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城市化过程与水环境生态安全的关系已成为当今生态学的热点和前沿问题。对于城市区域，降雨和土地利用是影响城市水循环和水环境最重要的两个因素。然而，由于快速城市化带来的城市地表非渗透面积比例增加，大大减弱了地表的下渗能力，显著增加了对降雨径流量及其水质的调控难度，从而引起城市内涝和非点源污染等环境问题。尽管到目前为止，国内已经有很多学者对土地利用变化对城市非点源污染的影响进行了研究，但大多集中在大中尺度，缺乏不同尺度上城市土地利用对地表径流量及其水质影响的研究。除此之外，多数研究并没有对模型参数实现本地化，仅利用文献中的参考值进行模拟，使得模拟值与实际值的误差较大。
本研究基于景观生态学格局对过程影响的思想，以北京北护城河为例，利用地表径流水质实测值校准的雨洪管理模型SWMM(StormWaterManagementModel)模拟研究降雨和土地利用对地表径流量及其水质的影响，从而为控制汛期城市不同时段的地表径流量和洪峰流量、减缓城市内涝和减小城市非点源污染提供土地利用类型和格局方面的理论依据和决策建议。主要研究包括以下几点:
1)对SWMM水文模块的参数进行敏感性分析和参数校准。结果表明，当降雨量较小时，地表径流量(Q)对坡面漫流宽度（L）、平均地表坡度(s0)、渗透区域曼宁糙率（n1）、非渗透区域曼宁糙率（n2）、渗透区域洼地贮存深度（hp）、非渗透区域洼地贮存深度(hp)、最大入渗率（fmax）、最小入渗率(fmin）和入渗衰减系数（k）均不敏感，仅对N极敏感;对峰值流量(Qp)和污染物负荷量(P)有影响的参数，按敏感性由大到小依次为N、hq、L、n2和s0。当降雨量较大时，Q对s0、n1、n2和hq均不敏感，对Q有影响的参数，按敏感性由大到小依次为N、k、fmax、fmin、hp和L;Qp对n2和hq不敏感，对Qp有影响的参数，按敏感性由大到小依次为N、L、fmax、k、s0、n1、fmin和hp;P对L、s0、N、n1、n2、hp、hq、fmax、fmin和k均不敏感，只有N对P有影响。
2)利用校准的SWMM分别模拟小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨这6个雨量级下每次降雨事件的研究区7个控制断面以及77个汇水小区的地表径流深度。结果表明，地表径流深度随降雨量的增加呈显著线性增加的趋势。当降雨量在不同量级之间变化时，地表径流深度的变化幅度不尽相同。在不同的降雨事件中，降雨量和地表径流深度随时间的动态变化趋势可能有很大的差异。地表径流深度在某一时刻的值的高低决定于之前1-2h的降雨量，而地表径流深度的总体上升或下降趋势决定于前期累积的降雨量。
3)利用校准的SWMM分别模拟小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨这6个雨量级下21次降雨事件下研究区的7个控制断面以及77个汇水小区地表径流中TN、NO3--N、NH4+-N和TP的总量和浓度。结果表明，地表径流中TN、NH4+-N、NO-3-N和TP总量既随着降雨强度的增加呈显著的对数函数增加趋势，又随着降雨量的增加呈显著的幂函数增加趋势。当降雨量在不同量级之间变化时，地表径流中TN、NH4+-N、NO3--N和TP总量随降雨量的变化趋势不尽相同。地表径流中TN、NH4+-N、NO3--N和TP浓度的总体变化趋势决定于累积降雨量的变化趋势，且它们的变化趋势与累积降雨量的变化趋势刚好相反。
4)研究北护城河周边土地利用对地表径流深度的影响，结果表明，地表径流深度随渗透面积比例的增加显著下降，且变化曲线存在临界阈值。在控制断面尺度和汇水小区尺度上，分别为15-20％和30％。具有土地利用格局OUTLET-IMPERV（即由非渗透区域直接流入出水口）和IMPERV（即由非渗透区域流向渗透区域）的汇水小区产生的地表径流量无显著差异，但它们均显著高于具有土地利用格局PERV（即由渗透区域流向非渗透区域）的汇水小区产生的地表径流量。在暴雨、大暴雨和特大暴雨时，渗透面积比例对地表径流的影响更大;而在小雨和中雨时，土地利用格局对地表径流的影响更大。
5)研究北护城河周边土地利用对地表径流中TN、NO3--N、NH4+-N和TP浓度的影响。结果表明，无论渗透面积比例大或小，当降雨量较小或很大时，地表径流中TN、NH4+-N和NO3--N浓度较高。在控制断面地表径流中TN、NH4+-N、NO3--N和TP浓度均随渗透面积比例增加而变化的曲线存在临界阈值为19％-20％(NO3--N和TP浓度仅在小雨和中雨时)，而汇水小区尺度上，该临界阈值在不同土地利用格局以及不同的降雨量级下不尽相同。