在水文学领域,水文预报及建模一直是研究的热点问题。随着大规模水库的建设,对水文的时空分布规律产生了极大的影响,因此,对水文预报建模又提出了新的挑战。洪水灾害发生频率高、破坏力强,是对人类危害最大的自然灾害之一,特别是在中国,河流周围人口密度大,洪水灾害的破坏性更加显著。另一方面,水利工程的建设带来了巨大的经济效益,然而,由于大坝阻隔效应的影响,严重影响了流域水文的自然节律,引发了一系列严重的生态问题。为此,本文围绕我国长江流域梯级水电站高效、稳定、安全运行背景下高精度径流预报和梯级水电站联合优化运行面临的关键科学问题和技术难题,开展了多预报模型耦合预报方法、流域水文过程系统动力学建模、梯级防洪调度系统动力学建模以及多目标生态调度研究工作。论文创新成果概述如下:(1)在研究新安江、API、水箱等水文预报模型建模原理和参数率定方法的基础上,考虑不同物理背景下水文预报模型性能的局限性及其地域性特征,创新性的提出了一套实时校正与组合预报理论相结合的多模型耦合预报方法,通过在向家坝站点开展实例研究,结果表明所提多模型耦合方法能提高预报精度,其中所提整体优选参数耦合方法的效果较实时校正—组合预报耦合方法和组合预报—实时校正耦合方法效果更加突出,该方法有效提高了水文预报的精度,能够应用于实际水文作业预报。(2)阐述了系统动力学基本概念、建模原理及方法,明晰了系统动力学方法善于描述多变量、高阶次、多回路、强非线性和复杂反馈关系的特点,针对流域降雨产流过程表现出的动态特性,分析了各变量之间的互馈关系并用明确的微分方程式进行表征,提出了一种基于系统动力学方法模拟流域水文动力过程的水文预报建模方法,通过在柘溪流域进行实例研究,取得了不错的预报效果,表明所建模型较为准确的反映了流域降雨产流过程的复杂机制,能够较准确地模拟降雨产流动态过程,对拓展水文预报建模思路具有一定的借鉴作用。(3)利用系统动力学方法分析了水库防洪的动力过程,研究了梯级水库群防洪系统各变量间的互馈关系,提出了基于系统动力学原理的梯级水库群防洪调度建模理论和风险分析方法,以溪洛渡-向家坝梯级水库为例,通过模型模拟演算,研究了溪洛渡-向家坝梯级水库群为宜宾市防洪所需预留库容及其防洪库容在两库之间的分配方式,进一步,选取超过水库校核水位和下游防洪点超过安全流量的指标作为评价水库安全运行的风险指标,考虑水库预报来水的不确定性,进行了不同来水情景下的水库防洪调度模拟,从而得到了水库考虑洪水预报不确定性的防洪调度风险指标值,为水库群防洪调度和风险分析提供了新的想法和思路。(4)针对长江中上游流域的地理概况、水文气象特征和生境现状,以宜昌站长系列历史日径流数据为基础,采用IHA法计算了葛洲坝建坝前后宜昌站断面各生态水文指标的变化程度,结合RVA法和Mann-Kendall趋势检验法对各指标的变化程度进行了趋势分析,研究了水库调蓄影响下河流水文生态变化特征;另外,综合分析了三峡梯级下游河道中水生生物中华鲟和四大家鱼产卵所需生态流量和河流生态系统的需水量,搭建了面向河流水生生物资源保护的水库群多目标生态调度模型,运行得到的非劣解集定量描述了河道下游水生生物需水量与梯级水库的发电目标之间存在的相互竞争关系,为流域管理机构在水库群生态调度方面提供一定的参考作用。