随着城市化和工业化进程的加速,在我国当前面临的各类水问题中,河流与湖泊水污染问题十分突出,已成为制约我国社会可持续发展的关键问题。利用数值模拟方法分析预测水流水质变化是水环境污染治理规划中的主要方法之一,其结果可为相关决策者进行水环境管理规划提供科学依据。虽然国内外学者在河流与湖泊水流水质模拟领域开展了大量的理论研究工作,一些理论与方法有了重要进展,但仍有许多需要深入研究的问题,以解决计算区域地形不规则、气象条件多变、污染物指标众多、不同污染物之间关系复杂、水流-水质动力耦合密切、水流形态多样、计算效率过低、计算失稳等一系列难题。因此,亟待探索和研究河流与湖泊的水动力学驱动机理,并建立可靠、高效和稳定的水动力水质耦合模型。本文围绕河流与湖泊中水流水质数值耦合模拟面临的若干关键科学问题,基于迎风格式的有限体积方法,建立了适用于河流与浅水湖泊的高性能水流水质耦合数学模型,并以大东湖水系为研究对象,通过推求引水连通湖泊在自然循环与人工循环条件下各种污染物浓度对不同流场的响应关系曲线,深入分析了连通湖泊群水循环对水污染迁移转化过程的影响。相关成果可在湖泊水网连通工程实践中推广应用,具有良好的工程应用前景。本文的主要研究内容和创新包括：(1)综合考虑了不规则地形、气象条件、水流形态、计算精度和计算效率等因素,建立了复杂计算条件下河流与湖泊二维水流数值模拟模型。为提高模型在复杂流体运动中的适应能力,引入局部Froude数,提出了一种水深-水位加权变量重构技术,可准确模拟二维水流中的缓流、急流、混合流、间断流等复杂流态。同时,深入分析了通量计算可能导致的负水深问题,创新性的提出了一种水量通量校正方法,有效解决了数值计算过程中产生负水深的难题,保证了计算过程水量守恒性,提高了水流数值模拟的有效性和稳定性,为进一步揭示水体污染物的迁移规律提供准确的流场支持。(2)针对传统的一、二维水流数值联解过程中面临计算时空不同步的难题,提出了基于黎曼近似解的一二维水流方程的耦合联解模式,建立了一维河道水流与二维平面水流数学耦合模型。采用近似黎曼算子计算一、二维以及耦合区域的水流数值通量,不仅具有时间同步性,并且解决了两种模型独立求解可能遇到的空间分辨率和计算精度差异问题,实现了河湖连通条件下的水流数值模拟。(3)针对流体运动中污染物输运方程求解出现数值阻尼过大和数值振荡等问题,建立了基于分布式水动力学的连通湖泊污染物迁移模型。模型采用能有效捕捉流态与污染物浓度间断的HLLC型近似黎曼算子耦合求解水流和污染物对流通量,有效减少了模型计算过程中的数值阻尼现象,为准确揭示不同水动力条件下污染物迁移规律提供了可靠的理论依据。(4)针对大尺度计算区域的水流水质数值模拟面临计算效率过低以及网格分辨率要求不同的难题,发展了一种网格自适应动态加密方法,该方法能根据计算区域的水位梯度特征和污染物梯度特征动态加密或稀疏网格数量,提高数值模拟空间精度的同时减少计算单元数量,实现了模型计算精度与计算效率的均衡。(5)采用java编程语言,提出了一种基于CPU多线程并行计算的水流水质模型求解模式。采用区域分解技术对计算区域进行分解,并引入虚拟单元对不同分解区域进行无缝衔接,保证了模型在计算过程中CPU资源的合理分配,进而通过多线程并行计算技术加速模型求解,极大幅度的提高了水流水质模型的计算效率,有效解决了实际工程中水流水质模拟面临计算用时过长的难题。(6)运用已建立的水流水质耦合数学模型,以大东湖水系为研究对象,开展水流水质模拟在水环境规划中的应用研究。首先采用实测数据对水流水质模型进行参数率定,然后研究了连通湖泊水动力学特性并对比分析大东湖在自然条件以及引水条件下流场分布特点,阐述了自然循环条件下水流变量与水质变量之间的定量关系,探求了污染物受水流运动影响的主要因子,揭示了污染物随水流变化的迁移规律,最后以人工循环条件下引水路线、引水流量、引水时间等变量参数优化为突破口,推求了引水连通湖泊在不同引水方案下各种污染物浓度对流场的响应关系曲线,阐明了水流运动、水体污染物迁移以及水质改善三者之间的定量关系,可为水环境工程规划和水污染治理方案制定与实施提供重要的科学依据。