上海地区是我国高度城市化区域之一，快速城市化导致的不透水面扩张显著地改变了区域水文环境过程。本文以快速城市化典型区域—上海为例，基于GIS和L-THIA模型，对比分析不透水面和土地利用不同景观分类体系下L-THIA模型模拟结果的差异，在此基础上，从不透水面视角进一步探讨分析近50年来上海地区及其不同水利片区内快速城市化过程导致的城市径流变化和不同水文期响应差异。最后，探讨不同尺度上不透水面与当前重点关注的水环境指标和水系沉积物重金属之间的关系，通过回归模型定量分析不透水面的水环境阈值。为上海地区今后的城市建设、水资源配置、流域污染控制和环境规划管理等提供决策参考。论文主要研究内容和结论如下：（1）长期水文效应L-THIA模型方法学讨论及优化。分别基于不透水面和土地利用两种景观分类体系进行L-THIA模型模拟，对比两种景观分类体系径流模拟结果，并对模型进行适用性检验。结果表明：两种景观分类体系的模拟结果多年平均径流总量相差8.96%，通过调整不透水面景观体系CN值对L-THIA模型进行修正使得模拟结果与实际径流量相对误差为8.90%。两种景观分类体系逐年径流量模拟结果，及不透水面景观体系CN值调整前后逐年径流量模拟结果之间均具有非常显著的线性相关性。（2）基于不透水面变化的长期水文效应模拟及空间分异。分析上海地区1965~2010年不透水面的空间格局变化，基于L-THIA模型分析上海地区及不同水利片区快速城市化导致的城市径流变化，并分析在典型年和干季雨季条件下城市径流对快速城市化的响应差异。结果表明：区域不透水面与径流增长率呈线性关系，12水利片区中9个片区不透水面与径流增长率呈线性关系，研究区域径流量2010年相比1965年增加31.33%，其中在2000~2006年时期内径流增加速度最快，年均增长率达1.73%。在相同的城市化条件下，枯水年径流量随不透水面增长变化最大，平水年次之，丰水年最小。同样，干季相比雨季径流量受不透水面的影响较大。（3）不透水面格局的水环境阈值定量诊断及年际变化。分别以水质监测断面和沉积物采样点为中心的地理缓冲区作为水文单元，在不同空间尺度上通过分段回归模型探讨河流水质和沉积物重金属及其生态风险的不透水面阈值效应。结果表明：不透水面与地表水COD、TN、TP、NH3-N、Phenol、和Oil指标存在阈值效应，DO指标不存在阈值效应，不透水面与水系沉积物重金属之间和与重金属潜在生态风险之间无明显的阈值效应。不透水面与地表水各水质指标之间的阈值效应随缓冲区范围增大越明显，但不透水面与水质的指数模型拟合优度表明随着城市化水平进一步提高，不透水面的阈值效应由明显趋于不明显。另外，上海市河流水系沉积物重金属综合潜在生态风险指数RI平均值为116.54，研究区域重金属生态风险程度整体上为轻度水平。