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基于模型的城市排水管网积水灾害评价与防治研究

作　者: 王磊
导　师: 周玉文
学　校: 北京工业大学
专　业: 土木工程
关键词: 排水管网 积水灾害 SWMM模型 在线模型 评价系统
分类号: TU992
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 623次
引　用: 3次
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内容摘要


全球气候变化和城市化进程的日益加剧,使得具有排水管网的城市地区屡遭积水灾害的侵袭。城市排水管网积水灾害不同于江河洪水灾害,究其产生原因主要是城市局部极端暴雨在短时间内超过雨水管网设计排除能力所致,而目前我国排水设计方法无法对其进行科学解释。因此,非常有必要对城市排水管网积水灾害的发生演变机理进行系统研究。本论文从排水管网模型理论研究出发,探讨了基于模型的城市排水管网积水灾害评价与防治问题,分别进行了如下研究工作:1)依据系统工程理论,研究了排水管网模型的基本理论,剖析了SWMM模型的基本计算原理,采用微粒群算法进行了多目标优化率定研究,并进行了模型参数灵敏度分析。2)从设计流量计算方法、径流系数、设计重现期(频率)、折减系数、水力计算方法等五个方面将我国排水设计规范与欧美设计规范进行了比较研究,总结了我国排水设计方法中存在的问题。3)提出了评价重点区域的概念,将积水灾害评价限制在四类地区中,构建了排水设计方案积水灾害设计校核与超标评价体系;在模型设计校核原理研究中,提出模型参数与设计条件等价化的处理原则,并对模型设计校核与超设计标准灾害评价的基本流程进行了研究。4)将水力、经济、环境、社会等灾害影响因素综合考量,提出了基于投影寻踪法的排水管网积水灾害综合评价模型,该模型将积水灾害评价划分为灾害分布评价与灾害级别评价两类进行处理,并在实际工程评价中进行了应用。5)对排水管网在线模型的概念进行了阐述,总结了在线水力模型建模方法,实现了美国SWMM模型的在线化升级改造。6)提出了基于排水管网在线水力模型的积水灾害实时预警系统架构,实现了在线模型、综合评价模型、决策模型的有机整合,并开发出了实时预警系统演示原型程序,具有实时雨情水情显示,预警时间、洪灾专题图与洪灾级别的自动发布等功能。7)将软件体间模型耦合概念引入国内,提出了城市暴雨洪水控制多模型耦合系统架构,并对美国SWMM模型与英国LISFLOOD_FD模型的计算引擎进行了耦合化改造,开发了模型耦合主控程序,实现了城市排水一、二维模型耦合计算。8)总结提出了比较完善的基于模型的城市排水管网积水灾害灾害评价与防治体系,并对体系的组成和功能进行了详细分析。论文在进行上述研究过程中,取得了一些创新性成果,将其总结为主要的三点如下:1)提出了基于微粒群算法的模型参数多目标优化率定方法。该方法能够实现高维空间(本文为八维空间)模型参数的优化率定,率定结果兼顾了流量峰值和各时刻流量的误差要求,可以获得满足实际工程要求的结果。2)提出了基于投影寻踪的积水灾害综合评价模型。该模型方法能够整合与积水灾害有关的社会、经济、技术性能等多种影响因素,构建了排水管网设计校核与超标评价体系,实现了城市积水灾害的客观综合评价,较其它评价方法更具有实际操作性。3)提出了排水管网在线水力模型建模方法,并完成了美国SWMM事件模型的在线功能升级改造。构建了以综合评价模型与管网在线模型为核心技术的城市排水管网积水灾害评价与防治体系。该体系将设计层面的评价方法与运行管理层面的实时预警方法整合为一体,形成了排水管网积水灾害数字化迎汛系统架构,为今后实际防灾预警系统的构建提供了技术思路。本论文所取得的研究成果为我国城市积水灾害的防治提供了依据和参考,在今后与实际防灾工作相结合的过程中将会发挥更大的作用。最后,感谢国家自然科学基金(50678009)和国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAJ16B04)对本论文的资助。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章 绪论  14-23
  1.1 问题的提出及研究意义  14-17
  1.2 国内外研究现状  17-20
  1.3 课题研究内容  20-21
  1.4 研究技术路线  21-22
  1.5 研究内容组织结构  22
  1.6 论文的创新点  22-23
第2章 排水管网模型理论  23-29
  2.1 排水管网模型  23-24
  2.2 排水管网模型组成  24-27
    2.2.1 降雨模型  24-25
    2.2.2 产流模型  25
    2.2.3 汇流模型  25-26
    2.2.4 管网水动力模型  26-27
  2.3 排水建模方法  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 SWMM模型原理研究  29-50
  3.1 SWMM模型概述  29
  3.2 SWMM模型计算原理  29-35
    3.2.1 产流模型  29-31
    3.2.2 下渗模型  31-32
