土地利用/土地覆被变化(LUCC)研究是目前全球变化研究的前沿和热点课题。快速城市化导致城市规模不断地扩张,高强度人类活动剧烈改变城市土地利用/土地覆被类型,形成不同于自然地表的“城市第二自然格局”,对城市地表水文过程产生深刻影响。城市LUCC水文响应是体现人类活动对城市水文循环影响的理想研究对象。论文选择位于中国东部平原河网地区的上海中心城区为研究区域,从环境学、生态学及水文学的交叉视角,采用理论与实践结合、定性和定量分析相结合的方法,以城市化地区长时间尺度LUCC特征和演变过程研究为切入点,围绕LUCC导致的水量和水质效应两条主线,探讨了上海中心城区LUCC的环境水文效应,并尝试构建了基于“生态排水”理念的城市化地区土地利用/土地覆被类型的优化策略。论文主要研究结论体现在以下四个方面。(1)上海市中心城区50余年来,主导土地利用类型经历了一个从水域(包含农田)、城市住宅用地和道路广场用地逐步向城市住宅用地、工业用地和绿化用地转化的多变过程,土地利用结构逐渐向均衡状态发展,各土地利用类型的面积差别减小,土地利用结构均质性增强。对小尺度城市汇水域的案例分析表明,随着城市化过程的发展,受人类活动影响,小尺度城市汇水域的LUCC过程存在较大分异,对城市水文过程产生深刻影响。中心城区50余年来水域面积大量减少导致区域生态服务功能显著下降,经济持续发展、城市建设加速与人口增长是主要驱动力。(2)从区域河网水系演变、土壤含水率与持水能力、土壤稳定入渗速率、降雨径流过程等层面深入探讨了LUCC对上海中心城区水文过程的影响机制。研究显示:①受人类活动显著影响,50余年来中心城区LUCC导致大量河道阶段性集中被填没,使得中心城区河流水系分枝比锐减、水系结构破坏、河网水系分维数异常,河道槽蓄容量较50余年前减少超过70%,河网水系调蓄能力削弱加大了区域防洪排涝压力;②土地利用/土地覆被类型与高程对土壤含水率、土壤调蓄降雨径流能力影响显著,有覆被植物土壤含水率绝大部分超过无覆被植物的裸土,低势草坪(下凹式绿地)土壤含水率和调蓄降雨径流的能力均优于高势绿地和普通高程绿地;③土地利用方式、覆被类型和土壤表层结皮是不同类型绿地土壤稳定入渗速率存在显著差异的主要影响因素。④LUCC对中心城区降雨径流过程影响深刻,导致2000年至2003年径流系数有增加趋势。由于土地利用类型差异,在城市LUCC过程中,小尺度城市汇水域的土地利用类型变化存在显著差异,导致汇水域内降雨径流过程的存在较大差异。以绿化覆盖率分别为39.13%和27.36%的对照研究组为例,增加约10%的绿化覆盖率能对削减城市降雨径流总量和延时降雨径流洪峰产生较明显效应。⑤下凹式绿地和多功能水绿复合调蓄系统具有显著的环境水文效应。在适宜土壤稳定入渗速率(5.0×10-7～5.0×10-5m/s),修建适当下凹深度(0.1～0.3 m)、面积比例(10～30%)的下凹式绿地可以基本削减3年一遇设计暴雨重现期,连续1 h降雨产生的地表径流。结合上海市多年降雨特点、区域土壤稳定入渗速率以及城市绿化覆盖率现状的分析显示,在上海中心城区和新城市化区域新建或改建适当比例的下凹式绿地具有理论上的可行性。对设定边界条件的城市多功能水绿复合调蓄系统的雨水径流蓄渗能力计算亦表明其具有良好的环境水文效应。(3)上海中心城区不同土地利用/土地覆被类型的降雨径流非点源污染具有强烈的时空分异特性,TSS和CODCr是降雨径流中的主要污染物质。中心城区降雨径流非点源污染存在明显初期效应,是造成雨后城区地表水体遭受冲击性污染的主要原因。室内外不同土地利用/土地覆被类型削减降雨径流污染物的实验表明,城市绿地具有显著的削减降雨地表径流污染物的效应:①室内有覆被植物和无覆被植物两种条件下,土壤含水层处理系统削减降雨地表径流污染物的实验结果表明,在论文限定的实验边界条件下,高度1 m左右的土壤柱对服务面积1.09～2.75倍于绿地面积汇水域内,在设计暴雨重现期为0.5年、1年、3年和5年,连续降雨1 h条件下形成的低、中和高污染物浓度的城市降雨径流具有良好的削减效应,CODCr、NH3-N和TP总体平均削减率分别达到35.27%、60.12%和65.37%。土地覆被、污染物浓度、土层厚度以及水力停留时间是影响土壤含水层处理系统运行效率的主要因子。②室外覆被植物土地对降雨地表径流污染物的削减实验表明,CODCr、NH3-N和TP平均削减率分别达到52.21%、48.98%和47.35%,较室内有覆被植物土壤含水层处理系统CODCr削减率提高约20%,NH3-N和TP分别下降约10%和16%。由于降雨径流进入绿地后水力停留时间较短,导致CODCr、NH3-N和TP的去除机理主要是渗滤介质的机械过滤与吸附等物理作用,上述物理作用与微生物较弱的降解作用共同造成室外CODCr、NH3-N和TP的削减规律符合一级反应动力学模式,污染物进水浓度对其削减率的影响不显著。降雨强度对污染物削减效率有一定影响,具体表现为小雨和中雨的污染物削减率要高于大雨时。(4)基于德国、美国和日本等城市降雨径流利用和管理经验,从降雨径流“零增长”和径流污染物“减量化”两个角度提出了城市降雨径流“生态排水”理念,强调采取工程性与非工程管理性措施相结合的方法,尽可能增加城市降雨径流就地入渗量、削减径流污染物,以“生态排水”的方式达到维持城市水文过程良性循环的目的。基于城市“生态排水”理念,以优化城市土地利用/土地覆被类型和格局为基础,从削减水量和控制水质两个层面构建了城市“生态排水”的最佳管理措施,通过生态化、非工程强排水型措施促进城市降雨径流生态型排水。尝试构建了以法律法规政策的保障机制、经济杠杆的激励机制、技术手段的运用机制和管理制度的调控机制为主体框架的“生态排水”型城市雨水资源综合利用体系。