，地表水是十分珍贵的淡水资源。随着近几十年经济的高速增长，地表水资源短缺、生态环境问题日渐突出，受到了全社会的广泛关注。如何在不破坏水生态环境系统的前提下，通过实施人为控制、水量调度和科学管理的手段，合理有效地利用水资源，是科学工作者亟待解决的难题。

研究地表水生态环境问题的手段包括野外观测、室内试验和数值模拟（数学模型）三大类。其中，数学模型扮演着越来越重要的角色，甚至有些问题由于构建物理模型环境极难实现而只能通过数学模型的方法来研究。同时，数学模型的应用，已从模拟水动力过程和流场分析，或简单水质变量的模拟与预测，发展到了对复杂的水生态环境过程开展模拟与预测。如今的应用非常广泛，例如环境规划、环境保护标准、总量控制、排污许可证、环境影响评价、污染防治规划、环境功能区划、水系规划方案和制定应急预案等诸多方面。所能解决问题的综合性、系统性和复杂程度越来越高，是水环境生态领域研究的热点。

由于地表水环境模型比较复杂，研究者通过自身摸索完成建模的学习成本较高，很多问题在建模的实践中无法解决，在没有参考书和专业指导的情况下，很难正确使用。尽管一些模拟代码或软件配有说明书，但多是泛泛介绍，没有完整的案例可实践，没有技巧可循，存在着很大的使用障碍。同时，在环境管理过程中发现，使用不同环境质量模型预测有关环境政策、标准、技术等实施效果时，即使是同一种情景，也会出现不同的结果，势必影响管理决策的一致性和公平性。

环境流体动力学模型（environmental fluid dynamics code, EFDC）用于模拟三维的水动力、泥沙输运、物质输移、水质、沉水植物和底泥沉积成岩等过程。EFDC模型已被广泛应用于地表水环境的模拟与预测，包括河流、湖泊、水库、湿地、河口、海湾和海岸带等，用于解决预测与评价、工程项目方案决策、发展TMDLs 计划和制定环境事件应急预案等问题。自1998年以来，美国DSI 公司为EFDC模型程序提供持续的改进，包括增添了许多新的功能和特性，并开发了友好的用户界面EFDC_Explorer（EE）。EE 的不断改进促使更多的用户敢于尝试使用EFDC 模型，改变了原先只有少数专业科研人员使用代码的状况。在美国，EFDC模型是美国环保局（EPA）推荐使用的标准模型之一。在我国，环境规划和环境影响评价界希望推出标准化模型，其中EFDC模型的被接纳度位于前列，但目前尚未见专门讲解EFDC模型理论和建模方法的专著。

▲ EFDC 模型的主要功能模块

▲ EE8.3 软件主界面

《地表水环境数值模拟与预测——EFDC 建模技术及案例实训》一书正是基于这些亟待解决的问题而撰写，重点介绍使用EFDC 模型的建模技术，附以6个真实且具有很强代表性的案例，力求让读者快速掌握建模思路和EE操作方法，并正确地、规范地、有效率地进行模型的构建工作。全书内容由以下几个部分构成：

（1）简述了地表水环境模型的发展历程、研究热点和趋势；

（2）详述了EFDC 模型的基本原理和各模块所使用的基本方程；

（3）EFDC_Explorer 功能详解，包括软件每个模块的选项卡简介及操作注意事项等；

（4）案例建模详解；描述了包括河流、浅水湖泊、深水湖泊（水库）、河口共6个案例从网格构建到结果分析的详细步骤；

（5）归纳总结了建模软件使用过程中的各种常见问题，这是许多模型使用者最需要解决的疑难。

▲ 污染物浓度的空间分布（长江感潮河段的二维水动力模型案例）

▲ PO4-P 释放速率年度季节性空间分布图（浅水湖泊水动力和富营养化模拟案例）

第 一 作 者 简 介

李一平，二级教授，博士生导师，现任河海大学环境学院院长。国家级高层次人才获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，国家自然科学基金重点项目负责人，联合国教科文组织政府间水文计划（UNESCO-IHP）水教育主席。全国河长制湖长制研究与培训特聘教师，国际“水环境模拟与预测”学术年会发起人，宝钢教育优秀教师奖获得者，被评为河海大学学生心目中“我最喜爱的老师”称号。美国北卡大学教堂山分校（UNC）客座教授，美国阿拉巴马大学和加拿大温莎大学客座博导。

主要从事流域水环境综合治理、源-网-厂-河湖一体化治理、水环境数学模型等方面的研究与应用工作。

主持国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、霍英东教育基金项目等。已发表SCI/EI等高质量学术期刊论文100余篇，已授权国家发明专利20余项，软件著作权100余项，出版专著9部等。研究成果先后获得2013年IBM全球共享大学研究奖（当年全球水环境领域仅奖励3项）、2014年南京市自然科学优秀学术论文一等奖，2016年水利部大禹二等奖，2019年江苏省科技进步一等奖等。

本文摘编自《地表水环境数值模拟与预测: EFDC 建模技术及案例实训》（李一平，龚然，(美)保罗·克雷格著. 北京: 科学出版社）一书“前言”“序”，有删减，标题为编者所加。

《地表水环境数值模拟与预测—— EFDC 建模技术及案例实训》

ISBN 978-7-03-061103-1

李一平 龚 然 〔美〕保罗·克雷格 著

责任编辑：惠 雪

本书针对地表水环境数值模拟与预测的应用展开，全面介绍环境流体动力学模型（ environmental fluid dynamics code, EFDC）的基本原理、建模技术和案例实训。全书重点描述了可视化工具 EFDC_Explorer（ EE）的基本功能和建模操作方法，并提供6个模型案例作为实训素材，涵盖河流、浅水湖泊、深水湖泊（水库）和河口区域等；同时还将 EE 用户使用过程中最常遇到的各种疑难问题进行归纳和总结。
本书可作为高等院校环境工程、环境科学、水文水资源等相关专业开设现代水环境模拟技术、水环境模拟与预测、水生态系统模拟等课程的研究生教材或参考用书，也可作为使用EFDC模型和研究地表水环境数值模拟与预测的高校教师、科研人员、工程技术人员的参考书。

（本文编辑：惠雪）

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