随着我国工业化进程的发展以及城镇化的建设,越来越多的工业废水、城市污水及农业用水排入江河,导致水质逐步恶化,水生态遭到破坏。水污染问题日渐凸显,不仅严重影响了人民饮用水安全,也逐渐成为制约我国产业发展的因素。其中突发性水污染事故因其未知性,难以预测,危害大等特点给决策者采取相应措施增加了难度。针对突发性水污染事故的未知性,如何利用事故发生地点下游的污染物监测数据反向识别突发性污染事故发生的地点与污染物泄露规模等信息,为决策者制定相应的应对措施提供科学依据是关键所在。伴随同化法作为一种反演方法在大气与海洋领域得到了广泛的运用,它是建立在变分原理与最优控制理论相结合的数学基础上的一种有效的四维变分同化技术。伴随同化法以动力模型作为约束条件,把观测资料与动力模型作为一个有机整体进行考虑,通过建立模型方程的伴随模式求得目标函数关于控制变量的梯度,并进行数值迭代来调试控制变量达到自动化反演模型未知要素（例如模型参数、源项信息、初边界条件等）的目的。本文在数学物理反问题的框架下基于伴随同化法对环境水力学中的参数辨识反问题、源项识别反问题和边界反问题进行了较为深入的研究。本文的主要工作可以分为三个部分:基于伴随同化法构建入库流量实时校正模型,对一维水动力学模型中的边界反问题进行研究。首先建立Godunov型有限体积法求解的三峡水库一维水动力模型,随后提出基于有限体积法的伴随同化反演模型FVM-ASM,再通过沿程实时水位、流量实测数据反向确定区间入流值（水动力模型的侧边界）,进而利用流量叠加法对入库流量进行校正。设置2组理想数值算例验证入库流量校正模型的可靠性,通过历史洪水过程检验模型的实用性。基于伴随同化法研究了一维和二维水质模型中的参数反问题和源项反问题。以一维水质模型的解析解作为约束条件构建了一维水质反演模型,以示踪实验数据对纵向离散系数进行反演,利用数值算例从多个初始值对多个点源的污染源排放强度、排放位置进行反演,研究了伴随同化法对初值的适应性。以二维水质模型的解析解作为约束条件构建了二维水质反演模型,对紊动扩散系数、污染源排放强度和排放位置开展数值反演。构建基于Godunov有限体积法的平面二维水动力水质耦合模型,并与伴随同化法结合提出FVM-ASM反演模型,对二维水动力水质模型的环境水力学反问题进行研究,反演了模型中的紊动扩散系数,识别了污染源排放强度和污染物排放位置。通过研究观测数据的误差范围、取样频率以及观测点个数等因素对反演结果的影响,界定了伴随同化法在环境水力学反问题中的适用范围。本文基于伴随同化法研究了环境水力学模型中的边界反问题、参数反问题和源项识别反问题,为突发性水污染溯源问题和大型河道型水库的入库流量校正提供了一条有效可行的解决途径。