城市化作为人类改变地表最深刻、最剧烈的过程之一,使得区域水循环过程发生了较大变化,其中以洪涝灾害与水环境的变化最为显著,对社会经济的持续发展及生态环境的健康均产生了较大影响,因此,研究城市化背景下人类活动对区域水文过程与水环境的影响,是当今一个重要的基础性科学问题。位于太湖流域的阳澄淀泖区既是我国经济发展最为迅速,城市化发展水平最高的区域之一,也属典型的平原河网区,且区域湖泊众多,水面率较大。随着城市化进程的快速推进,建设用地的扩张过程中不透水面的增加、水系的衰减与连通受阻等因素对该区域河网水系和水文过程产生了较为突出的影响。河网水系日趋主干化,调蓄功能下降;汛期河网与湖泊水位居高不下,小水大灾现象突出。而伴随发生的是区域内湖泊与河流水质污染程度也十分严峻。对该区域城市化背景下的水文过程及水环境变化进行研究,是一个理论和实践上都富有意义的课题。本文以太湖流域阳澄淀泖区为研究区域,综合运用GIS、RS技术及数理统计与地统计学方法与技术,围绕着城市化下水文过程与水环境变化这一关键问题,从变化过程与影响机制两方面分析了城市化背景下下垫面与水系结构变化特征,探讨了城市化下降水特征的变化,阐述了水位与水环境的变化规律,揭示了城市化下下垫面与水系结构变化对水文过程及水环境变化的响应机制,为太湖流域防洪减灾与水环境保护提供有益的参考。主要研究内容包括以下几方面:(1)分析了城市化背景下下垫面与河流水系变化特征。①对城市化特征进行分析并采用遥感解译数据详细分析了研究区的下垫面土地利用变化特征,研究发现该区城镇建设用地增加主要以减少水田和水域面积为代价的。对不同分区城市化发展水平进行比较,得出不同地区城市化程度均较高,其中苏州城市化水平最高,常熟与昆山次之,而吴江与太仓平均城市化水平相对较低的结论。②基于基本地形图和电子地图提取了研究区1960s、1980s和2010s年代的三期水系图,并建立河网水系评价体系,1960-1980年代的河网受城镇化影响尚不明显,而1980年代以后的河网受城镇化的影响十分剧烈。1960s-2010s以来河网密度与水面率呈衰减趋势,支流发育系数、河流面积长度比与盒维数呈不同程度下降的趋势,河网随着城市化的发展逐渐主干化;各分区变化来看,50年来研究区各分区河流结构指标既与城市化水平的高低相关又反映出了研究区自身的特点,表现为城市化水平越高,河网密度、主干河流面积长度及河流发育系数下降趋势越明显;而水面率的变化幅度则与不同分区内湖泊面积相关,体现出了研究区湖泊密集,水面率高这一特性。(2)研究了城市化下降水与水位的长序列时空变化特征分析及水位变化的影响机制。基于1962-2011年不同特征时段雨量水位数据,通过趋势分析、突变分析、相关分析等时间序列分析以及GIS与EOF等空间分析对城市化进程中的降水及水位变化特征进行分析。①50年来年降水及汛期降水量呈不明显的增加趋势,而极端降水增加趋势明显。此外,年降水及汛期降水在空间分布上具有一致性,且降水高值中心分布在研究区的城市化水平较高的西南方向,表明城市化水平越高其面临的洪涝风险可能会更大。②研究区各年水位的特征均呈上升趋势,水位特征突变时间均在城市化快速发展初期的1980年代,目前的情势下,越靠近城市的站点水位增加趋势越大,在快速城市化后期城市化水平较高的常熟、昆山和苏州最高水位线性趋势均呈微弱下降趋势,这可能与城市化水平较高的地区其水利工程的调节作用相关。研究区月最低水位在城市化水平较高的地区水位较高,月最高水位城市化发展速度较快的区域其值越大,反之较小;在空间分布上,月最低线性趋势及最高线性趋势呈现出以苏州、常熟和昆山城市化水平较高的区域向四周下降空间分布特征。各等级贡献率变化趋势来看,汛期低等级水位从整体上呈下降趋势,而高等级水位从整体上呈上升趋势,表明极值水位出现的概率增加,洪涝风险加大。③分析水位变化的影响机制。通过对比城市化快速发展前后比较可以发现城市化快速发展前年降水量及汛期降水量与水位最高值的相关关系密切,其对水位的影响更大,从降水和水位等级方面来看,高等级降水日数越多,则其对应水位日数也越多,进而印证了阳澄淀泖地区洪涝受极端降水影响而导致水位最高出现洪涝的事实,且通过降水与水位的响应发现,除降水外,水位的高低也受到其他因素的影响;而受城市化影响,下垫面的变化引起研究区产水量的变化,近年来,产水量呈增加趋势;通过城市人口比例为表征的城市化对水位变化的响应分析发现,城市化快速发展后期城市化因素对平均水位变化产生了显著的影响:河道与湖泊的衰减导致水系容蓄量的减少,更加导致河网水位的上升,进而加大洪涝风险。(3)分析了城市化下水环境变化特征及影响机制。①基于2000-2010年共10个及2010年14个监测断面水质数据,从时空两方面对研究区河流水质状况进行分析探讨。研究区河流水质特征及变化来看,TN和NH3-N在研究区河流水系污染较严重,10年来各污染指标整体呈现增加后减少的趋势,其中极大值均出现在2005-2006年左右;从综合污染浓度指标来看,近10年来,吴江与太仓的水质相对较好且变化幅度较小;常熟、昆山与苏州城市化发展水平相对较高的地区水质相对较差,其水质好转幅度也较大。从地表水质的空间分布来看,通过遥感反演手段进行分析,研究发现阳澄淀泖区呈现出西部与北部城市化水平较高地区水质差于东南部城市化水平相对较低地区,且处于人类活动剧烈区的阳澄湖水质在湖泊水体中较差。②探讨了研究区水质变化的影响因素。从土地利用方式与水质的关系方面,发现距河岸越近的土地利用类型及景观格局对河流水质影响越大,且枯水期较丰水期河流水质受到河岸土地利用及景观格局的影响更大;土地利用类型与不同类型污染指标也存在着相关关系,从水质与社会经济产业关系方面进行分析,发现第二产业越发达,水质越差,而第三产业越发达水质则有好转趋势,也表现出随着城市化的发展,水质先变差后变好的发展趋势。而通过分析各区水位与水质的关系分析发现城市化水平相对较低地区,河道水量越大,水质越好;而城市化水平相对较高地区关系却不是很明显,这是可能是由于城市化程度越高地区河道水质潜在污染源也较严重。③对研究区2000及2010年基于河流健康的水环境状况进行分析评价,结果得出研究区河流健康状况由病态向中等转化,河流健康状况随着城市化发展到一定程度有逐渐好转的趋势。