近年来,我国城市暴雨洪涝灾害日益严重,影响人们的生命财产安全,成为城市发展面临的主要问题之一,研究构建城市暴雨洪水模型对城市洪水预警预报和防洪减灾具有重要意义。本文从高精度基础数据获取、复杂流态雨水管网数值计算、精细化城市地表产汇流计算、地上地下耦合计算及地面三维洪水演进模拟等方面进行了深入研究,主要研究成果如下:(1)第二章为了获取高精度的城市下垫面数据,本文提出了基于多核模糊C均值的马尔科夫随机场聚类算法(MKFCM-MRF)。利用高精度的无人机影像采用MKFCM-MRF聚类算法提取城市下垫面地物类型,表明该算法在降噪的同时,保留了边缘信息,提高了下垫面识别的精度。(2)第三章为构建精细化的城市暴雨洪水模型,本文对地表产汇流计算方法及地上地下耦合方式进行研究。首先,提出了以栅格为单元的地表产流计算方法;其次,提出了考虑相邻子汇水区之间水量交换的地表汇流计算方法;最后,在地上地下耦合计算雨水的入流量和溢流量时,提出了采用雨水篦子-雨水井耦合的方式进行计算。构建了精细化的城市暴雨洪水模型。以某研究区域为例,采用该模型对具有代表性的短时强降雨进行洪涝模拟,结果表明精细化的城市暴雨洪水模型具有较高的计算精度。(3)第四章为了计算地下雨水管网的复杂流态,针对Priessmann四点隐式差分格式在急流和跨临界流中适定性的问题,本文对动量方程中的对流加速项进行拆分处理,通过明渠跨临界流的解析解和明满流试验数据进行验证,得到对流加速项中au/ax部分在数值模拟过程中起决定性作用,而aQ/αx对数值模拟结果的影响可忽略不计的结论。(4)第四章对于雨水井在未满管流状态下引起的过水断面突变问题,本文通过对突变控制体进行动量理论和能量理论分析,得出水流流入雨水井则产生回水影响,使上游水位升高,而水流流出雨水井则发生阻塞现象,使上游水位抬的更高,与水工试验结果相吻合;通过水工试验还得出流入雨水井时的能量损失均值为0.106、流出雨水井时的能量损失均值为0.075。(5)第五章是为了给防洪决策者提供直观有效的展示,本文采用光滑粒子动力学基于无网格方法,构建了建筑物影响下三维城市洪水演进模型;采用无人机获取的高精度数据构建倾斜模型,进一步优化基于无网格的城市洪水演进模型,再现了城市暴雨洪水演进的三维真实场景,为城市暴雨洪水监测和防洪减灾提供依据。