    3.2.3 汇流模型  32-33
    3.2.4 管网水动力模型  33-35
  3.3 SWMM模型参数率定及灵敏度分析  35-49
    3.3.1 SWMM模型率定  35-43
    3.3.2 SWMM参数灵敏度分析  43-49
  3.4 本章小结  49-50
第4章 国内外排水设计方法及规范比较研究  50-67
  4.1 排水设计方法  50-51
  4.2 设计规范比较  51-65
    4.2.1 设计流量计算方法  51-55
    4.2.2 径流系数  55-57
    4.2.3 设计重现期（频率）  57-61
    4.2.4 折减系数  61-62
    4.2.5 水力计算方法  62-65
  4.3 本章小结  65-67
第5章 排水管网设计方案校核与超标洪灾评价  67-93
  5.1 排水设计方案评价体系  67-68
  5.2 积水灾害评价对象限定  68-69
  5.3 建模数据整理  69-71
  5.4 模型设计校核原理  71-73
  5.5 模型设计校核标准  73-74
  5.6 模型设计校核步骤  74
  5.7 超设计标准评价  74-75
  5.8 实例一  75-90
    5.8.1 设计校核  77-84
    5.8.2 超标洪灾评价  84-90
  5.9 实例二  90-92
    5.9.1 项目概况  90-91
    5.9.2 设计校核  91-92
  5.10 本章小结  92-93
第6章 排水管网积水灾害综合评价模型  93-116
  6.1 综合评价体系  93-94
  6.2 评价指标体系  94-96
    6.2.1 评价指标筛选  95-96
    6.2.2 评价指标预处理  96
  6.3 综合评价方法  96-99
    6.3.1 评价方法概述  96-99
    6.3.2 综合评价法的选择  99
  6.4 投影寻踪法  99-102
    6.4.1 投影寻踪降维思路  100
    6.4.2 投影寻踪核心技术  100-101
    6.4.3 投影寻踪评价步骤  101-102
  6.5 灾害分布评价  102-110
    6.5.1 评价指标体系  103-104
    6.5.2 灾害评价实施  104
    6.5.3 洪灾评价实例  104-110
  6.6 灾害级别评价  110-114
    6.6.1 评价指标体系  110-111
    6.6.2 级别评价实施  111
    6.6.3 级别评价实例  111-114
  6.7 本章小结  114-116
第7章 排水管网积水灾害实时预警系统研究  116-139
  7.1 预警系统  116-119
    7.1.1 预警系统定义  116-117
    7.1.2 预警系统内容设计  117-118
    7.1.3 预警系统功能  118
    7.1.4 预警系统架构设计  118-119
  7.2 在线模型  119-132
    7.2.1 洪峰运动时间  119-121
    7.2.2 在线模型原理  121-123
    7.2.3 模型在线化改造  123-126
    7.2.4 在线模型验证  126-131
    7.2.5 在线模型建模方法  131-132
  7.3 预警时间  132-133
  7.4 决策模型  133-134
  7.5 预警系统实例  134-138
  7.6 本章小结  138-139
第8章 排水系统模型耦合技术研究  139-149
  8.1 模型耦合原理  139-140
  8.2 模型耦合系统构建  140-142
  8.3 模型耦合实现  142-144
    8.3.1 模型在线化  142-143
    8.3.2 数据交换改造  143
    8.3.3 耦合主控程序设计实现  143-144
  8.4 模型耦合系统实例  144-148
  8.5 本章小结  148-149
第9章 城市排水管网积水灾害评价与防治体系  149-155
  9.1 评价与防治体系  149
  9.2 排水设计方案评价与防治  149-151
    9.2.1 人工设计校核  150-151
    9.2.2 模型设计校核  151
  9.3 实际排水管网评价与防治  151-153
    9.3.1 灾害综合评价  151-152
    9.3.2 灾害实时预警  152-153
  9.4 评价与防治体系未来发展  153
  9.5 本章小结  153-155
第10章 结论  155-158
  10.1 主要成果和结论  155-156
  10.2 研究创新点  156-157
  10.3 研究展望  157-158
参考文献  158-167
攻读博士学位期间发表的学术论文及成果  167-169
致谢  169

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 市政工程 > 排水工程（沟渠工程、下水道工程）
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