城市老城区排水管网设计标准低,地表不透水面积大,在全球变暖和极端降雨事件增加的背景下,上海中心城区暴雨内涝愈加严重,对城市社会经济安全和居民日常生活造成重大影响。上海市中心城区人口、建筑密集,地表不透水率很高,暴雨时易发生内涝。原静安区是上海市老城区,由于开发早、排水设施老旧、绿地稀少,暴雨时地表更易积水。人类活动的参与使城市地表积水过程更复杂,但目前对城市环境下地表积水的水动力过程研究尚不够深入,雨型结构对城市暴雨内涝的影响研究也涉及不多。低影响开发(Low Impact Development,LID)措施作为一种新型绿色基础设施在减缓城市暴雨内涝方面有显著效果,很多国家和地区都对其进行了理论研究和实践应用,利用情景模拟法研究LID效能最为常见。但关于雨型对LID措施效能的影响研究较少,LID措施对暴雨内涝的减缓程度、雨型对其减缓效果的影响需要进一步深入探讨,上海老城区LID措施的实践研究也比较欠缺。本研究通过收集整理城市暴雨内涝模型相关数据,在城市排水管网、城市实测降雨资料、城市DEM数据、城市土地利用数据的基础上,建立城市二维水动力模型,对城市地表积水过程进行模拟和地表积水时空分布规律进行分析,并以绿色屋顶为切入点对LID措施降低城市暴雨内涝的效能进行研究,并以上海市原静安区为例进行实证研究。研究内容和主要成果如下:(1)建立了一种适用于城市环境的二维水动力模型。由于人为活动的干预,城市排水方式除了利用河道等途径,还包括分布于地下的城市排水管网。因此,城市水动力过程涉及地表产汇流、地下管网流、地表漫流三个环节。利用Arc GIS预处理了建模所需的相关基础数据,基于MIKE水文/水力软件构建了地表产汇流、地下管网流、地表漫流共三个相互独立又可自由耦合的城市二维水动力模型,同时建立了模型数据库。模型参数的选取主要参考野外实验观测、相似流域和下垫面条件下参数移植、MIKE用户手册默认值、Arc GIS、相关文献等。通过输入降水数据,对研究区在不同暴雨情景下的地表积水过程进行模拟。结果表明,暴雨时地表产汇流发生,径流量峰现时间稍滞后于暴雨峰现时间,地下管网流峰现时间稍滞后于地表径流量峰现时间,当管网处于饱和状态地表漫流产生,基本符合城市环境下的水动力过程。(2)探讨了雨量峰值位置的不同对城市暴雨地表积水过程的影响。单峰雨型对上海市的内涝影响较大,单峰暴雨中尤以暴雨前期集中型出现频次最高,而暴雨后期集中型较少。但已有研究多在正态雨型(中期集中型)下研究城市暴雨内涝过程,很少涉及不同雨型对城市暴雨内涝的影响。基于构建的二维水文模型,本研究模拟了泊松雨型和正态雨型下共70场暴雨事件的城市地表积水过程,分析两种雨型下地表径流量峰值、地下管网流量峰值及地表积水过程发生时间的差异。结果表明,雨量峰值出现时间的不同影响地表产汇流过程和地下管网流过程,进而使得地表积水发生发展过程存在差异。相同暴雨重现期、暴雨历时下,当雨峰较早出现时,地表产流峰值、管流峰值的出现时间也较早,产流峰值和管流峰值的位置与其所对应的雨型雨量峰值位置一致。泊松雨型下管网排水压力较大,地表积水出现的时间较早,内涝更为严重。(3)研究了现状土地利用下城市暴雨内涝时空分布规律。研究区整体地势较低,绿地和水域占比合计仅有3.99%,地表透水性差,且绿地多与人行道齐高或为上凸地形,区域主要道路地势较低。基于水文模型,分析了70场暴雨情景下研究区地表积水的时空变化特征。结果表明,泊松雨型的同一暴雨重现期下,随着暴雨持续时间的增加,积水深度增加、积水面积扩大;空间上,最先从研究区中部地势低洼区域开始,随着暴雨持续时间的增加,积水区域从中部逐渐向四周地势低洼的主干道上扩散。同一暴雨持续时间下,随着暴雨重现期的增加积水深度增加积水面积扩大,且积水严重的区域大多在城区的主干道两侧或者道路交叉口。正态雨型下,研究区地表积水的深度、面积随时间的变化和空间分布与泊松雨型下相似。(4)定量分析了不同绿色屋顶方案降低城市暴雨内涝风险的差异,并选出最佳方案。结合研究区自然条件、LID措施实施现状及措施可行性,选择绿色屋顶研究LID对暴雨内涝的减缓效果并设计了四种方案。以两种雨型、降雨持续时间为60min的暴雨事件为例对叠加了绿色屋顶措施的地表积水过程进行模拟。与未叠加LID措施的地表积水过程对比,评价四种方案在暴雨情景下缓解城市暴雨内涝的效能。结果表明,四种绿色屋顶方案都能有效降低城市暴雨内涝风险,一般在暴雨强度较小时效能发挥较好。随着暴雨强度的增加,每种LID方案对地表径流量的削减幅度、管网排水压力的缓解、最大积水深度积水总面积的缩减呈显著下降趋势,泊松雨型下的减缓效果相对较好。对各水深区间积水总面积的减缓幅度随着水深增加成上升趋势,随着暴雨重现期的增大呈下降趋势。四种方案中,LID2和LID3方案对城市暴雨内涝的减缓幅度较大且在各种暴雨情景下表现相对稳定。因此,LID方案设计要针对研究区具体的内涝特征进行。