洪涝已经成为国内外城市频发的主要灾害之一,高密度的建成环境和不断变化的自然环境加剧了洪涝灾害对城市造成的负面影响,使城市雨洪问题成为目前研究的焦点。很多国家为应对洪涝灾害已经采取了工程性措施或非工程性措施,但这一问题依旧在加剧。数值计算和模拟方法的发展为城市雨洪研究提供了重要的技术和理论支持,然而,已有的数值模拟方法以水文水动力过程为主,对城市排水系统的拓扑特征和失效机制考虑不足。同时,城市区域内不同基础设施之间存在明显的相互关联性。作为城市重要的基础设施,排水管网系统和道路网络系统服务于不同的城市功能,但是它们在地理空间分布和系统功能上高度相关,且降雨期间两个系统中的流量交换使排水管网和路网系统形成了新的耦合网络系统,这种耦合网络系统具有两个系统中的水力特征和拓扑结构特征,使排水系统中管段超载引起的功能失效在耦合网络中传播,造成耦合系统的级联失效。因此,构建新的模拟方法来探索耦合网络系统中排水系统的失效机制,分析洪涝的形成与发展,并设计相应的雨洪控制措施,对提升城市基础设施的可靠性和韧性,以及城市洪涝灾害的防治有着积极而重要的意义。本文基于城市水文水动力模拟方法及复杂网络的相关理论建立了城市水文水动力-拓扑结构耦合模拟方法,模拟分析了不同降雨条件下管网的动态运行特征,揭示了管网系统的失效规律。通过分析耦合模型中局部组件性能和系统整体性能的关系,深入研究了管网系统失效的原因和机制,识别出导致排水管网运行能力显著下降的关键管段。此外,结合关键管段的分布设计了绿色基础设施、灰色基础设施及集成方案,并量化评估了不同方案对雨洪控制的效果。主要结论如下:（1）结合SWMM模型和复杂网络的相关理论构建了新型的排水管网-路网耦合模型。耦合模型有效兼顾了两个网络系统的拓扑结构和水力属性,形成具有新的拓扑结构的复杂网络。建模过程中,提出了划分子汇水区的改进方法,改进后的方法能够提高管网入流计算的准确度,降低传统方法中的误差。通过与实际监测数据及溢流记录的对比,率定并验证了耦合模型的参数和精度,以确保模型的可靠性。结合复杂网络中最大连通子图的计算方法,实现了耦合模型对管网系统的水力失效和拓扑失效的有效识别。（2）通过分析不同降雨雨型下,排水管网组件性能和系统性能的关系,揭示了排水管网在运行过程中的失效规律。研究结果表明,局部管段的水力失效对排水管网的整体性能有着显著而复杂的影响,整个排水管网的性能取决于一些极易被忽略的关键管段。在大多数管段并没有超载的情况下,关键管段的超载会导致系统连通度的显著下降,从而造成整个排水管网性能的骤降,而这种拓扑失效的发生要远早于管网系统的水力失效。虽然关键管段的失效会造成排水系统性能的显著下降,但整个系统的失效并不会随着超载管段数量的增加而持续恶化。当整个管网的连通性被破坏后,管网系统崩溃为若干子网络,随着超载管段数量的增加,子网络会随之分解为更小的网络结构;而当子网络数量达到一定阈值时,即便超载管段的数量继续增加,子网络数量也不再上升。（3）通过模拟分析不同降雨条件下耦合模型的响应机制,研究结果表明,不同的降雨事件对排水管网连通度的破坏程度不同。当降雨量较大时,短历时高强度降雨对管网系统的影响更为显著,主要原因是造成管网功能上的连通性被严重破坏,大量管段在短时间内迅速超载,致使整个管网直接被分解为一系列不连通的单个管段。长历时降雨中,虽然整个管网在功能上的连通性也会被破坏,但排水系统是被分解为若干子网络,子网络结构能够避免排水系统的性能直接降至最低,这也揭示了短历时降雨对管网影响大且更容易引发洪涝的根本原因。同时,超载管段数量、最大连通子图数量、子网络数量以及淹没比例之间的统计分析表明,对于拓扑结构而言,存在一个阈值表示连通度被破坏的极限,当整个管网的子网络数达到这一阈值时,表明管网的连通度已经降至最低,排水能力也随之降至最低。（4）基于耦合模型提出了关键组件和风险区域的识别方法。关键管段对管网系统的拓扑结构和水力属性都起到重要作用,而由于这些关键管段的物理特征与相邻管段并没有明显的差异,导致难以被识别,正是这些在数量上并不占优势的关键管段,对系统的功能有着显著的影响。此外,通过耦合模型能够识别最大联通子图的微结构,借助不同的微结构可以分别定位到管网系统和路网系统中功能异常的部分,进而服务于不同的雨洪控制目标。微结构的分析结果表明,洪涝的发展和淹没程度与降雨期间耦合模型中局部组件的性能密切相关,不同的组件性能可导致积水程度及分布的差异。（5）耦合模型的提出为雨洪控制措施的实施以及排水管网系统的更新提供了新的思路和途径,针对关键管段的分布设置雨洪控制措施具有可行性。通过设计并模拟多种不同的集成方案,分析绿色与灰色基础设施和排水管网动态运行之间的协同作用。研究结果表明,排水管网自身的动态运行对于雨洪缓解措施的布局有着显著的影响,不合理的布局不仅无法降低洪涝灾害的影响,还可能造成排水管网和控制措施在功能上的冲突,加重管网的运行负荷,致使更严重的灾害风险。而配合关键管段实施的集成方案能够在减少径流,积水等不利影响的同时保障管网系统的可靠性和拓扑结构的稳定性,提高管网的排水能力,从而实现对雨洪灾害风险的综合控制。图80幅,表18个,参考文献204篇