近年来，我国经济迅猛发展，城市化进程加快，人民生活水平大幅提高，但同时也带来了生态破坏、环境质量恶化、水资源严重短缺等问题。特别在快速发展的城市化地区表现尤为突出。本文在分析了国内外城市雨洪模型、城市非点源污染、水库水质模型研究进展和存在问题的基础上，主要进行了以下几个方面研究： (1)根据地形地貌、管道、河道汇流情况，进行流域分区离散，建立了模拟快速城市化地区下垫面变化响应的产汇流模型。模型采用kidd经验公式计算洼蓄，Horton方程计算下渗，Van Genuchten-Mualem方程及Penman方程耦合达西定律模拟土壤含水率的恢复过程，采用圣维南方程组描述坡面漫流、河道汇流及管网汇流。分析了城市化水平及空间差异对流域产汇流的影响。 (2)通过分析快速城市化建设中非点源污染存在的问题，根据污染特点不同，首次将快速城市化地区的非点源污染分为通常非点源污染和特殊非点源污染两种类型。特殊非点源污染又分为：城市生活垃圾、建筑垃圾与管道沉积物。对通常非点源污染物的聚积和冲刷规律描述采用指数关系。特殊非点源污染中的生活垃圾的冲刷规律也采用指数关系模拟。建筑垃圾与管道沉积物的冲刷量则参照通用土壤冲蚀公式，建立了冲刷量与降雨总动能及时段最大雨强之间的线性关系。通过与产汇流模型的耦合，建立了快速城市化地区的非点源污染模型，并对不同城市化水平及年降水量条件下非点源污染的变化趋势进行了模拟。 (3)建立了水库三维水动力模型和水质模型，模拟了COD、NH<,3>-N、DO、温度及BOD等水质指标之间的相互转化和迁移规律。分析了不同城市化发展水平、降雨量、区域发展均衡性对水库污染物浓度分布的影响。 (4)针对新增取水口位置的优化问题，以水库三维水质模型、GIS为基础，建立了离散搜索优化模型。在满足供水水质和其他工程技术要求的前提下，对取水口位置、管线布置进行综合优化，使得工程建造费用最少。并利用该方法优化不同发展水平下，取水口的空间位置，分析城市发展对取水口位置的影响。 本文以深圳石岩水库流域为例，模拟计算了不同城市化水平下流域产汇流、非点源污染及水库水质变化情况等。在新增取水口优化问题中，利用水库三维水质模型结合GIS技术，采用离散搜索算法，进行不同城市化水平下的取水口位置和管线走向优化。实例计算表明，所建立的模型和研究方法是正确的，具有应用价值。