序言 近幾十年來，全球范圍內(nèi)的水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)退化趨勢加劇，湖泊富營養(yǎng)化、河口與湖泊低氧、有毒藻類水華暴發(fā)等已成為亟待解決的全球性環(huán)境問題。在我國，隨著20世紀(jì)80年代后期快速的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，水環(huán)境問題已經(jīng)從陸域延伸到近海水域與河口、從單一污染發(fā)展到復(fù)合型污染，常規(guī)污染物、有毒有機(jī)物、重金屬、藻毒素等水污染衍生物相互作用，形成復(fù)雜的流域性污染態(tài)勢，對公眾健康與經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展造成巨大障礙。在此背景下，自20世紀(jì)80年代開始，在全球范圍內(nèi)開展了大量針對不同尺度流域的綜合管理研究與實踐。但分析大量的流域綜合管理案例后發(fā)現(xiàn)，在目前的流域管理研究與決策中，普遍存在著無效信息收集、模型濫用以及決策非最優(yōu)化的問題；大量的模型開發(fā)與構(gòu)建卻無法回答流域管理與決策中的根本問題。在此前提下，究竟如何構(gòu)建一個流暢高效的流域管理決策模式，成為擺在流域管理研究者與決策者面前的一個共同問題。
　　自20世紀(jì)90年代以來，本研究團(tuán)隊一直在中國與美國從事流域模擬、水質(zhì)模型及流域管理優(yōu)化決策等方面的研究，在此過程中也一直在思考與探索合適的流域管理與決策模式。最近幾年來，在充分反思現(xiàn)有流域研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過頻繁討論、逐步醞釀，明確提出了智能流域管理（intelligent watershed management，IWM）的概念與思想，并開展了相關(guān)的理論構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與案例應(yīng)用研究，希望能通過提出的理念與關(guān)鍵技術(shù)回答目前流域管理中亟待解決的難點和決策模式問題。2009年11月，在中國武漢召開的第13屆世界湖泊大會（The13th World Lake Conference）上，由鄒銳博士代表本團(tuán)隊首次完整地詮釋了智能流域管理的提出緣由、理論體系與方法框架。此后，我們開始在中國和美國開展系統(tǒng)的理論完善、集成技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用推廣研究，如水體污染控制與治理科技重大專項滇池項目和美國LosAngeles流域非線性模擬一優(yōu)化研究，均取得了顯著成果；在后者的研究過程中所開發(fā)的非線性區(qū)間數(shù)映射重構(gòu)（NIMS）算法及其在大規(guī)模流域模擬一優(yōu)化方面的成功應(yīng)用，帶來了流域管理智能化領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。
　　為系統(tǒng)梳理和展示本團(tuán)隊這些年對智能流域管理科學(xué)體系探索的階段性研究成果，本書第1章首先對智能流域管理（IWM）的概念作了界定；提出智能流域管理是以流域整體為對象，模仿人在決策中由感官至大腦的形成智慧的行為過程.因此，它實際上是仿生學(xué)原理在流域管理中的一種延伸。智能流域管理基于仿生學(xué)原理、以最優(yōu)化為目標(biāo)并以流域中人類活動與水體水質(zhì)的響應(yīng)因果關(guān)系為紐帶；其主要步驟包括流域信息獲取、輸入一輸出因果關(guān)聯(lián)模擬以及優(yōu)化與適應(yīng)性決策。在第1章緒論所介紹的智能流域管理總的框架體系下，本書接下來又分3篇11章逐步展開概念討論、模型技術(shù)與算法以及案例研究等相關(guān)內(nèi)容。
　�。�1）第一篇界定為大腦篇因果關(guān)系之機(jī)理表達(dá)，主要探討智能流域管理的因果關(guān)聯(lián)及輸入一輸出響應(yīng)、流域?qū)用娴囊蚬�關(guān)聯(lián)定量表達(dá)、水體層面的因果關(guān)聯(lián)定量表達(dá)、模型參數(shù)估值及不確定性分析、流域一水體因果關(guān)系的集成等方面的內(nèi)容。
　�。�2）第二篇界定為智慧篇優(yōu)化之決策，主要分析了形成智慧型最優(yōu)流域決策的主要步驟，探討了流域管理的智慧型決策框架、流域智慧型決策之線性規(guī)劃模型、流域智慧型決策之模擬一優(yōu)化模型、流域智慧型決策之適應(yīng)性最優(yōu)演化模型等方面的內(nèi)容，并結(jié)合案例分析探討了相關(guān)的新算法與模型開發(fā)。
　�。�3）第三篇界定為感官篇流域信息的獲取、集成與反饋，主要分析了流域數(shù)據(jù)信息獲取與集成以及流域數(shù)據(jù)庫設(shè)計與開發(fā)等方面的內(nèi)容。
　　盡管智能流域管理是一個探討性的新嘗試，但在最近的研究中卻日益發(fā)現(xiàn)了其重要的價值。新概念的提出總會存在不足，希望本書的工作能夠推動流域管理與決策領(lǐng)域的深入討論與思考，并促進(jìn)更多相關(guān)問題的提出、發(fā)掘、探討與解決，從而更好地為未來科學(xué)流域管理決策提供堅實的支撐。
　　本書是團(tuán)隊集體智慧的結(jié)晶。全書由劉永、鄒銳、郭懷成總體設(shè)計并主筆，參與本書各章節(jié)寫作的還有：周璟（第3、6、11章）、董菲菲（第7、9、12章）、張禎禎（第2、5章）、劉年磊（第8章）、顏小品（第4、11章）、盛虎（第1章）、陽平堅（第10章）、朱翔（第4章）、趙磊（第2章）、毛國柱（第8章）。在團(tuán)隊的共同努力下，幾經(jīng)修改并由鄒銳、董菲菲、郭懷成、劉永最終定稿。
　　本書的研究與出版得到了國家水體污染控制與治理科技重大專項（編號：2008ZX07102-001）、國家自然科學(xué)基金（41101180）與北京大學(xué)百人計劃專項經(jīng)費的資助。在本書的寫作與相關(guān)研究的開展過程中，得到了美國TetraTech公司的3個研究案例（Lake Maumelle、Lake Clear流域、River Wissahickon）的支持，在此表示由衷的感謝！本書的部分案例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于云南省環(huán)境科學(xué)研究院的調(diào)研與監(jiān)測，感謝賀彬院長所給予的幫助與支持！
　　本書是北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院流域科學(xué)實驗室（Peking University Watershed ScienceLab）的成果之一，敬請訪問我們的主頁（http：//www.pkuwsl.org/），以了解更多的內(nèi)容、本書補充材料及流域科學(xué)最新研究進(jìn)展。由于作者的知識和經(jīng)驗有限，加之相關(guān)研究尚處于起步階段，書中難免出現(xiàn)疏漏，殷切希望各位同行能不吝指正。