水循环作为联系地球系统“地圈-生物圈-大气圈”的纽带,是全球变化研究重点关注的核心问题。受全球变暖的影响,全球水文循环加剧,极端水文事件如洪水、干旱等频发。另一方面,高强度的人类活动加剧了环境变化,导致水生态与环境恶化,严重制约了经济社会的可持续发展。在全球气候变暖背景下,中国北方河流如海河、黄河、淮河等江河的实测径流量和水资源量减少较为明显,未来气候变化将可能进一步增加中国洪涝和干旱灾害发生的概率。此外,大规模水利工程建设改变了流域径流过程,加剧了淮河水污染。在高强度人类活动干扰和气候变化双重影响下,水文过程非线性和时变特性更加显著,难以用单一模型进行准确描述。因此,需充分利用水文统计模型、水文模型、水动力水质模型以及非点源污染模型等优势,准确有效地反映变化环境下流域主要水文及水质要素变化,识别并量化气候变化和人类活动对水文、水质及非点源污染过程的影响,评价非一致性条件下水污染风险。论文结合国家十二五重大水专项课题以及国家重点基础研究发展计划项目(973计划)课题六,选取了污染较严重,受人类活动影响较强烈的淮河流域为主要研究区域,以流域水文学理论为基础,运用水文统计学、系统水文学、流域污染迁移转化机理、水动力学等知识,检测了流域水文环境要素的时空变化规律,识别了影响流域水质变化的人类活动和地形因素;揭示了淮河流域不同空间尺度交互作用下不同土地利用类型对水质变量的影响机制。构建了流域环境水文模型,定量评估了气候变化和人类活动对流域环境水文过程的影响,探讨了未来气候变化对年径流影响的机制。构建非一致性条件下边缘分布模型和时变Copula模型,定量评价了多污染水质变量组合风险。论文的主要研究工作如下:(1)阐述了变化环境下流域环境水文过程及其数值模拟、水污染风险评价研究的必要性;介绍了国内外气候变化及其对文过程影响、流域水质水量耦合模拟、变化环境下环境水文响应、水污染风险等研究进展。(2)以淮河上游王家坝流域为研究对象,对流域水文气象序列分别采用多种趋势和变异诊断技术进行时空变化统计分析,诊断结果表明:降水和径流呈现不显著下降趋势。利用三种变异诊断技术综合分析检测到流域控制站点在1992年左右发生变异,并结合分布式时变增益模型(DTVGM)、SWAT、HBV三个水文模型和弹性系数方法定量分离了气候变化和人类活动对径流影响。利用实测径流和径流数据对18个径流模型和18个径流系数模型进行验证,Schreiber-Holland模型对研究流域径流模拟效果更好。相比于历史时期1960-2010年,未来气候场景下温度和降水呈增加趋势,径流呈现减小趋势。径流变化与降水呈现正相关关系,与温度呈负相关关系,对降水变化更加敏感。对多种温度变化条件下的径流保持不变需要的降水增加量进行了计算,并绘制出了径流保持条件下降水和温度变化等值线图。另外,中心对称点(0,0)附近容易出现数值不稳定现象,径流气候弹性系数通常有较大的变化幅度。未来三个RCP情景下温度上升说明降水增加不足以抵消温度上升对径流的影响,导致径流减小。(3)以高调控的淮河流域为研究对象,采用多种时空统计诊断技术对淮河中上游径流和水质变化进行检测,进一步识别人类活动和自然因素对水质变化的影响。在子流域和缓冲带尺度上检测水质趋势变化情况,揭示水质变化的作用机理。2005-2014年期间流域水质有显著性改善的趋势。在2005-2014、2000s和2010s三个研究时期内,NH3-N和CODMn变量存在微弱适度的正空间自相。在蒙城站和槐店站分别检测到DO和TP的显著性高浓度聚集中心,2010s时期分别在王家坝站和槐店站检测到DO显著性低浓度聚集中心,沙河站分别在整个时期和2010s两个时期检测到CODmn低浓度聚集中心。水温、调控流量和水质负荷与水质负荷呈现显著的相关关系,水质变化因不同站点不同水质指标而异。(4)在淮河流域中上游地区构建基于水文非线性理论基础的流域“水动力-水文-水质”模型,选取2007年为模型参数的率定期,2006和2008年为模型验证期分别对淮河干流和支流的主要监测站点和控制断面的水情过程、水质浓度过程进行模拟和验证。模型模拟效果较好,基本上能反映间控条件下河流水量水质效应。此外,槐店闸和阜阳闸具有改善水质的作用,相反,蚌埠闸调控加剧了下游水质恶化。(5)针对淮河中上游非点源污染较为严重的区域,构建SWAT非点源污染模型,选取2000-2006年和2007-2010年分别作为模型的率定期和验证期。三个流域率定期径流相关系数和NSE值范围为0.75～0.92,验证期范围为0.76～0.88。在率定期和验证期,PBIAS值均在-10%～13%区间内变化。至于率定期和验证期N和TP负荷,R2和NSE值变化范围为0.50～0.75,PBIAS值变化范围较大,在-42.8%～24.2%区间内变化。分析气候变化和土地利用/植被覆盖变化(LUCC)影响的结果表明,径流对气候变化的响应比LUCC更敏感,当气候变化和LUCC同时发生时,影响效果将得到加强。月径流过程受气候变化的显着影响,三个研究流域(蚌埠,鲁台子和王家坝)从8月至11月月径流减少,而12月至2月和4月至6月增加。除王家坝流域4月至6月的TP负荷呈增加趋势外,三个流域8月至11月氮和总磷负荷几乎呈现显著的下降趋势。从流域尺度上来看,气候情景RCP4.5下,蚌埠流域2010s时期氮负荷相对更高。RCP8.5情景下,11月到3月的TP负荷变化相对RCP2.6和RCP4.5情景更大。(6)以淮河中游蚌埠站研究为例,构建Markov概率转移模型,考虑NH3-N和CODmn水质超标下不同的水质起始状态,水质一阶Markov转移概率不同。最大的联合转移概率表明转移趋势依次为劣Ⅴ类、Ⅳ类,Ⅲ类,Ⅱ类,Ⅴ类,Ⅰ类。边缘分布模型和Copula模型参数揭示了 NH3-N和CODMn变量非一致性特性。以时间和土地利用方式为解释变量评估非一致性分布参数,结果表明时间变量在解释分布参数变化时有更好的效果。Frank Copula模型描述变量联合分独立结构较Gumbel-Hougaard和Clayton Copula模型效果更好。时变Copula模型描述变量联合分独立结构较常数Copula模型表现要好。此外,NH3-N和CODMn之间独立性随着时间变化逐渐减弱;当NH3-N和CODMn同时超过V类水水质标准时,同步遭遇水污染风险概率最大;当NHa-N浓度低于V类水水质标准和CODMn浓度低于IV类水水质标准时,异步遭遇水污染风险概率最大。