针对极端气象内涝事件引发的城市不同尺度系统灾害问题，研究团队综合搜集气象灾害实测、遥感信息、城市GIS以及BIM模型等多源信息，构建助力城市韧性提升的数字孪生城市新场景应用，提出基于数字孪生模型的多尺度水文灾害仿真技术方案。通过城市模拟仿真计算，为可视化、可诊断、可预测、可决策的城市水文灾害管理平台提供关键技术支撑。

   基于CIM的多尺度城市内涝仿真集成技术方案

极端气候变化背景下，东南沿海地区遭受的潜在洪水灾害风险不容忽视。我们直接利用CIM（City Information Modeling，城市信息模型）沿海城市建筑群模型开展洪水情景仿真，采用新一代无网格计算流体力学方法快速实现亿万级网格划分和高性能并行计算，针对沿海城市建筑群系统开展了海啸冲击情景下水淹过程三维仿真研究，对理想建筑群洪水冲击实验进行了数值模拟方法可靠性和准确性验证。

   建筑群淹水过程仿真和方法验证

相关研究成果目前已被仿真科学类T1级核心期刊《系统仿真学报》正刊录用发表（论文链接：2022年12期34卷2584-2594页）。

在城市建筑群尺度，结合多年气象实测和中尺度气象数值模拟（如WRF)，模拟和预测引发城市内涝的“百年一遇”强台风和暴雨等“黑天鹅”事件，评估城市遭受内涝灾害发生的概率大小与严重程度。然后我们直接基于CIM城市模型底座开展建筑群中洪水传播路径分析，从而为智慧城市灾害应急管理提供技术支撑。

   海啸情景下城市洪水灾害数值模拟

   沿海海浪和风场耦合数值模拟

在建筑园区尺度，我们将CFD仿真技术赋能建筑规划设计。针对新建和老旧城区改造，我们模拟了自然降雨过程，对考虑地形、建筑物、雨水井的模型进行数值模拟和灾害评估，从而为园区排水管网设计提供技术支撑。

   自然降雨和地表径流仿真分析

研究团队直接基于GIS和建筑群模型信息，对大气边界层风驱雨和地表降水全过程进行分析，评估地形/建筑物以及雨水井等排水设施方案影响。通过对雨水径流流向，汇水区域划分进行研究，辅助排水管道设备的选型与调试。     

   风雨作用下的降雨分布

   细长排水渠排水过程仿真

   降雨径流走向

对于屋面虹吸排水以及地表排水基础设施，经常会遇到非标构件与施工变更。基于三维模型的CFD仿真技术可以作为对历史规范和设计经验补充，为复杂结构排水设计提供依据。针对机场、工业厂房等大型屋面建筑，采用三维CFD算法详细分析虹吸雨水系统排水量和管道负压变化情况，验证不同极端降雨情景下排水性能表现，将积水风险尽可能降到最低。

   虹吸排水系统数值模拟

   虹吸排水排水机理研究

   雨水消能井排水过程分析

   雨水消能井极端排水分析

未来研究团队将持续研究基于数字孪生模型的城市水文灾害仿真技术，引进工业领域系统仿真技术，深入结合实际工程设计和运维需求，为市政区域管网内涝和建筑给排水工程应用提供仿真技术支撑。