为了探究沉积物中矿物分布、还原能力以及非生物还原有机污染物速率之间的关系，选取了两组典型柱状沉积物样品，系统开展了沉积物常量元素与粒径组成、矿物分布及铁赋存状态等地球化学特征分析，定量表征了不同粒径沉积物的供电子能力（electron-donating capacity，EDC），探究了沉积物非生物还原硝基苯的动力学过程.结果表明：不同粒径沉积物中主要矿物不同，伊利石等活性黏土矿物主要富集在黏粒中；黏粒的EDC高于粉粒，且黏粒对硝基苯的非生物还原速率高于粉粒；EDC不仅可以定量表征沉积物的还原能力，而且可作为评估沉积物非生物还原硝基苯能力的指示参数，为预测含水层中硝基苯发生非生物还原的潜力提供理论依据.

探明包气带重非水相液体（dense non-aqueous phase liquids, DNAPLs）自发入渗稳定后受冻融循环作用的再运移规律及机制对季节性冻融区污染场地修复至关重要.选取氯苯作为典型DNAPL，以西藏色季拉山口的粉质黏土为多孔介质，利用分层核磁共振技术定量测试不同入渗时间及冻融循环次数后在土柱垂向空间位置的氯苯含量.研究表明：随着入渗时间的增加，无量纲入渗深度0~0.375范围内氯苯浓度呈下降趋势，0.375~0.750范围内氯苯浓度呈上升趋势.冻结产生的冻结诱导压力驱动入渗稳定后的氯苯向下再运移，但驱动能力有限，不同冻融循环后氯苯浓度变化率最小的为3.51%，最大的不超过24%.自发入渗和冻融循环过程中，毛细力、重力和冻结诱导压力的相互作用控制着氯苯在不同垂向深度的运移和分布.

为阐明浅水湖泊沉积物内源磷季节性波动机制，通过野外采样和室内模拟（控制温度、溶解氧等关键参数）不同季节上覆水环境，结合沉积物磷形态提取与微生物功能基因定量技术，系统揭示了内源磷转化的季节性规律与驱动机制.研究结果表明浅水湖泊内源磷的季节性波动是受上覆水环境驱动的“矿化-溶解-吸收-储存”过程转换：春季以有机磷矿化（ugpQ高表达）促进钙磷溶解（减少70.56 mg/kg），夏季在缺氧背景下表现为铁磷还原溶解（减少108.55 mg/kg）并伴随低亲和力磷转运基因（pit2）升高的释放-吸收，秋季以非生物钙磷溶解（减少70.55 mg/kg）与高亲和力磷转运系统（pst高表达）介导的磷吸收并存；冬季碳-磷裂解酶系统基因（phn高表达）活化促使难降解磷利用.本研究深化了对内源磷波动生物化学耦合机制的理解.

定量评估潜流带水流交换通量对区域水循环过程中物质、能量迁移转化和污染物修复治理等具有重要意义.然而，受河床非均质性及评估计算方法的限制，传统方法难以实现点尺度原位定量监测.本研究提出一种利用自动渗流仪监测评估地下水-地表水交换通量的方法，并开展室内和野外验证试验.结果表明：该方法能精准监测评估地下水补给地表水和地表水补给地下水两种交互模式下的交换通量，试验相对误差均小于3%；仪器插入含水层的深度对通量评估结果影响不显著，表明仪器稳定性强；野外试验中仪器能有效捕获地下水排泄过程的地下水微动态，计算得到交换通量为0.064 8 m/d.本研究为潜流带交换通量评估提供参数与技术支撑.

河流作为人类及其他生物赖以生存的重要自然生态系统，其水质状况直接关系到生态安全与可持续发展.为探究小清河干流水质时空变化特征，基于2019—2022年的水质监测数据，采用综合水质指数法（water quality index，WQI）分析小清河干流水质时空变化特征，并利用绝对主成分-多元线性回归模型解析干流污染物来源及其贡献率.结果表明：2019—2022年小清河干流水质年均WQI值呈现增加趋势，水质等级从“中等”转变为“良好”；水质状况在季节尺度上未呈现显著波动，但丰水期WQI均值相对较低.空间上，小清河干流水质WQI值总体上表现为中游＜上游＜下游，水质较差的区域主要分布在中上游，尤其是干流沿岸建设用地和耕地面积占比较大的地区.源解析结果显示，干流污染物来源较为复杂，主要为工业废水排放源（25.81%）、农业种植活动源（24.92%）、生活污水排放和畜禽养殖源（17.60%）；干流各监测断面的污染物来源组成相似，然而，其污染源的贡献结构存在差异，这种差异与沿岸的土地利用方式及人类活动强度密切相关.研究结果可为小清河流域的污染防控与治理决策提供关键科学依据.

为研究采矿活动影响下的复杂岩溶矿区地表水-地下水相互作用模式.借助水化学及同位素技术、示踪实验、数值模拟等方法，发现天然条件下，地下水以大气降水补给为主，沿分水岭向牛栏江排泄.开采干扰下（1950—2010年），浅层开采对区域地下水流动系统影响有限，仅引起局部水位下降，改变局部径流方向.干扰强化条件下（2010年后）第一时期（2010—2025年）呈现“浅部弱自然循环-深部强人工排泄”的特征，浅部含水层与牛栏江弱连通，深部地下水向巷道排泄；第二时期（2025年后）以持续扩展的降落漏斗为特征，预测往后第5、10、20年的水位下降约64 m、103 m、120 m.综上所述，矿区岩溶地表水-地下水交互受控于矿区岩溶水文地质结构与采矿活动.研究成果可为会泽铅锌矿区制定科学有效的防排水方案提供理论依据.

