本书以边界河流黑龙江为对象，介绍了中俄水环境管理的异同性，阐明中俄界河的水环境现状与时空变化规律，提出面向界河的水环境管理指标体系，建立界河水环境监测断面优化布设方法，并对中俄界河进行了监测方案优化。

第1章黑龙江流域概况

1.1背景资料

1.2流域特征

1.2.1黑龙江流域特征

1.2.2乌苏里江流域特征

1.3次级流域特征

1.3.1次级流域划分

1.3.2次级流域自然环境和社会经济特征

1.4污染负荷及环境管理特征

1.4.1各次级流域污染负荷

1.4.2各次级流域化肥农药施用量

1.4.3地表水环境功能区划

第2章水环境质量监测

2.1监测概况

2.1.1监测断面布设

2.1.2监测项目及分析方法

2.1.3样品采集

2.2黑龙江水质现状评价

2.2.1各次级流域水环境现状

2.2.2各水域水质评价

2.2.3水质现状评价结论

2.3水污染成因识别

2.3.1主要问题

2.3.2原因识别

第3章流域监测断面优化

3.1流域水环境监测断面优化原则和方法

3.1.1基本原则

3.1.2优化方法

3.2黑龙江水环境监测断面优化

3.2.1物元分析法原理

3.2.2模糊聚类分析法原理

3.2.3河道水环境数值模型

3.2.4数理统计和水质模型相结合的断面优化

3.3黑龙江水环境监测断面优化

3.3.1基于物元分析的断面优化

3.3.2基于模糊聚类的断面优化

3.3.3水环境模型和物源分析相结合的断面优化

3.4黑龙江水环境监测断面优化布置方案

3.4.1黑龙江干流水环境监测断面优化合并结果

3.4.2黑龙江干流水环境监测断面优化增加结果

3.4.3黑龙江水环境监测断面优化布设方案

3.4.4乌苏里江干流水环境监测断面优化布设方案

3.4.5优化断面的基本监测功能

第4章中俄环境管理特征分析

4.1中俄环境管理手段评估

4.1.1评估方法介绍

4.1.2中俄环境管理手段影响因素的选择

4.1.3分析结果

4.1.4中俄环境管理手段评估结论

4.2中俄地表水监测技术规范对比分析

4.2.1实施时间对比

4.2.2阐述内容对比

4.2.3地表水监测的布点与采样对比

4.2.4监测项目对比

4.3中俄水质标准对比分析

4.3.1中俄生活饮用水水源水质标准对比分析

4.3.2中俄边界水体水质监测40项指标对比分析

4.4中俄环境管理评估结论

第5章监测指标体系优化

5.1边界河流指标优化的基本方法和基本原则

5.1.1基本方法

5.1.2基本原则

5.2黑龙江和乌苏里江监测指标体系确定方法

5.2.1监测指标范围选定方法

5.2.2监测指标分类方法

5.2.3指标类型确定原则

5.3黑龙江和乌苏里江监测指标体系确定

5.3.1监测指标选定

5.3.2三类指标类型的确定

5.3.3监测指标体系优化结论

附录中俄地表水监测技术规范对比 2100433B

河流采样断面的布设遵循以下原则：

(a) 在调查范围内的两端应布设取样断面。

(b) 调查范围内重点保护对象附近水域应布设取样断面。

(c) 水文特征突变处(如支流汇人处等)、水质急剧变化处(如污水排人处等)、重点水工构筑物(如取水口、桥梁涵洞等)附近应布设取样断面。

(d) 水文站、常规控制断面等附近应布设采样断面。

(e) 在拟建成排污500 m处应设置一个取样断面。

(f) 采样断面布设还应适当考虑其他人们关心的、需进行水质预测的地点 。

空腹重力坝是较为经济的坝型，且常用在，溢流坝段部位.以往，比较系统地对空腹重力‘坝溢流断面进行优化设计的工作，在国内尚不多见.利用可行方向法，对其进行探讨，并给出一个计算实例。计算结果表明，优化后的溢流坝段断面可比常规采用的断面节省坝体工程量17.5%。

