本書系統(tǒng)地介紹了洪水風險分析與災害評估的理論、方法的研究進展及應(yīng)用示范情況，主要內(nèi)容包括洪水風險分析與災害評估概論，洪水敏感區(qū)域水文特征分析與預報，復雜邊界和地形上水動力洪水演進數(shù)值計算，洪水災害風險分析理論與方法，洪水災害動態(tài)評估及多級綜合評價方法，洪水風險分析與災害評估應(yīng)用示范系統(tǒng)開發(fā)、集成及應(yīng)用，以及洪水風險分析與災害評估理論和方法應(yīng)用示范。 本書可以作為水文學及水資源、環(huán)境科學、生態(tài)科學、水利工程等專業(yè)領(lǐng)域的科技工作者、工程技術(shù)人員的參考書，也可作為高等院校高年級本科生和研究生的教材。
本書涵蓋了項目組在洪水致災過程的模擬、預報和致災后果的評價理論與方法體系等方面取得的研究成果，可以作為水文學及水資源、環(huán)境科學、生態(tài)科學、水利工程等相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的科技工作者、工程技術(shù)人員的參考書。
洪水是一種低概率、高危害的社會致災因素，尤其是對于高壩大庫和大江大河的堤防工程，一旦洪水爆發(fā)，危害巨大，將會嚴重危害國家公共安全。隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進程的加快，以及社會轉(zhuǎn)向以人為本的發(fā)展模式，這種低概率、高危害的災害風險問題越來越成為人們關(guān)注的重點。洪水的形成是氣象、水文、地質(zhì)、材料、結(jié)構(gòu)以及人類活動等多種因素在不同時間、不同空間尺度上綜合作用的結(jié)果。這些外在致災因子、孕災因子存在不確定性，直接導致了洪災的復雜性，多場耦合因素的作用機制增加了對洪水成災風險識別和調(diào)控的難度。因此，著者在國家973課題、國家重點研發(fā)計劃及國家自然科學基金的資助下，開展了卓有成效的研究工作，在洪水災變系統(tǒng)不確定性分析、洪災全過程模擬、不確定條件下洪水成災機制、洪災風險分析理論及其致災后果評估方法、洪災風險分析與災害評估應(yīng)用示范系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)等若干研究方向?qū)崿F(xiàn)了重要突破和創(chuàng)新，從經(jīng)典洪水災害評估與風險分析方法發(fā)展到多重復雜約束條件下的多維時空尺度評估、分析和決策系統(tǒng)動力學方法，解決了一系列重大科學問題，為項目建立洪水致災過程模擬、預報和致災后果評價理論與方法體系提供了堅實的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用典范。本書是這一研究方向主要工作成果的初步總結(jié)。 本書共7章。第1章簡述洪水風險分析與災害評估的研究背景、洪水災害系統(tǒng)基本特征，以及洪水風險分析與災害評估的目標和任務(wù)，由劉懿、郭俊執(zhí)筆。第2章討論洪水敏感區(qū)域水文特征分析與預報，由郭俊執(zhí)筆。第3章討論復雜邊界和地形上水動力洪水演進數(shù)值計算，由宋利祥執(zhí)筆。第4章討論洪水災害風險分析理論與方法，由鄒強執(zhí)筆。第5章討論洪水災害動態(tài)評估及多級綜合評價方法，由廖力執(zhí)筆。第6章討論洪水風險分析與災害評估應(yīng)用示范系統(tǒng)開發(fā)、集成及應(yīng)用，由劉懿執(zhí)筆。第7章介紹洪水風險分析與災害評估理論和方法應(yīng)用示范，由劉懿執(zhí)筆。全書由劉懿統(tǒng)稿。 中國工程院張勇傳院士在本書的編寫和出版過程中給予了諸多指導、督促和建議；畢勝、張華杰、楊小玲、何耀耀、張煒、潘立武、王玉春、韋春夏、謝田、寧文瑤、周圣杰、徐赫等校友在本書的研究和成書過程中給予了我們大量的支持；舒海潤、王馨瑩、張云康、覃煬揚、鄧振瀚、顧子也等在校研究生參與了本書的資料整理與文稿校訂。在此一并致以衷心的感謝。 本書由十四五國家重點研發(fā)計劃項目粵港澳大灣區(qū)衍生復合災害評估與應(yīng)急避險關(guān)鍵技術(shù)（2021YFC3001000）、十四五國家重點研發(fā)計劃項目流域性大洪水場景推演及預案關(guān)鍵技術(shù)（2022YFC3002704）、十四五國家重點研發(fā)計劃課題項目三水融合流域智慧管理平臺構(gòu)建及應(yīng)用示范（2023YFC3209105）、國家自然科學基金資助項目長江流域水庫群聯(lián)合調(diào)度數(shù)字孿生構(gòu)建方法研究（U2340211）、湖北省自然科學基金面上項目基于區(qū)塊鏈的湖北省小流域防洪數(shù)據(jù)治理技術(shù)研究（2022CFB042）資助。 限于著者水平，書中難免有不妥及錯誤之處，敬請讀者批評、指正。
