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)展到復合型污染，常規(guī)污染物、有毒有機物、重金屬、藻毒素等水污染衍生物相互作用，形成復雜的流域性污染態(tài)勢，對公眾健康與經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展造成巨大障礙。在此背景下，自20世紀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90年代以來，本研究團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，并開展了相關的理論構建、關鍵技術研發(fā)與案例應用研究，希望能通過提出的理念與關鍵技術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、集成技術研發(fā)及應用推廣研究，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（NIMS）算法及其在大規(guī)模流域模擬一優(yōu)化方面的成功應用，帶來了流域管理智能化領域的重大技術突破。
　　為系統(tǒng)梳理和展示本團隊這些年對智能流域管理科學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，它實際上是仿生學原理在流域管理中的一種延伸。智能流域管理基于仿生學原理、以最優(yōu)化為目標并以流域中人類活動與水體水質(zhì)的響應因果關系為紐帶；其主要步驟包括流域信息獲取、輸入一輸出因果關聯(lián)模擬以及優(yōu)化與適應性決策。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、模型技術與算法以及案例研究等相關內(nèi)容。
　　（1）第一篇界定為大腦篇因果關系之機理表達，主要探討智能流域管理的因果關聯(lián)及輸入一輸出響應、流域層面的因果關聯(lián)定量表達、水體層面的因果關聯(lián)定量表達、模型參數(shù)估值及不確定性分析、流域一水體因果關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性最優(yōu)演化模型等方面的內(nèi)容，并結合案例分析探討了相關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域的深入討論與思考，并促進更多相關問題的提出、發(fā)掘、探討與解決，從而更好地為未來科學流域管理決策提供堅實的支撐。
　　本書是團隊集體智慧的結晶。全書由劉永、鄒銳、郭懷成總體設計并主筆，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）、國家自然科學基金（41101180）與北京大學百人計劃專項經(jīng)費的資助。在本書的寫作與相關研究的開展過程中，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數(shù)據(jù)來自于云南省環(huán)境科學研究院的調(diào)研與監(jiān)測，感謝賀彬院長所給予的幫助與支持！
　　本書是北京大學環(huán)境科學與工程學院流域科學實驗室（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最新研究進展。由于作者的知識和經(jīng)驗有限，加之相關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。