水资源的短缺和恶化已成为当前国内外亟需解决的问题。土地利用和气候变化及其带来的水环境效应受到各国政府部门和学术界的广泛关注,已成为当前研究水环境变化的前沿和热点。近年来,由于太湖经济发达地区土地利用变化剧烈,加之气候因素的影响,使得水环境问题进一步凸显。因此,深入研究太湖地区未来土地利用和气候变化的水环境效应对于制定流域防洪防涝方案、实施消减营养盐污染物负荷等措施具有十分重要的实际意义。本研究选取太湖上游重要来水支流西苕溪流域作为研究区域,首先应用水文水质模型对研究区域的径流和营养盐输移过程进行了模拟和验证,然后采用气候变化预测模型和土地利用变化预测模型分别对流域未来的气候变化和土地利用变化情景进行了预测,最终将水文水质模型和预测的各情景以单独和共同的方式相结合,从年和月尺度以及不同的径流级别对西苕溪流域未来气候和土地利用变化影响下的径流量和氮磷营养盐负荷的输移规律进行了探索。主要结果如下:(1)通过建立西苕溪流域 HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)模型数据库,并采用差异敏感度分析识别出该模型对径流和氮磷营养盐模拟有重要影响的参数;基于对这些敏感参数的调整,对该区域径流和氮磷营养盐负荷的输移规律进行了模拟。其中,径流过程主要受与地下水和蒸发过程有关的参数影响,包括地下水出流中进入深层地下水的比例(DEEPFR,fraction of groundwater inflow to deep recharge),下土壤层蒸发系数(LZETP,lower zone evapotranspiration parameter)和地下水消退系数(AGWRC,base groundwater recession)。大多数的敏感参数对径流的影响是负相关和非线性的。对营养盐输移有影响的参数主要分为两类,一类是陆面过程的参数,主要影响营养盐成分在地表径流、壤中流和地下水出流过程中的浓度;另一类则是河道过程的参数,主要影响营养盐成分在河道内的输移转化。对氨态氮有影响的敏感参数有地表径流中水质成分的月最大存储量(MON-SQOLIM,monthly values limiting storage of water quality in overland flow)、水质成分在壤中流出流中的月浓度值(MON-IFLW-CONC,monthly concentration of water quality in interflow)、水质成分在地下水中的月浓度值(MON-GRND-CONC monthly concentration of water quality in active groundwater)、20℃下总氨氧化率(KATM20,unit oxidation rate of total ammonia at 20℃)和藻类生长速率(MALGR,maximal unit algal growth rate for phytoplankton);对硝态氮有影响的敏感参数有地表径流中水质成分的月最大存储量、水质成分在壤中流出流中的月浓度值和水质成分在地下水中的月浓度值;对正磷酸盐有影响的敏感参数有地表径流中水质成分的月累积速率(MON-ACCUM,monthly values of accumulation)、水质成分在壤中流出流中的月浓度值、水质成分在地下水中的月浓度值和藻类生长速率。对上述敏感性参数进行校正后,流域总出口(港口站)年径流在校正期(2002-2007)与验证期(2008-2010)的总体偏差分别仅为-2.1%和-15.3%;月径流在校正期和验证期间决定系数R2和效率系数Ens(Nash-Sutcliffe eff-iciency coefficient)在0.76以上;在暴雨的模拟过程中,径流在校正期和验证期决定系数R2和效率系数Ens在0.58以上。模拟的营养盐成分在校正站点(横塘)模拟时期(2009.06-2010.06)的决定系数R2在0.73以上,效率系数Ens在0.65以上;在验证站点(安城大桥)模拟时期(2009.06-2010.06)的决定系数R2在0.58以上,效率系数Ens则在0.53以上。模型的数理统计结果充分说明了HSPF模型在西苕溪流域具有较好的适用性,可用于进一步探索土地利用变化和气候变化对流域径流和氮磷营养盐输出过程影响的研究。(2)通过使用CA-Markov(celluar automata-markov)模型对未来西苕溪流域自然与社会经济因素影响下的土地利用变化进行了预测,并将预测结果与建立的西苕溪流域HSPF模型相结合以研究土地利用变化对径流和营养盐输移过程的影响。预测结果显示:西苕溪流域未来各土地利用类型将发生较大的改变。