劉懿，男，1984年生，湖北洪湖人，理學博士，華中科技大學土木與水利工程學院副教授，工程博士生導師，華中科技大學智慧水利技術(shù)中心主任，歐洲地球科學聯(lián)合會（EGU）會員，中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會北斗資源環(huán)境應(yīng)用專委會副秘書長，甘肅省水利廳智慧水利建設(shè)工作推進領(lǐng)導小組專家評議組副組長（2019-2024）。作為技術(shù)骨干主持或參與了20余項國家重點科技開發(fā)與攻關(guān)項目的設(shè)計、論證、組織與開發(fā)集成工作，包括國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家十一五科技支撐計劃、國家十三五重點研發(fā)專項、國家自然科學基金重點項目、青年基金、水利部公益性行業(yè)科研專項項目、中國工程院重點咨詢項目，以及20余項橫向項目。主要從事流域水資源管理、復雜系統(tǒng)分析與建模、城市湖泊生境修復、水動力學數(shù)值模擬、洪災風險分析與災害評估、數(shù)字流域技術(shù)及應(yīng)用、地理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)開發(fā)與集成等方面的研究工作。研究成果、工作業(yè)績受到行業(yè)同行專家廣泛認可和好評，獲2019年*科技進步一等獎、2018年度水力發(fā)電科學技術(shù)一等獎、2017年度湖北省科學進步特等獎、2017年水利部長江水利委員會科學技術(shù)特等獎、中國衛(wèi)星導航定位科學進步二等獎、湖北省優(yōu)秀工程咨詢成果獎三等獎。近年來依托相關(guān)項目研究，已發(fā)表論文40余篇，其中SCI收錄26篇，獲發(fā)明專利51項，多項軟件著作權(quán)。研究成果廣泛應(yīng)用于水旱災害防治、基層防汛預報預警體系、水庫發(fā)電及防洪調(diào)度、徑流預報、流域水資源管理等方面。
第1章 洪水風險分析與災害評估概論/1 1.1 洪水風險分析與災害評估研究背景/1 1.2 洪水災害系統(tǒng)基本特征/2 1.3 洪水風險分析與災害評估的目標和任務(wù)/3第2章 洪水敏感區(qū)域水文特征分析與預報/6 2.1 流域非線性復雜水文系統(tǒng)特性分析/6 2.1.1 基于小波方法的流域徑流變化特性分析/7 2.1.2 多尺度下流域徑流時間序列相關(guān)性分析/13 2.1.3 流域徑流時間序列混沌動力特性分析/15 2.2洪水敏感區(qū)域水文徑流高精度預報/20 2.2.1 基于支持向量回歸的徑流預測模型/21 2.2.2 基于單目標的徑流預測模型參數(shù)率定方法/24 2.2.3 基于多目標的徑流預測模型參數(shù)率定方法/25 2.2.4 概念性流域水文模型參數(shù)多目標優(yōu)化率定/29 2.3 水文預報模型不確定性分析/32 2.3.1 SCEM-UA算法/32 2.3.2 基于formal和informal范式的不確定性分析/34 2.3.3 概念性水文預報模型不確定性分析/35第3章 復雜邊界和地形上水動力洪水演進數(shù)值計算/41 3.1 二維淺水動力學理論/41 3.1.1 三維Navier-Stokes方程/42 3.1.2 二維淺水方程/43 3.2 基于有限體積法的洪水數(shù)值計算模型/47 3.2.1 黎曼問題及近似黎曼求解器/47 3.2.2 梯度限制器/49 3.2.3 高階時間格式/49 3.2.4 摩阻項處理/50 3.2.5 底坡源項處理/51 3.2.6 邊界處理/52 3.2.7 穩(wěn)定性條件/52 3.3 復雜邊界和不規(guī)則地形下網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)/53 3.3.1 網(wǎng)格密集化/54 3.3.2 網(wǎng)格稀疏化/54 3.3.3 網(wǎng)格自適應(yīng)準則/55 3.4 模型驗證/55 3.4.1 過駝峰的波傳播問題/55 3.4.2 具有收縮擴散段的水槽試驗/56 3.4.3 拋物型有阻力河床上的自由水面/58 3.5 實際地形洪水演進數(shù)值模擬/60 3.5.1 廣東省佛山市禪城區(qū)某河道洪水計算/60 3.5.2 湖北省漳河水庫的洪水計算/62 3.5.3 荊江分洪區(qū)的洪水演進計算/64第4章 洪水災害風險分析理論與方法/66 4.1 復雜條件下洪水危險性識別/67 4.1.1 組合權(quán)重模糊聚類迭代模型/68 4.1.2 