城市洪涝致灾机理与模拟方法
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作者夏军强
出版社科学出版社
ISBN9787030782076
出版时间2024-06
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定价158元
货号1203321571
上书时间2024-09-05
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目录
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第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 3
1.2.1 城市洪涝的概化模型试验 3
1.2.2 城市洪涝的数值模拟技术 5
1.2.3 城市洪涝风险评估方法 9
1.3 本书的主要内容 10
第2章 城市洪涝灾害成因与减灾对策 13
2.1 城市洪涝的外部环境变化特点 13
2.1.1 暴雨时空变化 13
2.1.2 台风与风暴潮 14
2.1.3 海平面上升 15
2.2 城市洪涝的内部环境变化特点 16
2.2.1 城市下垫面改变 16
2.2.2 城市热岛与雨岛效应 17
2.2.3 城市河网水系改变 17
2.3 城市洪涝致灾的成因 18
2.3.1 洪涝致灾因子变化 18
2.3.2 城市孕灾环境变化 19
2.3.3 承灾体与防灾能力变化 19
2.4 城市洪涝的减灾对策 20
2.4.1 开展洪涝过程的基础理论研究 20
2.4.2 加强城市排水系统的基础设施建设 20
2.4.3 完善洪涝预报预警及防灾管理体系 21
2.5 本章小结 22
第3章 地表径流与地下管流的流量交互机理 25
3.1 雨水口泄流能力的概化水槽试验 25
3.1.1 试验装置介绍 25
3.1.2 试验工况设计 26
3.1.3 试验现象及结果 27
3.2 雨水口不同堵塞情况下的泄流能力计算公式 28
3.2.1 堰流及管嘴流模式下确定雨水口泄流能力的公式 29
3.2.2 量纲分析法确定雨水口泄流能力的公式 30
3.2.3 与现行雨水口泄流能力参考值的比较 32
3.2.4 与其他水槽试验结果的比较 33
3.3 考虑堵塞影响的雨水口泄流能力计算公式 34
3.3.1 雨水口堵塞时试验工况设计 34
3.3.2 雨水口堵塞时泄流现象与结果 35
3.3.3 雨水口泄流能力计算公式 36
3.4 雨水口溢流条件下的过流特征 41
3.4.1 雨水口溢流试验工况设计 41
3.4.2 溢流试验现象及结果 42
3.4.3 雨水口溢流时的流量计算公式 43
3.5 本章小结 44
第4章 洪水作用下人体失稳机理及判别标准 45
4.1 洪水中人体失稳研究现状 45
4.1.1 洪水中人体失稳的水槽试验 45
4.1.2 洪水中人体失稳的受力分析 48
4.1.3 基于水槽试验与力学分析的失稳计算方法 49
4.2 基于流速和水深的人体失稳经验判别标准 50
4.3 基于力学过程的洪水中人体失稳机制及判别方法 53
4.3.1 平地上洪水中人体滑移失稳与跌倒失稳公式 53
4.3.2 斜坡上洪水中人体跌倒失稳公式 63
4.4 本章小结 67
第5章 洪水作用下车辆失稳机理及判别标准 69
5.1 洪水中车辆失稳研究现状 69
5.1.1 洪水中车辆损失情况综述 69
5.1.2 洪水中车辆失稳的主要机制与研究方法 70
5.2 洪水中车辆失稳的力学机理与水槽模型试验 71
5.2.1 洪水作用下的车辆受力分析 71
5.2.2 起动流速公式推导 73
5.2.3 洪水作用下车辆失稳的水槽模型试验 73
5.3 洪水中车辆的滑移速度及其撞击力试验 80
5.3.1 洪水中车辆的滑移速度及优选撞击力公式 81
5.3.2 概化水槽试验及参数率定 82
5.4 本章小结 87
第6章 城市排水管网流动的水动力学模拟方法 89
6.1 基于有限差分法的管网流动水动力学模型 89
6.1.1 一维地下管流的控制方程 90
6.1.2 数值求解方法 91
6.2 基于有限体积法的管网流动水动力学模型 92
6.2.1 基于TPA的一维地下管流控制方程 92
6.2.2 数值求解方法 93
6.2.3 管网中的节点处理 94
6.3 一维管网流动模型的验证 97
6.3.1 多管道水流演进算例 97
6.3.2 环状管网流动算例 99
