由于大流域水环境影响机制的复杂性,开展流域层面不同时空尺度下河流水环境调查及生态健康影响研究十分必要,也可为流域水环境规划管理提供理论依据。汉江流域是长江第一大支流,自然条件复杂,水资源时空分布不均衡,水利工程众多。20世纪90年代以来,点面源污染排放持续威胁汉江中下游水质健康。南水北调中线工程自2014年起从汉江中游丹江口水库调水,对缓解京津及华北地区水资源短缺、改善受水区生态环境、促进华北地区经济和社会的持续稳定发展具有巨大作用。但南水北调中线工程实施后,汉江中下游水文条件随之发生改变,汉江流域的水体资源自身可利用量大幅度减少,产生一系列水环境问题。为减缓因工程调水可能造成汉江中下游水生态环境的影响,在汉江中下游地区兴建引江济汉工程,以补充汉江下游地区的用水要求,并减缓汉江点面源污染所造成的不良影响。此外,汉江中下游有数条污染严重的支流,也会影响汉江干流水质,调水后不同污染形式对汉江中下游水环境的影响需要明确研究。本论文以汉江中下游为研究对象,明确水利工程实施对汉江中下游水文条件的改变及水利工程实施后汉江中下游水环境的时空变异情况;针对受水利工程和重污染支流影响的汉江典型河段,分析影响水环境的主要水质指标及污染类型,并针对典型水质指标对汉江中下游流域生态系统健康进行评价;明确汉江内源污染对水质的影响,全面了解汉江中下游水环境时空变异特性,并提出控制流量进行水质管理及污染物调控的具体措施。主要研究内容和结果包括以下几个方面:(1)南水北调中线工程运行后,汉江中下游流量和水位明显降低。通过收集2010年1月至2018年12月来汉江中下游水文及自然环境资料,基于IHA(Index of Hydrologic Alteration)指标体系的变化范围法(Range of Variability Approach,RVA)对比南水北调中线工程运行前后汉江中下游水文条件的变化,并利用Mann-Kendall趋势检验分析水文站点径流的变化趋势,明确水利工程实施对流域水文条件的影响。结果发现:南水北调中线工程后汉江中下游的月平均及年平均流量和水位均有明显降低;汉江中下游流量及水位在高阈值条件(上四分位数)频率降低,而在低阈值条件(下四分位数)的频率明显升高;其中南水北调中线工程运行第一年(2014-2015年)变化趋势最为明显,2016年以后水利工程调控趋于稳定,汉江中下游流量及水文指标较2014年有所上升;汉江下游虽有引江济汉工程补给流量,但流量水位下降趋势仍十分明显。(2)调水运行后汉江中下游水质时空差异性大,农业面源污染和城市有机污染是影响汉江水质的主要污染形式。针对汉江中下游流域,分析水质指标的时空变化情况,并应用因子分析识别影响流域水质的主要污染因子及污染类型,探讨监测变量间的关联性;应用聚类分析确定汉江具体采样点的污染类型,分析不同采样点所受污染形式的时空变异性。结果发现:汉江水质呈现明显的季节性变化,旱季(每年11月至次月3月)水质较差,其中汉江下游的污染较上游严重的多,旱季部分点位营养盐指标(总氮(TN)和总磷(TP))甚至可能劣于V类水标准,雨季(每年5-10月)采样点位的水质则有明显改善;农业面源污染与有机污染是影响汉江水质的主要污染形式,且旱湿季的变化会影响汉江中下游水质的污染类型的变化。旱季时,汉江水质受有机污染与营养化面源污染的双重影响;湿季时,随降雨及流量增加,面源污染成为主要的污染方式,由于流量与水质呈现负相关,湿季水质反而比旱季时好。流量的变化严重影响汉江中下游的水质情况,南水北调工程与引江济汉工程在旱季对汉江中下游水质影响较大,流量Q<500 m3/s时,汉江上游有机污染超出Ⅲ类水上限值3.5倍,下游为中等富营养化水平,污染严重;雨季时Q>800 m3/s,有机污染与富营养化污染极大缓解,均在Ⅲ类水范围内。(3)水利工程及污染严重的支流不但是干流典型污染物的重要来源,也会影响水体的水化学循环,特定条件下可能造成水体污染甚至引发水华。利用最大最小自相关因子分析法(Min/Max Autocorrelation Factor Analysis,MAFA)及动态因子分析法(Dynamic Factor Analysis,DFA)针对两个污染严重的支流(唐白河及汉北河)及引江济汉工程汇入汉江处,确定代表这三个区域水质变化的主要水质指标及两条支流及引江济汉工程对汉江干流的影响方式。MAFA结果说明叶绿素a(Chl-a)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)(定义为藻类数量)可作为代表唐白河-汉江交汇处及汉北河-汉江交汇处(人口密集区)干流水质的主要水质指标。