自適應(yīng)混沌差分進化算法/74 4.2 可變時空尺度下洪災易損性診斷/78 4.2.1 改進灰色關(guān)聯(lián)理想解法/79 4.2.2 基于分形理論的客觀權(quán)重確定/85 4.3 洪水風險綜合評價理論與方法/87 4.3.1 基于屬性區(qū)間識別理論的洪水風險評價/87 4.3.2 基于可變模糊集理論的洪災風險評價/89第5章 洪水災害動態(tài)評估及多級綜合評價方法/94 5.1 洪水災害損失評估原理與方法/94 5.1.1 研究目的及意義/94 5.1.2 洪災損失評估研究內(nèi)容及研究現(xiàn)狀/95 5.1.3 洪災損失評估原理/96 5.1.4 基于GIS的洪災損失評估方法研究/98 5.1.5 基于GIS的損失評估工作流程/102 5.2 基于GIS的洪水災害損失動態(tài)評估模型/103 5.2.1 動態(tài)淹沒分析模型/103 5.2.2 洪災損失計算模型/109 5.2.3 洪災損失動態(tài)評估模型/111 5.3 洪水災情多級綜合評價理論與方法/113 5.3.1 基于模糊聚類迭代的洪水災害評估方法/114 5.3.2 自適應(yīng)差分進化算法及其在模糊聚類中的應(yīng)用/117 5.4 洪水災情多級綜合評價模型/121 5.4.1 基于混沌DE算法和模糊聚類迭代模型的洪水災情多級綜合評價模型/121 5.4.2 基于混沌DE算法和PP多項式函數(shù)的洪災等級評估/125 5.5 洪水洪災損失動態(tài)評估與災情多級綜合評價應(yīng)用實例/133 5.5.1 洪水洪災損失動態(tài)評估應(yīng)用實例/133 5.5.2 洪水災情多級綜合評價應(yīng)用實例/139第6章 洪水風險分析與災害評估應(yīng)用示范系統(tǒng)開發(fā)、集成及應(yīng)用/142 6.1 基于持續(xù)集成方法和面向服務(wù)體系的分布式松耦合系統(tǒng)集成平臺/142 6.1.1 面向服務(wù)的分布式專業(yè)系統(tǒng)/143 6.1.2 分布式系統(tǒng)的持續(xù)集成方法/145 6.1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)/147 6.2 基于統(tǒng)一平臺的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、組織與共享方法/149 6.2.1 流域水資源管理決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一支持平臺需求分析/149 6.2.2 非結(jié)構(gòu)與半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集成中數(shù)據(jù)抽取問題/151 6.2.3 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合中數(shù)據(jù)不一致問題/153 6.2.4 流域水資源管理統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享平臺/154 6.3 基于GIS的開放式?jīng)Q策支持系統(tǒng)交互平臺動態(tài)生成技術(shù)/156 6.3.1 開放式?jīng)Q策支持系統(tǒng)平臺相關(guān)技術(shù)簡介/156 6.3.2 基于GIS的水資源管理空間信息仿真交互技術(shù)/158 6.3.3 基于WPF的動態(tài)生成交互平臺/162 6.4 基于水動力學的水資源管理情景數(shù)值仿真及可視化模擬/163 6.4.1 面向流域水資源管理的空間數(shù)據(jù)挖掘與聚類/163 6.4.2 數(shù)字流域空間信息服務(wù)的組織與二維和三維表達/163第7章 洪水風險分析與災害評估理論和方法應(yīng)用示范/167 7.1 長江荊江分蓄洪區(qū)洪水風險分析與災害評估應(yīng)用示范/167 7.1.1 系統(tǒng)概述/168 7.1.2 洪水來源分析子系統(tǒng)/174 7.1.3 洪水影響分析子系統(tǒng)/179 7.1.4 洪災損失評估子系統(tǒng)/183 7.2 洪水風險圖編制與應(yīng)用平臺/190 7.2.1 系統(tǒng)概述/190 7.2.2 基礎(chǔ)信息管理子系統(tǒng)/190 7.2.3 風險圖管理/193 7.2.4 避洪轉(zhuǎn)移分析/193 7.2.5 應(yīng)急避險決策/201參考文獻/207
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