由于城市化的快速发展,城市范围不断扩大,原有的生态湿地和河道被覆盖,原本具有良好渗透性的地面逐渐被不透水的水泥地替代,在发生强降雨时,地面径流量增大,由于城市排水系统能力有限,排水管道年久失修、老化严重,地面积水不能及时排出,往往造成较严重的内涝灾害,城市洪涝已严重制约社会经济可持续发展。洪水演进规律复杂,如何应对城市洪涝灾害风险成为亟待解决的问题,有效开展城市洪水预报预警研究是水文科学研究中的前沿课题。城市洪水模拟技术是城市防洪减灾的重要手段,能在暴雨事件发生时及时得到其造成的影响,其模拟精度直接关系到防灾减灾的有效性。为了构建准确的城市雨洪模型,研究洪水的形成机制和演进过程,模型的准确性和有效性是需考虑的关键问题。目前大部分城市雨洪模型均存在一定的缺陷,如数据需求高、计算效率低、无法得到洪水时空演进过程等,面对城市洪涝模拟所需的快速及精确的要求,本文构建了基于元胞自动机的城市雨洪模型并进行数据同化,主要研究内容和成果如下:(1)基于元胞自动机建立了城市雨洪模型。从元胞空间、元胞状态、邻域类型、演化规则四方面阐述了如何将其与洪水过程模拟相结合,其中演化规则是模型构建的核心内容,分为产流规则和汇流规则,产流规则需考虑不同下垫面的多种产流因素,本文主要考虑城市区域的下渗、植物截留、雨水口排放等降雨损失,并根据前人的研究成果分别制定了相应的模型;汇流规则结合实际情况计算元胞间的水量交换并考虑流动时间的影响。借助MATLAB计算工具集成城市雨洪元胞自动机模型的各个模块,实现模型的数据输入、产汇流计算、结果输出。(2)CA模型模拟结果与观测数据的同化。通过标准卡尔曼滤波和集合卡尔曼滤波算法阐述数据同化的基本思想,从状态变量、集合大小、误差选择方面探究集合卡尔曼滤波算法与CA模型的结合。综合考虑同化效果以及运算量的问题,设定合理的同化算法参数取值,以求不造成过大计算量的同时尽量提升同化效果。(3)案例研究与分析。利用构建的CA模型以及数据同化方案在济南市主城区进行案例研究。对基于CA的洪水过程模拟结果表明,元胞自动机能够得到研究区域的淹没水深及洪水演进过程,与多个水文站点的实测最大水深相比,模型精度较好,误差在20%左右,证明通过元胞自动机构建城市雨洪模型是可靠的。利用数据同化技术将研究区域多个水文站点的实测水深数据代入到CA模型中后,模型精度有明显提升,模型轨迹发生变化,水深值更加接近观测数据,利用数据同化技术能进一步提高CA模型的模拟效果。综合来说,元胞自动机模型没有水文、水动力模型对数据有很高的限制,主要需求高精度的地形数据,并且建模思路简单,很方便通过计算机技术实现,利用集合卡尔曼滤波技术能进一步提高模型精度,是未来城市洪涝模型的重要发展方向。