溢流断面基本假定

溢流断面的优化，采用以下一些基本假定：

1.溢流断面选用10个优化变量，即工x_1、x₂……x₁₀。

2.已知坝体与地基材料特性，并假定坝体和坝基的材料为均质、连续和各向同性的线弹性体，不考虑坝基中存在断层的情况。

3.坝踵控制应力采用坝基面以上3m处的坝踵应力，抗滑稳定采用抗剪断公式计算，但优化程序中亦有使用摩擦公式的功能。

4.不考虑温度荷载的作用，其作用由工程措施解决。

5.鉴于坝体主要计算荷载为水压力和坝体自重，扬压力对空腹坝体应力的影响随坝水体型变化并不明显，故优化过程中进行应力分沂时，暂不考虑扬压力(即在应力约束中，按重力坝规范中的无扬压力情况考虑)。

溢流断面优化数学模型

采用单位坝长的体积作为目标函数，应力计算采用8结点等参单元，坝基应力计算的边界范围可以变动.约束情况包括应力约束、稳定约束、水力学约束以及几何约束，并同时考虑在以下三种荷载组合情况下，得出最优解。

(一)荷载组合

1.正常水位水压力 坝体自重 闸墩重量 坝上设备荷载；

2.校核洪水位水压力 坝体自重 闸墩重量 坝上设备荷载十泄洪动水压力；

3.空库情况：坝体自重十闸墩重量十坝上设备荷载。

（二）应力约束

1.坝基面以上3m处坝踵不得出现主拉应力(在三种工况下)；

2.在第一种工况下，坝体上游面最小主压应力不得小于0.25rH(r为容重，H为计算应刀处的作用水头)；

3.在三种工况下，离坝基面3m以上的坝体主压应力值不得超过容许压应力值；

4.在三种工况下，空腹边缘最大主拉应力值不得超过坝体容许拉应力值；

5.在三种工况下，下游面最大主拉应力值不得超过容许拉应力值。

(三)稳定约束

1.在第一种工况下，抗滑稳定安全系数大于相应容许值；

2.在第二种工况下，抗滑稳定安全系数大于相应容许值。

(四)水力学约束

由于泄流挑距及下游冲坑深度等涉及水力学的问题多靠经验公式进行估算，巨又通过模型试验进行验证，故暂不加以考虑.所考虑的水力学约束，只是在校核洪水位闸门全开时，堰顶最大负压值不超过3~6m水头(按规范要求)的条件。

(五)几何约束

几何约束包括对变量的上、下界约束，以及变量间的相互几何关系。

结构拓扑优化探讨结构构件的相互连接方式，结构内有无空洞、孔洞的数量、位置等拓扑形式，使结构在满足有关平衡、应力、位移等约束的条件下将外荷载传递到支座，同时使结构的某种性态指标达到最优。为探索拓扑优化的实际工程应用效果，以重力坝拓扑优化设计为例，研究了结构拓扑优化在水利建筑中的应用，取得了较好的结果。

溢流断面拓扑优化均匀化方法

由于拓扑结构变化的模型数据处理尚未有研究，所以在设计区域要自动产生开孔是很困难的。为了突破这一局限，考虑利用“固定”的有限元模型，在此模型中较小应力的单元被人为地指定具有很软的材料以近似地产生开孔。在此基础上，采用了均匀化方法。该方法的基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构(单胞)，微结构的形式和尺寸参数决定了宏观材料在此点处的弹性性质和密度，优化过程中以微结构的单胞尺寸为拓扑设计变量，以单胞尺寸的消长实现微结构的增删，并产生由中间尺寸单胞构成的复合材料，以拓展设计空间，实现结构拓扑优化模型与尺寸优化模型的统一和连续化。

溢流断面Voigt-Reuss组合简化算法模型

Swan和Kosaka曾经提出了一种适用于线弹性结构的应力应变简化的连续体拓扑优化方法。Voigt(应变均匀假设)和Reuss(应力均匀假设)是两种传统的近似简化单元的方法。在此前提下，简化Voigt-Reuss组合规则为基础进行结构拓扑计算。

在结构拓扑优化中，还常常会出现很多对最终结构产生不利影响的数值不稳定的问题，这些问题使得结构或过于复杂，或过于脆弱，或增大计算负担。为了解决这些问题，结合数字信号处理中的高斯函数滤波法和流体力学中的多重网格法，利用高斯函数的卷积运算和可构造软化核函数的性质，综合使用滤波法和多重网格法来解决棋盘格式和网格依赖性等拓扑优化中常见的数值不稳定现象，并配合使用滤波半径延拓法来减少局部极值现象对结构优化全局的影响。

溢流断面优势

拓扑优化方法对于混凝土重力坝非溢流断面的优化完全可行，并取得了比较满意的结果。事实上，拓扑优化得到的结果是最节省材料的。因而，拓扑优化的方法值得推广到其他建筑工程的优化设计中。