流域是一个从源头到河口完整、独立、自成系统的水文单元,同时也是以资源系统开发和综合利用为中心,组织和管理地区经济和国民经济的重要地域单元。我国以流域为单位开展水污染的防治工作始于淮河。作为我国七大江河之一,20世纪80年代以来,随着淮河流域经济快速发展和城市化进程的加快,流域污染日趋严重。在“东部开放、中部崛起”战略的大背景下,淮河流域紧密衔接着东陇海地区和中原经济区等国家层面的重点开发区域,“十二五”期间,流域城市化速度将超过全国平均水平,随着人口的快速增长和经济的迅速发展,将给水质改善带来巨大压力。同时,国家南水北调东线通水工程提出了更高的水质保障需求。流域作为一个开放复杂系统,其城市化与水环境之间客观上存在着极为复杂的交互耦合关系:一方面城市化进程的加快必然会引起流域水环境的变化,这种变化在城市化发展初期可能表现为水环境的恶化,在城市化发展的中后期则表现为水环境质量的改善;另一方面,水环境的变化又可能引起城市化质量和速度发生变化,这种变化表现为当水环境改善时可促进城市化水平的提高和城市化进程的加快,反之当水环境恶化时则限制或遏制城市化的进程。因此,开展淮河流域城市化与水环境之间的耦合与协调关系研究迫在眉睫。本论文在对国内外相关研究进行综述的基础上,解析了淮河流域城市化与水环境耦合的概念,从人口城市化、经济城市化、空间城市化三方面揭示了城市化对水环境的胁迫效应,同时剖析了水环境对城市化的约束效应。然后,运用复杂理论,从自组织理论、协同学理论、耗散结构理论及系统动力学视角分析了淮河流域系统。在剖析流域城市化和水环境的变化历程、分析流域城市化和水环境的现状特征的基础上,分析了城市化快速发展阶段,淮河流域建成区规模的变化。进而,运用相关分析、回归模型,针对淮河流域中上游羽状水系的特点划分子流域,探讨其社会经济发展与水质污染的关系。采用小波分析的方法分析快速城市化进程中,断面水质主要指标周期模式以及时间格局特征。最后,根据流域城市化质量的内涵,构建城市化质量评价指标体系,对淮河流域城市化质量进行综合测度。通过构建淮河流域城市化与水环境系统的耦合度和协调度模型,测度两者的耦合关系,运用探索性空间数据分析方法,对地级市耦合程度和协调程度空间分布格局进行研究,得出以下结论:淮河流域城市化水平低,处于城市化中期快速发展阶段。2000-2010年间,流域市辖区建成区面积共增加了 1522.94km2,面积翻了一番,并表现出明显的阶段性特征。研究时段内,淮河流域市辖区建成区扩展速度指数和扩展强度指数分别为12.25%和0.52,各地级市建成区的扩展速度指数和扩展强度指数间的差异明显。淮河流域高位序城市用地规模不明显,中低位序城市比较发育,建成区用地规模相对均衡,流域城市建成区的用地规模分维值呈现上升趋势,表明淮河流域城市化随着时间的推移,建成区规模间的差异减小,城市用地规模的均衡度不断增加。从淮河流域城市类型来看,中等城市类型较多,而随着时间的变化,中、小城市逐渐向大、中城市类型发展。从淮河流域代表断面水质参数的周期变化来看,水体中pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)及氨氮(NH3-N)具有多尺度变化,包括季节周期变化(0.25～0.5a)、年周期变化(约1.0a)以及年际周期变化(2～5a),其中年周期变化(约1.0a)显著。淮河流域水质周期变化主要受流域降水量、径流量周期变化的影响,而由于人类活动的强烈干扰,水质的周期变化信号变弱。流域水质的长期变化趋势主要取决于流域城市化进程中人类活动的作用。淮河流域总体城市化质量不高,各地级市城市化质量的评价结果差距明显,最高得分是最低得分的2.46倍。评价得分较高的城市零星分布在流域省会城市以及发展基础较好的下游地区,包括郑州、合肥、扬州、淄博;流域中部地区的地市城市化质量较低。同时,淮河流域城市化质量结构不均衡,反映城市化可持续发展水平的绿色城市化方面评价得分最高,而反映城市化发展的公平性的和谐城市化方面的评价得分则较低。流域城市化一水环境系统正处于颉颃阶段,城市化发展方式属于粗放型发展,对环境的负面影响很大。研究时段内淮河流域城市化-水环境系统的整体“功效”与“协同”效应较低,流域处于低度协调耦合阶段。流域内部各城市之间耦合、协调程度存在明显差异。流域各地级市耦合度相似的地区在空间上趋于集中分布,各地级市的协调度存在负的空间自相关关系。