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《城市水文与防洪工程：理论、模型与实践》 导言 水，作为生命之源与城市发展的核心要素，其在城市环境中的行为与管理是现代城市规划、建设与可持续发展中最为关键的议题之一。随着城市化进程的加速和气候变化带来的极端天气事件日益频繁，传统的城市水管理模式已显现出诸多局限性。本书《城市水文与防洪工程：理论、模型与实践》旨在系统、深入地探讨城市水循环的复杂机制，并聚焦于构建韧性、可持续的城市防洪体系。本书不仅涵盖了基础的水文科学原理，更着重于将这些原理应用于复杂的城市化下垫面，结合最新的工程技术与管理策略，为城市水资源规划、防洪减灾和水环境改善提供一套全面的理论框架与实用的操作指南。 --- 第一部分：城市水文过程的基础理论与量化 本部分构建了理解城市水文系统的理论基石，重点剖析了城市化对自然水循环产生的深刻影响。 第一章：城市化对水文循环的改造 城市区域的建设——包括不透水面的大面积增加、河道系统的硬化与截弯取直，以及地下水系统的改变——极大地重塑了区域水文过程。本章详细阐述了这些改造如何影响降雨产流、入渗补给、地表径流的峰现特征以及蒸散发过程的量变与质变。我们将深入分析不透水率与临界坡度如何共同决定地表产流的时空分布，并讨论城市热岛效应如何通过影响蒸散发潜能，间接作用于总径流量的平衡。 第二章：城市降雨与径流的特性分析 理解城市防洪的首要任务是准确刻画输入（降雨）和输出（径流）的特性。本章探讨了城市化区域特有的设计暴雨参数确定方法，包括重现期选择、时程曲线的构建（如分形理论在时空分布上的应用）以及极值洪峰的统计分析。在径流模拟方面，本书详细介绍了如何从流域尺度到小区尺度，对地表径流的形成机制进行精细化建模，特别是针对雨洪过程中的“快响应”特性。 第三章：地下水与城市水文的耦合 城市地区的地下水系统不再是孤立的自然系统，它与城市供排水管网、基础沉降、基坑开挖以及地质构造紧密耦合。本章系统梳理了城市含水层的补给、径流和排泄机制，重点分析了强排涝措施对地下水位动态的干扰，以及高地下水位对城市基础设施（如地铁、隧道和地下管线）的潜在风险。同时，探讨了地下水在城市水循环中的调蓄作用，以及如何通过人工回灌等手段实现地下水的有效利用与保护。 --- 第二部分：城市水文模型与模拟技术 本部分将理论知识转化为可操作的模拟工具，聚焦于先进的水文水动力学模型构建与应用。 第四章：一维/二维水动力学模型：河道与管网 城市防洪的核心在于预测洪水在输水系统中的传播与演进。本章详细介绍了基于浅水方程（Saint-Venant方程）的一维模型在城市主干河道与支流中的应用，并扩展到二维（或一维/二维耦合）模型在城市内涝模拟中的构建与求解方法。内容涵盖了网格划分、边界条件设定、曼宁糙率参数的城市化修正，以及模型校准与验证的标准流程。重点分析了城市中常见的排水管网溢流、倒灌与协同效应的模拟技术。 第五章：基于地块尺度的城市内涝模拟（LID/Sponge City视角） 传统的集中式排水系统难以应对短历时、高强度的降雨。本章引入了基于地块尺度的分布式水文模型（如SWMM模型），用以模拟绿色基础设施（LID）对降雨的削减、滞蓄与渗透效果。详细讲解了如何将透水铺装、雨水花园、下凹式绿地等元素参数化输入模型，量化评估“海绵城市”建设对降低小区和街区淹没风险的实际贡献。 第六章：遥感、GIS与数据驱动的水文分析 现代水文研究高度依赖空间信息技术。本章阐述了地理信息系统（GIS）在流域划分、土地利用变化分析、高程模型（DEM/DSM）提取关键水文参数中的应用。重点介绍了遥感技术（如降雨反演、地表水体提取、土壤湿度监测）如何为实时水文预报提供快速、大范围的数据支持，并探讨了机器学习在提高水文模型预测精度方面的潜力。 --- 第三部分：城市防洪工程与规划实践 本部分从工程实践的角度出发，系统梳理了城市防洪工程的规划布局、设计标准与管理策略。 第七章：城市防洪规划与风险评估 有效的防洪规划是减少生命财产损失的前提。本章阐述了城市防洪规划的层级结构（区域、流域、城市、小区），并详细介绍了洪水风险评估的技术流程，包括危险度（淹没深度、流速）、暴露度（人口、资产）和脆弱性（工程抗力）的量化评估方法。章节内容涵盖了防洪规划中的土地利用管制与洪水风险图（Flood Hazard Mapping）的编制技术。 第八章：传统与新型防洪工程体系构建 本章对比分析了“灰、绿、蓝”相结合的现代城市防洪工程理念。在“灰”色工程方面，详述了城市排涝系统（泵站、箱涵、雨水调蓄构筑物）的优化设计标准与运行调度策略。在“绿”色工程方面，深入探讨了截滞、下渗、蓄留等LID措施的工程尺度设计参数与维护要求。在“蓝”色工程（蓝绿基础设施）方面，论述了如何通过河湖水系连通、滨水空间弹性化设计，提升城市水系统的整体调蓄能力。 第九章：城市防洪的监测、预警与应急管理 现代防洪体系的韧性依赖于快速响应能力。本章聚焦于城市水文监测系统的构建，包括雨量、水位、流量的实时数据采集与传输。重点解析了城市洪水预警系统的技术流程，如预报模型的集成、预警阈值的设定（基于风险等级）以及多部门间的协同联动机制。最后，探讨了极端事件下的应急抢险技术和灾后评估的标准程序。 --- 结语 《城市水文与防洪工程：理论、模型与实践》力求成为连接基础水科学与城市工程应用的桥梁。它不仅是水利、土木、环境等相关专业学生和研究人员的案头工具书，更是城市规划师、防汛抗旱部门管理者在面对气候变化和城市化双重挑战时，实现安全、宜居城市目标的重要参考。本书强调，未来的城市水管理必须从传统的“以排为主”转向“与水共存”，通过科学规划、先进技术和系统管理，构建人水和谐的城市水环境。
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