水资源能够驱动人类社会的发展,同时,也受到人类活动与气候变化的双重影响,水资源利用争端、水环境污染、水生态退化等水问题越来越突出。水问题涉及到与水相关的多个方面,现阶段的科学方向,不仅要求针对水问题中的薄弱环节进行深入研究,更强调以水循环为纽带的考虑与水相关的多方面因素的综合研究。与水相关的多方面因素相互交叉与连接,构成一个复杂的水系统问题。论文结合国家水体污染控制与治理科技重大专项“淮河流域水质-水量-水生态联合调度关键技术研究与示范”课题,以水系统科学理论为基础,首先对水系统内部的关键因素生态流量进行深入研究,推荐了研究河段的适宜生态流量组合,并对生态流量的保证程度进行量化,提出了河道内生态用水保证率指标;其次,构建水系统健康的综合评估指标体系,评估了区域水系统的健康综合水平;最后,基于系统动力学理论,建立了区域水系统的动态仿真模型。论文选取受人类活动影响较大的淮河流域内淮南市及其区域内干流河段作为研究对象。论文的主要研究工作包括:(1)水系统科学发展与挑战的探讨。阐述了现阶段存在的多方面水问题及未来科学研究方向。论述了目前国内外在生态流量、河流水系健康评估、及水系统科学的研究进展。在此基础上,提出水系统内在关键因素研究、水系统内在连接关系、健康综合水平与演变趋势研究的思路。(2)水系统理论、内容与方法的研究。阐述了水系统的基本理论,确定了水系统的研究内容及支撑方法。分析水系统的内在连接关系,提出水系统涵盖的五个基本子系统,包括水文、水环境、水生态、水资源开发利用、社会经济子系统。针对水系统内部关键因素生态流量的估算进行深入研究,对栖息地模拟法中的FLOWS法进行改进;采用复合模糊物元模型、投影寻踪模型、混沌粒子群优化算法构建区域水系统健康评估的组合模型;提出水系统演变趋势分析支撑技术系统动力学方法,采用系统动力学内部多因素的因果关联模式来反映水系统的内在连接理念。(3)水系统内部关键因素生态流量的估算研究。对研究河段内珍稀保护鱼类长吻鮠进行调查,分析长吻鮠的生态习性,划分长吻鮠的年内生长繁殖时期,并针对分时期内长吻鮠的生态习性,制定其水力参数需求。采用改进的FLOWS法来推求长吻鮠分时期的生态流量组合。上溯期的特殊生态流量要求为小于1913.6m3/s;产卵繁殖期的特殊生态流量要求为至少发生1次连续7天且大于1307.0m3/s的高流量事件;幼鱼索饵期的特殊生态流量要求为至少发生1次平滩流或漫滩流,且流量大于1037.9m3/s。采用传统水文学法Tennant法补充FLOWS法计算结果的空白部分,得到逐月基本生态流量值。定义河道内生态用水保证率指标,并用其表征生态流量的保证程度。提出两大类生态用水保证率计算方法:频率分析法与满足率法。选取频率分析法中的水文频率分析法与日流量历时曲线法进行实例分析,前者用来分析1978～2012共35年的年平均流量序列,非汛期的基本与适宜生态用水保证率均较优,但汛期的适宜生态用水保证率偏低,介于70%～80%之间;后者分析丰、平、枯水年(2007、2008、2011)的日流量序列,丰、平水年的情况较优,但枯水年非汛期适宜生态用水保证率为85.3%,汛期仅为20%,严重偏低。采用满足率法分析丰、平、枯水年长吻鮠分时期的生态用水保证率,丰、平水年的各时期生态用水保证率都能得到100%满足,但枯水年的上溯期生态用水保证率为82.0%,产卵繁殖期为65.3%,且无满足产卵繁殖期的特殊生态流量的连续高流量事件发生。(4)基于组合模型的区域水系统健康综合评估。构建区域水系统健康综合评估指标体系,并确定其健康分级标准,包括径流变化率、溶解氧浓度、水质综合污染指数、城镇污水处理率、基于满足率法的河道内生态用水保证率、极端低流出现比率、水资源开发利用率、万元GDP用水量。采用复合模糊物元与投影寻踪组合模型对区域水系统的健康进行综合评估。PP-CPSO模型能够有效跳出粒子群局部最优值,获得最佳投影方向,对应的最大投影目标函数值为0.3574。分析淮南市水系统2006～2012年的健康水平综合指数,2006年为序列最低值(0.030),处于亚病态水平。2010年为序列最大值(0.272),处于亚健康水平,其余年份均处于中等水平。(5)基于系统动力学的区域水系统演变趋势研究。通过资料收集,确定SD模型的空间边界与时间边界。分析水系统内部五个子系统的内在连接关系,绘制SD模型流程图,建立47个变量之间相互转化与连接的SD结构方程式,构建淮南市水系统系统动力学仿真模型。SD模型历史检验结果表明,SD模型的总体模拟效果良好,2006～2014年的历史检验中,选取的各变量的相对误差绝对值平均数均在10%以内。SD模型的模拟结果与流域规划的对比结果表明,SD模型的模拟结果与流域规划数据相近,淮南市水系统在逐渐演进的过程中越来越接近流域规划水平,逐渐趋于良好。