Los servicios ecosistémicos acuáticos (WES) están intrínsecamente asociados con el sustento de los residentes urbanos y son frecuentemente interrumpidos por actividades humanas. El uso del suelo y los patrones del paisaje son factores clave que impulsan las alteraciones en los WES. Sin embargo, la investigación existente cuantifica principalmente las influencias de un solo factor y a menudo pasa por alto las interacciones entre estos factores. Este estudio aborda esta brecha empleando un enfoque de acoplamiento de múltiples modelos, integrando la Simulación de Uso del Suelo Generadora de Parche (PLUS), el modelo de Valoración Integrada de Servicios Ecosistémicos y Compensaciones (InVEST) y modelos de Detector Geográfico (GD) junto con varios indicadores para analizar la evolución del uso del suelo, los patrones del paisaje y los WES en el Área de la Gran Bahía desde 2000 hasta 2020, y para simular patrones de cambio espaciotemporales en diferentes escenarios desde 2030 hasta 2050. Además, este estudio examina las interacciones multifactoriales entre el uso del suelo, los patrones del paisaje y los WES. Los resultados indican que (1) la urbanización aumentó de manera constante, lo que llevó a una fragmentación del paisaje intensificada, y el rendimiento hídrico (WY) y el fósforo total (TP) aumentaron de manera constante, mientras que el nitrógeno total (TN) en el agua disminuyó gradualmente; (2) las áreas urbanas ejercieron el impacto más significativo en el WY en el Área de la Gran Bahía, mientras que la densidad de parches (PD) tuvo una influencia más fuerte en el WY, y el índice de diversidad de Shannon (SHDI) tuvo el efecto más pronunciado en el TN y el TP; (3) la interacción entre cualquier par de tipos de uso del suelo o índices de paisaje ejerció un mayor impacto en los WES en comparación con el impacto de factores individuales por separado. La interacción entre áreas urbanas y tierras de cultivo influyó sustancialmente en el WY (q¯ = 0.634) y afectó más fuertemente al TN y al TP en el agua (q¯ = 0.74 y 0.73, respectivamente). El SHDI y la PD tuvieron el impacto más significativo en el WY en el escenario de desarrollo económico (q¯ = 0.19) y exhibieron la mayor influencia en los niveles de TN y TP en el escenario de prioridad ecológica (q¯ = 0.12 y 0.15, respectivamente). Nuestros hallazgos pueden proporcionar apoyo teórico y técnico para la planificación científica integrada de ecosistemas acuáticos regionales y el desarrollo de políticas de uso del suelo integrales en el futuro.