高速城市化背景下,城市地区复杂下垫面的扩张和密集而剧烈的人类活动造成了自然水文循环的人为割裂,给城市带来了暴雨洪涝灾害和水资源短缺等水问题。研究城市水文循环对城市化的响应机制是城市化背景下的现实需求,对未来城市规划与城市雨洪管理具有重要意义。本文的研究目的是针对城市化水文要素响应研究中亟待解决的科学问题,结合不同水文要素变异特点,解析地区大尺度的降雨,区域中尺度蒸散发及城市内实验区小尺度径流对城市化的响应关系。本文的主要研究内容和成果如下:（1）采用TRMM 3B43卫星降水数据,基于城市化水平UBRI与局地降雨增强指数LIEP的双变量Moran指数,对海河流域北部地区夏季降雨城市化效应范围进行识别,并探讨了城市化效应同ENSO指数的线性及非线性遥相关关系。结果表明:基于LIEP与URBI双变量Moran指数的LISA聚类结合DEM分割的方法可以较好的分离城市化与地形变化引起的降雨效应,流域内京、津、唐核心城区表现出了显著的干岛效应;城市化效应区内部降雨对城市化水平的响应存在空间差异,整体上城市化降雨增强指数UIEP与城市化呈负相关;城市中心区的降雨变异受ENSO的影响较小,而其周边地区同ENSO的联系增强,城市化降雨增强指数UIEP与Ni?o3.4与SOI在2a尺度均在显著的共振周期。（2）基于考虑人为热影响的SEBS-Urban方法对天津平原区蒸散发量进行计算,采用MOD16产品和城市水耗散框架UWD结合的两步检验法对SEBS-Urban结果合理性进价了评估。基于区域蒸散发计算成果,分析了Budyko方程在城市地区的适用性,评估了现阶段研究区人为热排放对区域水热平衡关系的影响。结果表明:SEBS-Urban模拟结果在研究区内具有合理性,且能反映建成区考虑人为热后的蒸散发变化细节,体现出了蒸散发要素在城市地表能量平衡与二元水循环中的相合性;考虑人为热后,2015～2017年天津平原区总蒸散量增加7.2～8.7%,而建成区增幅达85%～115%;Budyko方程对SEBS-Urban结果的拟合效果较好,但整个区域尺度上,水热耦合参数n未与人为热表现出显著的相关性,在建成区尺度的研究有待进一步探索。（3）分析了城市径流要素对不透水面格局的响应关系,并构建和声算法（HS）与SWMM的耦合模型对实验小区不透水面格局进行优化。对优化布设后的洪峰削减效果,优化布设不透水面的空间特征,以及降雨特征和优化不透水面洪峰削减效果的相关系分别进行了分析。结果表明:仅通过合理的优化布设,试验区出口位置洪峰量相较现状情形,最大削减幅度可达4.01%～35.62%;优化结果中不透水面曲线IAC聚类分析表明,对于量级较小的降水,C型曲线占优（不透水面中游少,两端集中）,而对于较大的降水,D型曲线最优（不透水面在中游相对集中）;流域出口处洪峰值对平均不透水面汇流长度Dimp的LOWESS响应趋势在成峰雨量不大时呈V字型,而大雨量时则近似反相趋势;广义可加模型GAM分析表明,随着雨量的增强,优化不透水面格局在理论上可产生更大的洪峰削减量,但雨型特征RDF的影响不显著。（4）在实验区设置6种不同的建筑密度情景,并为各种情况匹配3种不同排水能力情景,通过CADDIES-Caflood模型模拟的方法,探讨了上述情景在7种降水量级,3种不同峰值比例雨型下的地表水文响应过程。特征积水点统计分析结果表明:在降雨量级相对较小时,积水特征点最大积水深度随着建筑密度的增加而减小,而峰现时间则随之增加;但在降雨量级较大时,趋势则相反。积水特征点处最大积水深和峰现时间的响应趋势受到区域排水能力的显著影响,当排水能力增加时,地表积水与建筑密度发生明显响应关系所对应的雨强区间也整体变大。区域积水特征分析表明:研究区最大积水深分布均值随建筑密度增加而增加,而偏度系数和峰度系数则表现出下降趋势。当重现期较小时（1yr）,建筑密度的增加会使得高等级内涝积水点减少,但当重现期较大时（＞5yr）,则会使得高等级内涝积水点增加。