变化主要集中在林地和耕地的大幅度减少以及建设用地、草地和园地的增加。土地利用变化的水环境效应显示:西苕溪流域土地利用变化将引起流域年径流量增加,与基础时期相比,2020和2030年土地利用变化导致的径流量的多年平均增幅分别为7.6%和10.9%。在月份上,对于径流量输出高的月份,土地利用变化对其的加成比例越大,进一步增加了洪涝灾害事件发生的概率。土地利用变化对暴雨过程的峰值变化影响明显。此外,土地利用变化将使各流量级的径流增加,其中对高流量级径流的增加幅度是最大的。未来西苕溪流域土地利用变化对氮磷营养盐负荷输出的影响主要表现为对硝态氮和氨态氮的消减以及对正磷酸盐的增加,硝态氮和氨态氮的消减主要是由耕地和林地减少引起,而正磷酸盐的增加是由建设用地的扩张所引起。在年尺度上,2020年土地利用与2004年相比,硝态氮多年平均负荷将减少9.7%,到了 2030年将减少13.6%;相应的氨态氮负荷的变化率分别为9.5%和7.8%;正磷酸盐负荷的变化率为1 1.4%和31.1%。并且,土地利用变化引起的氮磷营养盐负荷在月份上的变化差异十分明显,未来在治理污染时可考虑分而治之的策略。此外,土地利用变化对暴雨过程中的峰值营养盐负荷影响同样十分明显。总体上,未来土地利用变化将增加西苕溪流域的径流量,并增加洪水爆发的可能性;导致氮的排放负荷减少,磷的排放负荷增加。(3)通过降尺度处理 CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 multi-model dataset)气候模式下的BCC_CSM1.1模式得到未来西苕溪流域气候情景数据库,并与建立的HSPF模型相结合以研究未来气候变化对流域径流和营养盐输移过程的影响。结果显示:未来西苕溪流域的温度与降雨量同历史时期相比呈逐渐上升的趋势,年均最高温度的变化幅度为0.6-1.0℃,年均最低温度的变化幅度为0.4-0.9℃,年均降雨量的变化幅度为3.2%-1 1.1%。其中,RCP8.5情景下温度上升的幅度最大,同时其对应的降雨量最小,降雨量最充沛的是RCP2.6情景。气候变化将引起流域径流量增加19.5%-27.4%,且主要集中在高流量级部分,径流量在RCP2.6排放情景增加的幅度最大,而在RCP8.5排放情景中增加的幅度最小。未来径流量在月份上的变化趋势与历史时期相似,每年的7月份将产生最大量的流量。在气候变化对营养盐负荷的影响方面,与历史时期相比,西苕溪流域的营养盐负荷(硝态氮,氨态氮和正磷酸盐)在未来时期均呈升高的趋势,而正磷酸盐对气候变化的响应最为激烈,增加幅度为84.2%-142.4%;其次是硝态氮,其增加幅度为23.4%-48.5%;氨态氮的响应相对最弱,其增加幅度为7.8%-29.1%,营养盐负荷之间的变化差异主要是由它们各自的循环过程对温度和降雨有着不同的响应程度引起。在各月份上,硝态氮负荷在未来表现出在峰值排放的5、6和7月份大幅增加,而在其余月份略微增加的现象;未来氨态氮负荷在月份上无太大变化,呈缓慢增加的状态,并且与历史时期的输出规律相似;正磷酸盐负荷在气候变化的影响下表现出明显的季节波动。(4)将土地利用和气候变化情景同时与建立的HSPF模型结合以研究这二者共同作用下西苕溪流域径流和营养盐负荷的输移规律。结果表明,未来气候和土地利用变化共同作用将使得西苕溪流域径流量在各排放情景中均呈增加的趋势,增加的幅度为30.3-38.4%,且在RCP2.6排放情景下增加的比例最大;在RCP8.5排放情景下增加的比例最小。各排放模式之间月径流量差异较小,其变化趋势基本与历史时期相似。此外,汛期径流量增加的幅度十分可观,流域未来可能面临严重洪水威胁。气候和土地利用变化共同作用对流域硝态氮,氨态氮和正磷酸盐输出负荷的增幅差异较大,以正磷酸盐增幅最大,变化幅度为1 14.8%-138.6%;硝态氮次之,变化幅度为18.6%-23.2%;氨态氮增幅最小,变化幅度为8.8%-18.3%。其对营养盐负荷在月份上分布的影响同对径流的影响相似,使其更多的表现出了单独受到气候变化影响时的变化特征。此外,营养盐输出负荷由于主要受到气候变化的影响,其峰值相对于历史时期表现出滞后或者提前的现象。未来气候和土地利用变化对西苕溪流域径流和营养盐负荷的输出表现出了不同的影响力。其中,气候和土地利用变化的共同作用导致流域未来径流量的相对变化是最大的,气候变化所导致的径流量相对变化次之。并且气候和土地利用变化在共同影响流域径流量的过程中,这两种变化相互放大了彼此对于径流量的影响。在流域营养盐负荷输出方面,未来气候变化所导致的营养盐负荷的相对变化量大于单独由土地利用变化所导致的。并且这两种变化在共同影响营养盐负荷的过程中,相互减小了彼此对于营养盐负荷的影响。