TN、硝酸盐(NO3-)、COD和磷酸盐(PO43-)(定义为营养盐形态)可作为代表引江济汉工程-汉江交汇处(面源污染区)干流水质的主要水质指标。DFA结果表明唐白河-汉江交汇区域及引江济汉工程-汉江交汇区域汉江干流城市排放大量生活污水进入汉江,唐白河和汉北河携带大量农业面源污染物进入汉江,影响汉江水质;有机污染促使有机氮向无机氮转化,并进一步促进汉江下游藻类生长。此外,流量变化会显著影响营养盐、有机污染及藻类浓度。分析不同流量条件下流量与水质指标的关系,发现低流量条件下(Q<700 m3/s)时水质指标浓度变化剧烈,平均浓度总体普遍较高。这是由于南水北调中线工程的调水需求限制了丹江口水库下泄至汉江干流的流量,且引江济汉工程引入汉江的流量也较低。可通过增大两个水利工程引入汉江的流量将汉江中下游的流量调控至Q>700 m3/s改善水质;中等流量时(700<Q<1100 m3/s),流量与部分营养盐及藻类浓度成正相关关系。中等流量多处于降雨集中时期(3月、4月及6月),降雨会导致地表径流增大,携带大量营养盐进入汉江水体,促进藻类生长,导致Chl-a浓度增大,可通过增大引江济汉工程引入汉江的流量来改善水质。(4)优化的普通克里格-指示克里格方法(IK-OK)可以兼顾极端值对下游水质的影响,更好的描述典型水质指标的浓度空间分布。利用普通克里格(Ordinary Kriging,OK)、指示克里格(Indicator Kriging,IK)及 IK-OK 方法对汉江中下游三个典型水质指标(Chl-a、TN和TP)进行插值分析,并评价其污染现状。结果发现:汉江中下游流域下游段Chl-a浓度较上中游段明显增大,且TN和TP浓度也有所增加,说明河流下游段富营养化水平高,水质较差。克里格插值结果表示无污染及轻污染区域主要分布在丹江口水库-钟祥段。重度污染河段主要分布在引江济汉工程下游段,该河段较上游河段水质明显变差。由于雨水冲刷作用,雨季(5月)农业面源污染排入河流的比例增大,整体污染比旱季更为严重,水质也较旱季差。TP相比TN更能促进Chl-a浓度的升高,并可能引发水华现象。普通克里格和指示克里格插值对水质指标的污染等级评价分别有其优点和局限性,本研究通过优化后的普通克里格-指示克里格插值法评价污染物的污染等级,评价结果可兼顾指示克里格与普通克里格的优点,既针对不同阈值条件下污染等级混乱交叉的情况进行了优化,更精确分析水质指标的时空变化情况,也兼顾一些极端的高值进行评价。优化普通克里格-指示克里格法可更有效分析和判断汉江流域水华预防,并提出规划意见。(5)底泥对氮磷的吸收过程很快,而解析过程相对缓慢,且扰动和底泥磷浓度明显影响底泥氮磷释放过程。分析汉江干流仙桃段和通顺河水质及底泥样品,结果发现通顺河水质指标和底泥中氮磷含量明显比汉江干流的浓度高。汉江干流仙桃段及通顺河各河段采样点底泥中的重金属浓度的高低顺序均为:Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg,且所有的重金属元素都明显超过其相应背景值。根据Hankanson生态危害系数,评价通顺河底泥中重金属潜在的生态危害,由强至弱的顺序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Zn,其中Cd和Hg的高污染情况可能由人为排放导致。通过对不同底泥样品吸附解析特征分析,发现底泥对磷的吸附随溶液中磷浓度提高而增加,通顺河底泥磷吸附随浓度增加呈L型变化。Elovich方程对各采样点底泥对磷的吸附动力学拟合效果最好,底泥对磷的吸附过程可分为快速吸附和慢速吸附两个阶段。快速吸附阶段在开始至4小时内,4小时内底泥对磷的吸附量达到总吸附量的80%-90%。在考虑底泥中TP浓度和扰动强度下,拟合不同条件下的磷释放过程,得到方程(Psed=(-0.048POsedP0sed×D1/3-0.012)× lnt+1.1 × P0sed),说明底泥磷扩散不仅和时间有关,且与扰动强度和该河段底泥TP背景值有关。相比扰动强度,底泥TP浓度对底泥磷释放的影响更为明显,随底泥浓度增大,底泥对磷释放的影响呈现指数增强的趋势。对汉江中下游不同时空条件下水环境污染特征的研究,可明确汉江中下游流域不同点源污染和面源污染特性;对典型污染支流和水利工程对汉江干流的影响机制研究,可明确重大水利工程和支流的影响,并了解汉江干流典型污染物的化学循环机制;通过对底泥氮磷释放特性的研究,探明内源污染对汉江干流水质的影响,同时明确汉江中下游的污染特性和水质现状。通过对汉江中下游水环境及水化学循环机制的全面了解,可帮助管理者提出控制不同内外源污染及调控流量以改善汉江中下游水环境的管理措施,为汉江中下游水质规划管理提供理论依据。