在全球气候变化及高速城市化进程的背景下,我国城市暴雨洪涝灾害发生的频率越来越高,造成的经济损失和社会影响也越来越严重。近年来,面向城市洪涝灾害风险管理、防洪排涝设施规划建设的科学研究和工程应用广泛展开。其中,以城市水文/水动力模型为基础的建模及模拟技术,因其在规律揭示、模拟预测等方面的优势,已经成为城市洪涝灾害风险管理及基础设施规划建设方面的重要支撑技术。但城市环境中存在着大量的不同类型、具有不同特征的地理要素,即空间异质性,极大地影响到城市雨洪过程建模及模拟。传统方法中,为了降低建模与模拟的复杂度,以及提高模型计算结果与观测结果的吻合性,将大量简化或概化方案用于城市雨洪过程的建模及模拟中。这些简化或概化方案主要体现在,描述现实世界空间异质性特征的输入数据和计算空间异质性特征作用下水流过程的模型结构两方面。由于对现实世界空间异质性特征的组织描述和空间异质性特征影响下的水流运动规律揭示能力的不足,这直接影响分析揭示不同要素对城市雨洪过程的影响和作用机制的能力。本文以影响城市雨洪过程的要素及其空间异质性特征为视角,以要素异质性特征的表达、动力学过程建模及模拟以及地理分析为切入点,对城市雨洪过程建模及模拟过程中的输入数据适配及空间离散、地表与管网水流耦合建模及模拟进行了研究,在此基础上,结合典型城市区域,针对不同要素对城市雨洪过程的影响及其时空特征进行了分析研究。主要研究内容与成果如下:(1)针对顾及要素异质性的城市雨洪过程建模及模拟所涉及的数据适配及空间离散网格生成的复杂性,研究了基于要素的耦合模型数据适配与空间离散方法。首先,在对影响城市雨洪过程的水文要素异质性特征分析基础上,从概念模型和逻辑模型两方面设计了数据适配模型,用于解析、存储及管理顾及要素异质性的城市雨洪过程建模及模拟过程所涉及的,用于表达要素异质性特征的空间数据和属性数据以及其它相关输入数据。其次,从单要素的数据适用性特征到要素之间的拓扑关系以及面向地表与管网水流过程耦合模拟的数据需求,研究了面向空间离散及耦合模拟的数据预处理方法,使得输入数据更好地满足空间离散和耦合模拟的要求。最后,从多要素约束下的非结构三角形网格生成到要素异质性特征与离散网格自动融合方法以及排水系统专题数据自动转换方法,研究了面向耦合模型的地表空间离散网格自动生成及数据格式自动转换方法,使得在充分反映要素异质性的前提下,输入数据能更方便和自动化地转换成模型适配的数据格式。基于不同类型城市区域的应用案例以及在第4、5章研究中的应用表明,在满足对要素异质性特征处理要求的前提下,该方法能提升耦合建模与模拟过程中的数据预处理及空间离散网格生成的能力。(2)针对地表与地下管网水流过程耦合模拟的需求,基于两个主流开源模型SWMM和ANUGA研究了城市地表与管网水流过程双向同步耦合方法。在耦合建模方法原理方面,该方法以两个模型之间每个模拟步中每个水流交换节点的地表/地下水流动态交换方式进行实现。用于地表水流过程模拟的浅水方程方面,采用对连续性方程源项动态修正的方式进行处理;SWMM模型管网水流输运模块方面,以各节点水流出/入流项动态设置及获取的方式实现管网水流交换的出入流过程处理。在模型系统的耦合模拟机制方面,以用于模拟地表水流过程的ANUGA模型为主循环控制,采用ANUGA调用SWMM模型管网水流输运模块的耦合方式。在耦合模拟中,运用了可操作对象式程序化方法,实现了管网系统中支持水流交换的节点及出水口水量的动态交换;还开发了多个功能接口,用于控制操作对象的工作状态,以满足耦合模拟时的不同水流交换情景的需要。以城市典型区域真实降雨事件为案例的实验验证表明,该耦合模型能很好地模拟出地表积水范围,说明基于动力学过程的耦合模拟模型能更为真实的刻画水流的运动状态和积水过程。此外,对不同类型要素异质性的考虑,能更好地分析不同要素类型对雨洪过程的作用和影响。(3)针对城市雨洪过程分析的需要,在本文建模及模拟对要素异质性考虑方面的研究成果上,基于情景分析和时空过程分析方法,结合典型研究区域,定量化研究了不同要素对城市雨洪过程的影响和管网节点运行状态的时空特征。具体来说,设计了基于情景分析的不同要素对地表总径流量及积水的影响研究和基于经验正交函数分析法的管网节点入流及溢流的时空变化特征分析。研究结果表明,研究区域内的排水管网、池塘、人工绿地、建筑物及道路对城市雨洪过程有着复杂的作用机制,部分定量化分析结果提升了基于定性认知城市水文要素对雨洪过程影响及要素之间相互作用机制的不足。在城市雨洪过程精细化模拟已经成为重要研究热点的背景下,为相关研究和工程应用提供了重要的借鉴意义。此外,本文将经验正交函数(EOF)分析方法应用于基于水动力模型的城市雨洪过程模拟结果分析中。基于经验正交函数分析法进行了管网节点入流/溢流时空变化特征分析,结果表明,EOF是揭示管网节点水流运动时空过程规律的有效方法。