栅格水文-水动力松耦合驱动的连通河湖降雨径流氮磷输移过程与机理研究

Nowadays, as an influential regional level of Interconnected Rivers System, rainfall runoff non-point source pollution problem of the highly urbanized Interconnected Rivers System is a research hotspot in Hydroinformatics field. Its water cycle process is unsteadiness, composite of surface runoff, subsurface flow, and underground pipe flow and lake multilateral streams. We have an obligation to combine hydrological and hydrodynamic to study this problem. Taking East Lake water Interconnected network project in Wuhan City as the study object, we use the technology roadmap of field monitoring and analysis, laboratory experiments, theoretical research, applied basic research and engineering applications, (1) reveal the effect mechanism of multi-media environmental factors on nitrogen and phosphorus transformation; (2) integrate our developed mathematical and physical models, such as the distributed grid hydrological models, nitrogen and phosphorus cycle models, 1D and 2D hydrodynamic models, pollutant transport model; (3) study the loosely coupled multi-process mechanism of Hydrology, hydrodynamic and Ecology; (4) based on CUDA, MPI and OpenMP hybrid parallel computing framework, using service-oriented and continuous integration methods, establish rainfall runoff nitrogen and phosphorus transport model group by Grid-hydrological and Hydrodynamic Loose-coupling Model-driven Method. Research work can serve as a scientific basis for drainage and sewage comprehensive decision-making of Interconnected Rivers System under uncertainty, and it has significant academic significance and practical value.

作为连通河湖水循环系统的一个重要区域层次，高度城镇化连通河湖降雨径流面源污染问题是近年来水信息学的研究热点。其水循环过程是复杂地表径流、壤中流、地下管流与湖泊多层流相互作用的非恒定过程，需要采用水文学和水动力学相结合的途径进行研究。本项目以武汉市大东湖水网连通工程为研究对象，采用实地监测、实验室试验、理论研究、应用基础研究与工程应用验证相结合的技术路线，揭示环境变化对多介质中氮磷转化的影响机理，整合栅格水文模型、氮磷循环模型、一二维水动力模型、污染物输移模型等自主开发的数学物理模型，研究连通河湖降雨径流水文-水动力-水质多过程松耦合机制，基于CUDA、MPI与OpenMP混合并行计算框架，采用面向服务体系与持续集成方法，建立栅格水文-水动力松耦合驱动的分布式立体化降雨径流氮磷输移过程数学模型。研究工作可为不确定条件下连通河湖排涝及排污综合防控决策提供科学依据，具有重要的学术意义和应用价值。

河湖水系连通战略的实施改变了自然水系的结构形式和特性，迫切需要针对新形势下连通河湖水循环系统水文-水量-水质耦合过程的描述与表达，探索新的理论与方法。本项目选取水循环中降雨径流氮磷输移过程模拟为主要突破口开展研究工作，期望解析城市水质水量时空演化规律及其受主要因素的影响机理，包括1）不同气象要素影响下氮磷在多介质中的分布、迁移特性分析；2）连通河湖降雨径流水文-水动力-水质多过程松耦合机制研究；与3）基于多级混合并行模式的降雨径流氮磷输移过程多模型建模及高效求解等三部分研究内容。项目严格按照研究计划开展，选择了武汉市大东湖水网连通工程与美国佐治亚州格莱特郡拉尼尔湖为研究对象，综合运用复杂系统分析理论、水利模型数值计算方法与数字化技术，建立了基于多级混合并行模式的分布式立体化降雨径流氮磷输移过程数学模型；开发了连通河湖排涝及排污综合防控决策支持系统；培养了多学科交叉、以优秀中青年学术骨干为主体的研究队伍；与国外同行建立了联系，项目组成员参加国外学术会议并报告了阶段成果；按时完成了阶段研究报告与结题总结报告；发表标注资助论文4篇，全部被SCI收录，另有一篇中文核心期刊已录用，将于2019年3月见刊；公开发明专利一项；项目负责人获2017年水利部长江水利委员会科学技术特等奖一项、2017年度湖北省科学进步特等奖一项、2018年度水力发电科学技术一等奖一项。研究工作在连通河湖水文-水力学模拟模型及其求解方法、连通河湖决策支持系统等方面的研究成果具有一定的学术意义与重大的工程应用价值。开发完成了通用的水安全决策支持系统平台，将辅助流域水资源管理部门更好地开展水资源规划管理工作，并有助于提升连通河湖排涝及排污综合防控决策的智能化与可信度水平。为实现“水资源可持续利用”国家战略提供理论基础与技术支撑，具有重要的理论意义和工程实用价值。