在全球气候变化和快速城市化的大背景下,城市区域降雨特性、下垫面条件和承灾体特征发生显著变化,导致城市洪涝灾害频发,灾害损失加剧,引起社会各界广泛关注。城市洪涝数值模拟是城市洪涝灾害管理的重要技术手段,当前城市洪涝模型主要分为以水文学方法为主和以水动力学方法为主两大类,前者通常难以模拟地表淹没过程,而后者对城市洪涝过程的水文学机制考虑不足。本文在前人研究的基础上,解析了城市水文过程和水动力过程模拟原理,阐述了水文与水动力过程、一二维水动力过程间的耦合机制,研发了城市水文水动力耦合模型。基于城市水文水动力耦合模型分别构建了北京市中心城区城市雨洪模型和乐家花园片区海绵措施评估模型,基于模拟分别开展了城市雨洪风险评估和海绵措施综合评估等研究。主要研究成果如下:(1)阐述了城市水文过程和水动力过程模拟的基本原理,评估了TELEMAC-2D模块的适用性和单纯二维水动力城市雨洪模拟的局限性。提出了基于“自然-社会”二元信息的城市水文响应单元划分方法,在此基础上解析了城市地表产流、社会水循环排水量、地表汇流及绿色基础设施水文过程等的模拟方法;解析了城市水动力过程模拟的基本原理,分别阐述了 EXTRAN模块和TELEMAC-2D模块求解的基本原理,基于算例证实了TELEMAC-2D在城市洪涝淹没模拟中是适用的,基于北京市大红门片区城市雨洪模拟讨论了单纯二维水动力城市雨洪模拟的局限性。(2)解析了模块间结构和过程耦合机制,研发了水文水动力过程耦合的城市雨洪模型。分类梳理了城市水文与水动力过程的耦合机制,提出了城市水文过程与水动力过程的空间耦合方法,确定了城市一、二维水动力过程的时空耦合方法及相应的流量交换计算公式;在解析关键耦合过程的基础上,分析了城市水文和水动力过程耦合计算流程,明确了关键程序的设计思路,开发了模型计算程序,形成了城市水文水动力耦合模型。(3)提出了“城市-街区-设施”多尺度城市雨洪风险评估方法,构建了北京市中心城区城市雨洪模型,评估了北京市中心城区多尺度雨洪风险。考虑城市不同尺度雨洪风险评估的的特点和需求,提出了城市雨洪“城市-街区-设施”多尺度城市雨洪风险评估方法;在城市尺度,基于风险评估指标及其加权综合进行了北京市中心城区雨洪风险区划;在街区尺度,基于模拟得到的淹没水深分析了6种不同重现期设计暴雨情景下的雨洪风险,结果表明,2a、5a、10a、20a、50a和100a共6种重现期设计暴雨情景下,北京市中心城区积水面积分别为47.17、59.87、68.11、83.46、100.93和110.39 km2;在设施尺度,基于模拟得到的淹没设施水流流速和水深,结合人车失稳临界流速公式,评估了 10个代表性积水点行人和车辆的失稳风险。(4)构建了乐家花园片区海绵城市措施评估模型,基于多情景模拟评估了乐家花园片区海绵城市措施的水文响应、成本效益和减涝效果。设置了7种海绵城市情景,分别计算了不同海绵城市情景的全生命期成本;考虑研究区降雨特征和海绵城市建设需求,设置了2a、5a、10a、20a、50a和100a共6种重现期设计暴雨情景和绿色屋顶(GR)、透水铺装(PP)和植草沟(VS)及其组合共7组海绵城市情景,进行系列“降雨-海绵措施”情景组合模拟,系统分析了不同海绵城市情景在不同设计暴雨条件下的水文响应规律;引入成本效益分析方法,以径流峰值减控率和径流总量减控率作为控洪效益指标分别进行海绵措施成本效益分析,结果表明,实施海绵措施的“经济-有效性”随着降雨重现期增加而减小;基于模拟评估了组合海绵措施情景的雨洪淹没减控效果,结果表明,GR+PP+VS海绵城市情景下,2a～100a—遇设计暴雨条件下,乐家花园片区雨洪淹没面积分别减少21.4%、14.7%、6.6%、3.9%、1.7%和1.2%。