水温T和水质指标浓度C。
[0019] 其中，步骤（1)包括以下子步骤：
[0020] (1. 1)构建湖泊三维水动力-水温-水质模型，模型由反映湖泊水动力、水温和水 质复杂变化过程的一组数学物理控制方程组构成，包括：
[0021] 水动力控制方程组：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] σ变换后的垂向流速；x，y为水平坐标，Z为垂向坐标；h为自由水面到水底的水深值，η为 静水位偏移位移，H = h+ η为总水深；U，V分别为X，y方向的流速；t为时间；T为水温；C 为污染物浓度；/'=2Dsin(~Ω为地球自转角速度，货为所处炜度；vjpvv分别为水平涡 黏系数和垂向涡粘系数；Vb为垂向扩散系数；g为重力加速度；A H#P A ντ为水平温度扩散系 数和垂向温度扩散系数;AHjP Ave为水平水质扩散系数和垂向水质扩散系数；
[0029] (I. 2)采用有限差分法离散模型控制方程组，对湖泊地形数据进行预处理：利用 小波包变换方法进行纹理特征提取，采用反距离加权平均插值法进行空间插值获得湖底地 形散点三维坐标；采用主成份分析方法对湖泊遥感影像进行光谱特征提取，获取湖泊边界 的平面二维坐标；
[0030] (1. 3)根据得到的湖底地形散点三维坐标和湖泊边界的平面二维坐标，将湖泊离 散成若干网格单元，并对网格采用Arakawa C模式布置变量：对一个正方体网格单元，规定 i、j和k分别为X、y和z方向的网格编号索引，变量ω设置在上下表面的中点上（i，j， k±l/2)，在每一个横截面中，变量u设置在网格左右两边的中心（i±l/2, j，k)，变量v设 置在前后两边的中点上（i，j±l/2, k)，水深Η、水质浓度C、水温T设置在网格中心（i，j， k)；
[0031] (I. 4)采用分裂算法将水动力控制方程组中的水平动量方程各算子按照其物理波 动过程的波频快慢特性进行分类，缓行内重力波为低频慢过程，表面重力长波为高频快过 程，由此将水平动量方程（3)、⑷的算子分为低频慢过程算子和高频快过程算子两类，其 中，低频慢过程算子包括对流项、科氏力项和水平涡粘项，高频快过程算子包括重力梯度项 和垂向祸粘项；
[0032] (1. 5)对低频慢过程算子对流项、科氏力项和水平涡粘项做显式处理，求得X方向 中间流速ul和y方向中间流速vl，以X方向为例：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] (1. 6)由显式离散水位方程（2)，求得下一个时间节点的静水位偏移位移ιΓ+1，根 据已经求到的中间流速ul、Vl和静水位偏移位移ri n+1，对高频快过程算子重力梯度项做隐 式处理，求得X方向中间流速u2和y方向中间流速ν2,以X方向为例：
[0038]
[0039] (1. 7)根据已经求到的中间流速U2和v2,对高频快过程算子垂向涡粘项做隐式处 理，整理后分别得到关于下一个时间节点的X方向流速u n+1和y方向流速V n+1的线性方程 式，以X方向为例：
[0040]
[0041] 式中UT、UB、UC、UF是包含已知变量u2的参数，在所有网格上由式（11)得到一个 涉及三维流场时空关系的线性矩阵方程组，采用托马斯
[0042] 法求解矩阵方程组，得到iT1，并用同样的方法求出vn+1;
[0043] (1.8)根据已经得到的X方向流速un+1、y方向流速，1和连续方程（1)，求得垂向 流速ω η+1，根据〇反坐标变换求得笛卡尔坐标系下垂向流速wn+1;
[0044] (1. 9)重复步骤（I. 5)-(1. 8)，循环迭代计算，得到湖泊水域内不同位置和时间的 三维流场u、v、W及其静水位偏移位移η，并根据静水位偏移位移η进一步求得水深H。
[0045] 其中，步骤（2)包括以下子步骤：
[0046] (2. 1)根据步骤（1. 4)类似的原理，将水温控制方程（5)和水质控制方程（6)的算 子分为低频慢过程算子和高频快过程算子两类，其中，低频慢过程算子包括对流项、水平扩 散项，高频快过程算子包括垂向扩散项；
[0047] (2. 2)对低频慢过程算子对流项和水平扩散项做显式处理，求得中间温度Tl和中 间浓度Cl ;
[0048] (2. 3)根据求得的Tl、C1，对高频快过程算子垂向扩散项做隐式处理，求得下一个 时间节点的温度τη+1、浓度C n+1，整理得到一个线性方程式，以温度T为例：
[0049]
[0050] M、S、P、R是包含已知变量Tl的参数，在各个网格写出式（12)，分别得到一个涉及 水温时空关系和水质时空关系的线性矩阵方程组，采用托马斯法求得T n+1，并用同样的方法 求得cn+1;
[0051] (2. 4)重复步骤（2. 2)-(2. 3)，循环迭代计算，得到湖泊水域内不同位置和时间的 水温T和水质指标浓度C。
[0052] 总体而言，本发明与现有技术相比，具有以下特点：
[0053] (1)基于分裂算法的思想，本发明将湖泊水环境系统中的复合物理波动过程视作 由若干不同波频的单一波动过程组成的集合，遵循地球物理问题一般将低频波动过程和高 频波动过程分类处理的准则，将湖泊三维水动力-水温-水质模型的各算子按照其物理波 动过程的波频快慢特性，分为低频慢过程算子和高频快过程算子两类，对其中的低频慢过 程算子采用显式处理，对高频快过程算子采用隐式处理；
[0054] (2)能对模型所有算子选用最适宜其物理特征的离散处理方式，解决了湖泊水环 境系统中因各物理波动过程存在显著波频差异，而难以选用合适的模型求解方法的技术难 题；
[0055] (3)能较准确地反映湖泊水体中的动量迀移、热量传递和污染物输移等复杂的物 理过程，具有计算稳定性好、计算精度和计算效率高的特点。
【附图说明】
[0056] 图1是本发明基于分裂算法的湖泊三维水动力-水温-水质模拟预测方法的总流 程图；
[0057] 图2是湖泊网格化及前处理过程图；
[0058] 图3是本发明实施例中沙湖边界线示意图；
[0059] 图4是本发明实施例中沙湖网格划分的示意图；
[0060] 图5是本发明实施例中Arakawa C变量布置示意图；
[0061] 图6是本发明实施例中湖泊某时刻的三维流场矢量图；
[0062] 图7是本发明实施例中某网格水温时间序列图（垂向分为4层）；
[0063] 图8是本发明实施例中湖泊某时刻COD浓度分布渲染图（垂向分为4层）；
[0064] 图9是本发明实例中静水位偏移位移Tl的实测值与模拟值；
[0065] 图10是本发明实例中水温T的实测值与模拟值。
【具体实施方式】
[0066] 本发明以武汉市沙湖为例。沙湖是武汉市重要的城市湖泊，分为内沙湖（0. 134平 方公里）和外沙湖（3. 197平方公里）。根据遥感影像对沙湖进行特征提取，构建沙湖三维 水动力-水温-水质模型。
[0067]图1所示为本发明一种基于分裂算法的湖泊三维水动力-水温-水质模拟预测方 法的总流程图，其总体思路是对湖泊水动力-水温-水质模型中的各算子根据其波频特性 进行分类离散处理。包括以下步骤：
[0068] (1)构建湖泊三维水动力-水温-水质模型，模型由湖泊水动力控制方程组、水温 控制方程和水质控制方程组成，将湖泊