6.4 本章小结 101
第7章 城市洪涝地表径流过程的水动力学模拟方法 103
7.1 控制方程 103
7.2 数值解法 104
7.2.1 数值离散方法 104
7.2.2 界面通量的求解方法 105
7.2.3 底坡源项的处理方法 106
7.2.4 摩阻源项的处理方法 108
7.2.5 下渗项的计算方法 109
7.2.6 边界条件设置 109
7.3 二维地表径流模型的计算精度验证 110
7.3.1 降雨径流算例 110
7.3.2 城市街区洪水演进算例 112
7.3.3 特别暴雨下典型城市街区的洪涝过程模拟 115
7.4 本章小结 118
第8章 城市洪涝全过程水动力学模型的构建与验证 119
8.1 地表径流与地下管流耦合模型的总体结构 119
8.2 地表径流与地下管流的交互模块 121
8.3 城市洪涝全过程水动力学模型的并行加速方法 122
8.3.1 MPI-OpenMP混合并行方法 122
8.3.2 网格分区与并行方法 123
8.4 基于概化水槽试验结果的耦合模型验证 124
8.4.1 街区洪水演进概化水槽试验概况 124
8.4.2 模拟与实测结果 126
8.5 模型参数敏感性分析及不确定性分析 128
8.5.1 基于扩展傅里叶振幅敏感性检验法的参数全局敏感性分析 128
8.5.2 基于普适似然不确定性分析方法的参数不确定性分析 130
8.5.3 明渠流条件下的参数敏感性与不确定性分析 130
8.5.4 管道超载工况下的参数敏感性与不确定性分析 136
8.6 本章小结 139
第9章 城市洪涝风险评估方法及其应用 141
9.1 城市洪涝风险评估方法综述 141
9.1.1 历史灾情评估法 141
9.1.2 遥感影像评估法 142
9.1.3 指标体系评估法 142
9.1.4 情景模拟评估法 143
9.2 基于历史灾情数据的洪涝风险评估方法的应用 144
9.2.1 洪涝灾情评估值的计算方法 144
9.2.2 洪涝灾害损失变化特征 145
9.2.3 洪涝灾害等级变化特征 145
9.3 基于水动力学模拟结果的洪涝风险评估方法的应用 145
9.3.1 评估对象脆弱性的计算方法 146
9.3.2 评估对象暴露度判别方法 150
9.3.3 洪涝风险等级计算方法 151
9.3.4 洪涝风险评估实例：不同频率下的英国博斯卡斯尔洪水过程 152
9.4 本章小结 154
第10章 城市洪涝全过程模拟与风险评估耦合模型及其应用 155
10.1 城市洪涝全过程模拟与风险评估耦合模型 155
10.2 国外典型街区的洪涝过程模拟与风险评估 156
10.2.1 街区概况 156
10.2.2 模型计算工程文件设置 157
10.2.3 模拟结果分析 158
10.2.4 排水系统泄流对地表洪涝过程的影响 160
10.2.5 排水系统泄流对洪涝风险的影响 162
10.3 国内典型街区的洪涝过程模拟与风险评估 165
10.3.1 研究区域概况 165
10.3.2 模型计算工程文件构建 167
10.3.3 武汉港西排水片区洪涝模型验证 170
10.3.4 不同降雨情景下港西排水片区的洪涝过程模拟 172
10.3.5 不同降雨情景下港西排水片区的洪涝风险评估 185
10.4 本章小结 198
参考文献 200
内容摘要
本书以城市洪涝问题为主要研究对象，采用水文学、水动力学、计算水动力学、力学等基本理论，通过物理实验和数值模拟等手段，研究了城市洪涝灾害的成因和致灾机理，提出了城市洪涝模拟及风险评估方法。主要内容包括以下三个方面内容：在城市洪涝致灾机理方面，分析了典型城市洪涝灾害的成因与主要影响因素，讨论了城市洪涝灾害内部与外部的环境影响，并采用力学理论分析及概化模型试验相结合的方法，揭示城市洪涝中典型承灾体（行人与车辆）失稳的动力学机制，研究了地表径流与地下管流之间的流量交换规律，提出了更加通用的雨水口泄流及溢流能力的计算公式。在城市洪涝模拟技术方面，建立了基于水文学及水动力学方法的城市洪涝过程多尺度耦合模型，改进了城市复杂地形及下垫面条件下的产汇流规律及地表洪水演进与地下管网流动的准确模拟技术，研究了城市洪涝过程中重要地下基础设施（地铁站及下行通道等）的受淹过程。在城市洪涝灾害风险评估与应用方面，建立了基于情景模拟法和指标体系法的城市洪涝灾害风险综合评估方法，预测了典型街区、城区在不同降雨频率下积水点的分布情况与典型承灾体的洪水风险等级。
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