流域水质恶化已成为当前国内外流域管理所面临的严峻的水问题之一,对全球水安全构成了严重威胁。近年来,水质水量综合管理是解决全球水污染问题的热点议题之一。采用数值模型详细刻画流域环境水文过程对流域水质水量综合管理、水环境改善等具有重要意义。然而,由于强烈的人类活动干扰及气候变化强迫,水文过程固有的非线性和时变等特性愈加显著,难以用单一模型准确描述,需充分利用水文统计模型、水文模型、水动力模型以及水质模型等的优势,以准确有效地描述流域主要的水文及水质要素变化,识别并量化人类活动及气候变化所引发的水文情势变化及潜在的水质问题。论文结合国家水体污染控制与治理科技重大专项“淮河流域水质-水量-水生态联合调度关键技术研究与示范”课题,以流域水文学理论为基础,运用流域污染物迁移转化机理、水动力学、系统水文学等知识,检测了流域水文环境要素的变化,识别了与流域水质变化紧密联系的人类活动影响因子；构建了流域环境水文数值模型；评价了气候变化和人类活动对流域水文水环境过程的影响。并分别选取了中国两大流域淮河流域和新安江流域进行分析研究。论文的主要研究工作包括：(1)探讨了变化环境下流域环境水文过程及其数值模拟研究的必要性；论述了目前国内外流域水循环、环境水文以及流域水质水量耦合模拟,以及变化环境下流域水循环及环境水文学的研究进展。(2)阐述了流域环境水文过程的内在机理及环境变化的作用机制,以及流域环境水文过程数值模拟的研究框架,包括采用多元统计分析的方法评估流域水文环境要素的变化,并识别与其变化联系紧密的人类活动因子；对于高度调控的流域,构建流域水动力—水文—水质耦合模型,并评估了闸坝调控与点源排污等人类活动对流域水文水环境的影响；对非点源污染较为严重的流域,采用Soil and Water Assessment Tool构建流域非点源污染模型,并通过调整系数法将投影得到未来气候情景数据输入构建的模型中,进行流域非点源污染的响应评估。(3)以高度调控的淮河流域为典型研究区,分析了流域水质序列的时空变化趋势,流域水质恶化在1994～2005年间呈逐渐改善的趋势；CODMn和NH3-N浓度具有较强的空间自相关性,但空间结构各异,2000～2005年期间,CODMn的高污染聚集中心与NH3-N中心重合,聚集在付桥、黄桥和贾鲁河站；流域水质变化与点源排污、流量调控、水温以及土地利用变化等因素显著相关。(4)在高度调控的淮河流域中上游地区构建水动力—水文—水质耦合模型,以2007年为模型率定期,2004、2008年为验证期。小时水位、流量、CODMn和NH3-N浓度、CODMn和NH3-N负荷过程模拟的相对误差在±1.80%、±30%、±15%、±50%、±18%和±45%之间,平均相关系数为0.96,0.97,0.61,0.81,0.91和0.67,平均d指数为0.97,0.98,0.91,0.71,0.74和0.56；水位、流量、CODMn和NH3-N负荷的平均Nash-Sutcliffe效率系数为0.87、0.93、0.81和0.33。模型能较好地反映人工调控河流水文水质过程的时空变化。此外,流域水文水环境对人类活动的响应研究表明,阜阳闸、槐店闸和临淮岗具有改善河道水质的作用,在现状点源排污情景下,颍上闸和蚌埠闸现有的调控模式不利于水质改善。颍上闸、蚌埠闸闸坝调控和点源排污对CODMn恶化的贡献率分别为0.56和0.44、0.30和0.70,对NH3-N恶化的贡献率分别为0.40和0.60、0.25和0.75。(5)基于非线性降水—径流—污染物响应方程,定量分析了降水总量、前期影响雨量、下垫面特性以及土壤表层污染源强等因素对坡面水及污染物的运移过程的影响。并识别了坡面污染源对河道水质变化的贡献率。2004、2007和2008年尺度下,坡面污染源对淮河调控河网CODMn和NH3-N浓度的影响系数分别不超过25%和8%。(6)在非点源污染较为严重的新安江流域构建SWAT非点源污染模型,率定期(2001-2007)和验证期(2008～2010)月流量和泥沙负荷过程的平均相对误差的绝对值、相关系数和Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.05、0.95、0.90和0.07、0.84、0.65,总氮和总磷负荷的平均相对误差和相关系数分别为0.04、0.46和0.08、0.73。因此,SWAT模型可用于识别和量化新安江流域的非点源污染负荷,以及评估未来气候变化的效应。歙县和休宁县对流域非点源污染负荷的贡献率高达50%以上。流域内水稻田产污负荷最高,茶园、冬小麦、森林和草地次之。此外,基于21个CMIP5全球气候模式的简单集合平均值,经过调整系数法得到不同情景下的日气象要素,驱动非点源污染模型,结果表明,相比于2000～2010年的基准期而言,RCP4.5和RCP8.5情景下径流和泥沙负荷分别呈增加和减少的趋势,RCP2.6情景下呈先减少后增加的趋势；三种情景下总氮、总磷负荷空间变化差异较大。