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随着城市化进程的加快，城市降雨径流污染已成为城市水环境的主要污染源之一。城市土地利用的空间演变反映了城市的发展过程，也表征了城市资源环境压力特征。定量研究土地利用和城市径流污染负荷变化的响应关系，对城市规划决策及径流污染控制有着重要的意义。论文综合运用元胞自动机模型（CA）、降雨径流管理模型（SWMM），建立基于城市土地利用变化模拟的径流负荷模型（UNRUN）；运用基于Latin采样技术的HSY区域灵敏度分析方法，分别对CA模型、SWMM模型及耦合模型系统UNRUN的参数不确定性进行了深入分析，识别城市径流管理的关键性控制因素。论文基于多维度思想，将城市土地利用变化驱动力划分为微观、中观和宏观三个层次，分别建立各驱动力量化方法，通过驱动力耦合，建立转化规则的数学表达，从而建立基于CA模型的城市土地利用变化模拟模型。以SWMM模型为基础，通过建立土地利用与子集水区间空间映射转换关系，耦合建立了基于土地利用的城市径流污染负荷变化模拟模型。论文进一步将UNRUN模型系统应用于三亚市案例研究，对三亚城市规划区的土地利用变化及径流污染负荷响应进行了实证分析。UNRUN参数联合灵敏性分析结果表明，影响城市径流负荷变化的关键因素有城市边缘地区建设用地空间扩张速度，城市建成区内部非建设用地、城市绿地保留程度以及研究区域非建设用地比例。通过情景分析方法，构建了三亚城市土地利用的规划情景、趋势外推情景和生态优化情景，并运用UNRUN模型模拟和预测2020年三种情景条件下城市用地变化和径流污染负荷响应。预测结果表明了城市扩张影响城市径流负荷变化，但用地变化显著径流负荷变化未必显著，而径流负荷变化与非建设用地面积间存在明显的负相关关系。依据案例研究成果，提出控制研究区域城市径流污染负荷的两大对策：一方面需要控制城市边缘地区建设用地空间扩张速度，保证足够的非建设用地比例；另一方面，需要保护城市建设区内非建设用地、城市绿地不转化，可能的话还可以将部分不透水地表改成为透水地表。