随着全球城市化的迅速发展,城市化过程及其对生态系统的影响已成为地球生物化学过程研究的重要内容。城市化过程引发大量自然景观被改造为人为景观城市内非渗透地表比例增加,地表植被覆盖率降低,进而影响城市生态系统的水循环过程。未来全球的城市规模及人口将持续增大,城市非渗透地表面积将不断增加,城市水循环过程将会发生深刻地影响,其变化趋势以及与城市扩张方式之间的联系已成为目前关注的热点。当前对于城市地区水循环过程的模拟主要集中在对城市绿地以及城市森林的水循环的模拟,对城非渗透地表影响下的下水循环过程影响及生态系统服务的调节潜力的研究,因此,精细化模拟流域生态系统中水循环过程与生态系统服务变化具有重要的理论和现实意义。本研究以南京市九乡河流域为研究区域,利用2000年、2005年、2010年与2015年的非渗透地表空间分布进行了遥感解译,定量化模拟九乡河流域地表径流、蒸散发量、下渗量,探究九乡河流域在2000年至2015年间水循环过程和生态服务功能变化,并在充分考虑各影响因素的基础上,分析城市化过程对九乡河流域水资源生态系统服务功能的影响。在此基础上,通过CA模型模拟了九乡河流域在城市集聚扩张情景及城市分散扩展模式下的扩张结果和结合土壤下渗数据模拟了九乡河流域未来十年间在高强度降雨下地表径流深度的变化,分析各调控策略组合情景下城市扩张过程对城市地表径流的影响,为仙林地区未来的城市规划与发展提供参考意见。论文得出的主要结论如下:(1)本文通过SCS-CN模型、BIOME-BGC模型,及水量平衡公式在充分考虑温度、水分,及城市内非渗透地表比例及土地利用类型变化定量化模拟九乡河流域2000年至2015年间水循环中的各个环节,并研究在15年间九乡河流域各环节的变化幅度。从时间上看,九乡河流域15年间非渗透地表的覆盖会造成年均地表径流显著上升,在15年间上升了 165.31%,而流域内蒸散发量、浅层入渗量及深层入渗量显著降低,15年间下降了18.1%、87.12%及15.38%。从空间上看,九乡河流域内仙林街道区及栖霞变化最为明显,而城市化程度相对较低的汤山街道变化幅度较小。表明流域内水循环各个环节的变化,与城市非渗透地表的扩张呈现出一定的相关性。(2)本研究对2000-2015年4种主要水资源生态系统服务进行计算,并定量化计算九乡河流域水资源生态系统的稳定性。其中的水资源调节功能、支持功能、景观服务功能随时间发生了一定幅度的降低,景观服务功能下降最为明显,下降比例达到18.29%。调节功能下降了 13.12%,支持功能下降了 18.10%。供给功能有所上升,生态系统的周转时间有所下降。从空间上看,城市集中扩张区生态系统服务下降问题最为严重,造成的生态系统服务损失远大于其它区域,地表水供给功能呈现出一定的上升趋势,主要源于城市区域内非渗透地表的增长。从整体上来看快速的城市发展使九乡河流域水资源生态系统的周转时间呈现逐年下降的趋势,15年间下降了 9.88%,削弱了九乡河流域应对水文灾害的能力。(3)本文利用CA模型,考虑研究区目前城市发展速率以及未来城市发展的促进与限制因子的情况下,计算了研究区在不同情景模式下的城市扩张适应性指数,并通过适应性指数计算模拟了研究区2015年至2025年间城市的扩张过程。在未来的10年间,研究区在聚集模式下非渗透地表主要在仙林和栖霞地区扩张;在分散模式下非渗透地表除了在仙林和栖霞地区扩张外,汤山地区也有大量的非渗透地表面积的增加,形成多核化的城市扩张模式。(4)在城市扩张的背景下,本文提出三种城市地表径流优化策略并设置三种调控情景,研究三种不同手段在不同扩张模式下地表径流的优化效果。非渗透地表分布优化的手段在城市集聚扩张模式下调控效率最高,平均每提升1%的分布面积,径流深度可以降低7.68%,渗透地表分布优化的手段在2015年调控效率最高,平均每提升1%的分布面积,径流深度可以降低2.78%,市政排水设施优化的手段在城市分散扩张模式下调控效率最高,平均每提升1%的排水能力,径流深度可以降低1.06%。结合研究区未来城市发展与生态系统保护的需要,提出九乡河流域未来10年的城市发展若以城市集聚扩张为主,城市地表径流的优化手段应以非渗透地表优化为主,辅助以市政设施优化手段。若以城市分散扩张为主,城市地表径流的优化手段应以排水设施优化手段为主,辅以城市非渗透地表优化策略。