水质恶化是当前国内外流域管理所面临的重要水问题之一,对全球水安全构成了严重挑战。2015年,中国正式发布《水污染防治行动计划》,提出要全面控制工业,农业和城镇污染物排放,深化污染物总量控制。长期以来,点源污染一直是我国水污染治理的重点,而非点源污染至今尚未纳入到水污染总量控制中去,导致中国非点源污染研究相对滞后。检测流域水环境对自然和人为过程的响应关系,评估非点源污染风险的空间分布特征,解析非点源污染的来源以及迁移转化规律,从而合理制定非点源污染物削减措施,是应对日益突出的非点源污染的重要手段。论文选择受人类活动扰动严重的淮河流域为研究区域,以流域环境水文过程为理论依据,运用多元统计、空间分析、模型模拟等研究方法,检测了流域水质要素的时空演变规律及其对土地利用变化的响应关系,分析了流域非点源污染风险的空间分布状况并识别出关键源区,构建流域水质模拟模型并解析了流域内不同源污染物的产生、陆面输移和河道衰减规律。论文的主要研究工作和结论包括:(1)结合当前国内外水污染治理现状阐述了流域环境水文过程研究的重要意义。论述了目前国内外在土地利用变化的水环境效应、非点源污染风险评估以及流域水污染过程模拟的国内外研究现状。(2)阐述了流域环境水文过程的内在机理以及人类活动对流域水环境的影响机制,提出了基于流域空间属性的流域水环境演变特征及其对自然和人类活动过程响应关系的研究思路,并介绍了开展流域水环境研究采用的技术方法。采用Moran’s I指数诊断水质要素的空间自相关性及其具体的自相关模式,聚类分析识别不同水质污染类型的空间分布情况,线性混合效应模型分析水质要素对土地利用的响应关系及其季节和空间尺度依赖性;基于多准则分析方法构建非点源污染风险指数模型以评估研究区内非点源污染风险的空间分布情况并识别关键源区;基于流域空间属性数据,构建大尺度流域水质模拟模型,模拟不同来源污染物在产生、陆面输移和河道衰减过程中的迁移转化规律。(3)基于2005～2010年的水质监测资料分析研究区的水质时空变化状况,分析结果表明,除DO外,其余五项水质指标均表现出显著的正相关性,且主要以“高高”和“低低”局部相关模式为主。所有监测站点水质状况可分为重度、中度和轻度三种污染类型,且其分布具有明显的地域性。土地利用对水质空间变化的影响具有显著的季节和空间尺度依赖性,DO和NH3-N对子流域尺度上的土地利用较为敏感,TP和Fluoride对较小缓冲区尺度上的土地利用响应关系更显著,而COD和BOD对土地利用响应的最佳空间尺度则随季节而变化。在高度城市化地区,COD、HN3-N和Fluoride易在枯水期出现浓度峰值,而在城市化程度较低的地区,COD、TP和NH3-N易在多雨的夏季出现浓度峰值。(4)利用土地利用、土壤侵蚀、径流能力和河道距离等流域属性指标构建非点源污染风险指数模型,分析研究区的非点源污染风险空间分布规律,发现流域西部和南部水系上游源头区普遍具有比较低的污染风险值,平原区各支流水系的污染风险指数整体具有从南至北递减的趋势,同一集水区域内非点源污染风险从河道向两侧有递减趋势。以子流域为识别单元进行污染类型区划分表明,COD、TP和NH3-N的高度和重度污染类型区面积占比分别为37.4%、40.4%和25%,其中高度污染区污染物主要来自农村用地,而重度污染区污染物主要来自农地和农村用地。(5)基于空间属性数据构建流域水质模拟模型,并模拟分析流域内目标污染物的产生、陆面输移和河道衰减整个过程,发现对COD影响显著的污染源为点源和和畜禽养殖源,对TP影响显著的为点源、农业施肥和农村生活源,对NH3-N影响显著的为点源和农业施肥源。非点源COD和TP的陆域迁移过程受到土壤侵蚀、径流能力和河道距离的显著影响,而NH3-N主要受到河道距离和径流能力的显著影响。进一步分析发现,流域内COD、TP和NH3-N浓度超出III类水质标准的河段长度占比分别为63.2%、49.2%和60.5%;绝大多数子流域的COD负荷以畜禽养殖,而不同的区域内子流域TP和NH3-N的负荷组成有所差异;相应地,河道内的污染物通量来源组成也具有明显的地域差异;以流域出口为目标河段,各子流域COD输移比例介于25%～100%,TP为17%～100%,NH3-N为3%～100%,对于同一子流域,其入河污染物随水流输移至下游的能力整体上排序为 COD>TP>NH3-N。