全球气候变化导致亚洲东部季风区大气水汽含量上升,该区域极端降水事件的频率有上升之势。城市化使得城市下垫面硬化,城区热岛效应增强。气候变化和城市化的综合作用使城市水文特征发生着显著变化,主要表现为城市区域地表产流量增加,内涝积水现象的频率和强度也不断升高。城市区域一旦发生内涝,往往会出现诸多负面的社会经济影响。近年来,如何有效应对暴雨内涝灾害,已成为国内外学者及政府部门密切关注的科学和现实问题。面对我国严峻的内涝防治形势,海绵城市这一新型的雨水管理方式兴起,期望通过保护、恢复生态以及与自然和谐共存等方式实现城市内涝的调控。本研究以上海为例,初步探讨了海绵城市视角下内涝应对的理论与思路,开发并优化了城市暴雨内涝模拟工具,基于情景分析方法分尺度对研究区防治暴雨内涝的海绵城市建设路径进行设计。研究取得的主要成果及结论概述如下:(1)海绵城市视角下暴雨内涝应对的理论与思路:在系统梳理当前城市暴雨内涝研究存在问题基础上,提出了海绵城市治涝研究的关注点主要包括:海绵城市体系的尺度效应和措施衔接,海绵体治涝情景方案设计和定量模拟评估。在此基础上,以上海为例,对海绵城市措施的尺度划分及衔接的实现思路进行了详细设计:城市大尺度聚焦于完善水系空间格局、增强河网排涝能力;城市片区中尺度注重排水管网优化和调蓄设施建设,提升排水调蓄能力,并做好源头控制体系的中尺度规划;街区小尺度进行低影响开发措施体系措施体系的筛选和布局;做好三个尺度上不同措施的衔接,达到最优治涝效果。同时推荐采用情景方案设计与模型模拟的方式实现治涝效果的定量评估与方案优化。(2)城市暴雨内涝情景模拟工具构建:出于对海绵城市方案的治涝效果进行情景模拟与评估的需要,选择适用于内涝模拟的物理模型,开发了一款适用于城市暴雨内涝模拟的工具。论文重点从产流和汇流参数优化入手,对该模型模拟精度进行了提高:提取不透水面率等地表信息并用于产流参数CN值计算,优化后的模拟水深与总雨量更吻合,积水分布也趋于合理;依据用地类型对汇流模块的曼宁系数进行优化,优化后地形及下垫面材质对水动力过程的影响更明显;将模型优化前后模拟结果与实测积水数据进行对比,发现优化后的模拟水量和水深分布精度均有较大提升。(3)城市中尺度致涝要素敏感性分析及内涝应对研究:通过设计敏感性验证方案和模型模拟,对暴雨内涝形成过程中的致涝因素(排水能力和不透水面)进行敏感性检验。由排水能力敏感性探究结果可知,将排水重现期提升至3年和5年时,积水量削减率约在30%~60%之间。由不透水面率敏感性探究结果可知,当不透水面率回到2006年(66%)和2000年(61%)水平时,积水量削减率约在10%~65%之间。排水能力及不透水面率在一定降雨强度范围内也具有较强敏感性。在此基础上,为找到高效且可行的管网重现期和不透水面率配置方案,重新设置了60组排水渗透情景,并进行了情景模拟。由模拟结果可知,当排水重现期达到5年一遇,不透水面率降低10%~15%时,若遭遇2h的100年一遇降雨,可削减40%~50%左右的积水量。参考模拟结果,有针对性的提出了中尺度上提升排水能力的实现手段和下垫面蓄渗能力提升方案。(4)基于海绵城市源头控制措施优化的小尺度应对研究:为实现小尺度与中尺度方案的衔接,论文在上海市中心城区优选出4个区域进行了100年一遇降雨下的案例研究。通过分析研究区特征和常用措施的效果、适用性、造价,筛选出案例研究区适用措施;对各研究区积水状况和控制目标分析后,确定了详细的措施布局方案。经计算分析,案例研究区采用海绵城市源头控制措施后均有潜力将积水控制在150 mm的目标范围内。由于4个研究区域的选择考虑了用地结构的代表性,措施选择时也综合考虑了措施的适用性和多样性,研究案例在上海市中心城区具有较大的推广意义,多样的措施类型形成了上海市中心城区的低影响开发措施体系。