气候变化导致流域极端水文事件频发，评估CMIP6气候模式（global climate models，GCMs）对降水的模拟能力并预测其未来变化趋势对水文研究至关重要.基于1976—2000年18个GCM及卢氏流域9个站点逐日降水数据，引入考虑时空相关性的改进哈希算法（improved Hashing algorithm，ISHA）优选GCMs，突破传统SHA固定网格划分局限，结合非参数分位数映射法（quantile mapping，QM）误差订正，预测2025—2100年4种SSP情景下降水变化. CNRM-CM6-1-HR、FIO-ESM-2-0、INM-CM5-0和NorESM2-MM表现最优；订正后最大月降水和多年平均降水偏差率由9.09%~16.04%、10.41%~23.12%降至0.27%~2.34%、0.48%~1.89%；未来年均降水相对变化幅度随排放情景升高而增大，在低排放情景下波动为-7.71%~10.50%，而在高排放情景下可达-1.89%~18.02%.本世纪中末期或面临降水增加风险，水资源调控与防洪减灾压力加剧.

为了探究长江中游临江地下水中氮的赋存状态及地表水-地下水补排模式对氮富集的影响，对长江中游18个监测点两年8个季度的水文监测和288组水样分析，系统揭示了长江中游临江地下水中氮的富集特征及不同富集区中江水-潜水-承压水的补排模式的差异性.结果表明，长江中游临江地下水氮的富集差异性较大，研究区识别出高硝、高氨和低氮区3种氮的赋存模式；长江北侧地下水中氮的富集主要受氧化还原电位的调控，而南侧地下水中氮的富集受多种因素共同控制；高硝区主要出现在潜水有氮污染且潜水-承压水-江水均连通、以江水补给为主的承压水中；高氨区主要出现在潜水-承压水-江水间水力联系较弱或地下水向长江排泄为主的承压水中，不受潜水中氮污染的影响，其主要源于地质成因.该研究结果分别揭示了长江中游临江潜水和承压水中不同形态氮的富集特征及其与潜水-承压水-江水的连通性和补排关系之间的联系，为该区域氮的生物地球化学过程及氮来源解析提供了重要的科学依据.

中心网格有限差分法模拟水位与流线是开展众多水文地质工作的基础.为了解决潜水含水层中抽水井处水位模拟误差问题并精确识别流线.本研究基于复势理论，推导了中心网格有限差分法抽水井处水位校正公式，耦合数值模型量化分析了水位校正对流线精度的影响.结果表明，校正公式可显著提升抽水井处水位模拟精度；同时明确了当离散网格尺寸约为井半径的5倍时，无需校正即可同时保证水位与流线的模拟精度.该研究为解决数值模拟中离散化带来的模拟误差提供了理论依据与实用判据.

缺氧微区是多孔介质中重要的氧化还原反应热点区域，但对于其形成与演化机制并不完全清楚.基于自主构建的孔隙网络尺度微流控实验平台，结合微生物膜与溶解氧（dissolved oxygen，DO）原位可视化监测技术，系统研究了营养供给浓度与水动力条件对微生物膜生长及DO时空分布演化的影响机制，并在孔隙尺度下直接观测与解析了缺氧微区的形成与演化过程.微生物膜生长与营养供给浓度并非正相关.仅12.5 mg/L葡萄糖供给浓度搭配0.125水力梯度能使DO空间分布始终呈现“全局富氧-局部缺氧”的格局，从而维持持续性缺氧微区，其余场景仅能形成短暂性缺氧微区.营养供给浓度与水动力条件的协同作用，通过调控DO供给与消耗的动态平衡，主导了持续性缺氧微区的形成与演化.

位于江汉平原的四湖流域是长江中游典型的江-河-湖-田多端元系统，生态环境问题突出，为了精确量化四湖流域内主要水系和地下水的交互速率，分析影响流域内土壤潜育化程度的主要因素.利用SWAT-MODFLOW模型构建四湖流域地表水-地下水耦合模型，围绕模型结果，对四湖流域内地表水和地下水交互速率的时空差异以及冷浸田分布情况进行分析探讨.研究结果表明，耦合模型对径流与地下水的模拟效果较好；长江与地下水交换呈现明显季节性转化，春夏季以江水补给地下水为主，秋冬季则地下水排泄入江；流域内长湖交互强度高于洪湖，总干渠上下游表现出不同的交换模式；土壤潜育化风险区（地下水埋深＜3 m）主要分布于洪湖周边、总干渠沿线及监利市西北部，受降水入渗、地形和土壤利用类型共同影响.本研究为四湖流域水交换过程与土壤渍涝风险提供了定量依据，可为区域水资源管理与生态保护提供科学支撑.

以小型砂质盆地为例，基于二维Tóth模型探究了硝酸盐在多级次地下水流系统中的水文遗留时间特征.随着入渗强度增大，水流系统从单一区域系统、嵌套系统向单一局部水流系统转化，盆地硝酸盐平均水文遗留时间递减，但较长遗留时间（250~500 a）占比始终最大.排泄区硝酸盐浓度受相邻局部水流系统主导，其发育深度越大，水文遗留时间越长.若不削减输入，排泄区硝酸盐浓度经2~8 a稳定后无法下降，立即停输比逐步停输使硝酸盐提前4~6 a恢复本底值.控制地下水硝酸盐污染需优先管控相邻局部水流系统硝酸盐输入，或通过调控补给强度改变局部水流系统的发育深度，但快速削减地下水硝酸盐输入量无法显著改善管控措施对水质改善的滞后性.

为精准识别四湖流域非点源氮磷污染的来源、时空分布特征及关键影响因素，为流域水污染防控提供科学依据，解决当前流域内湖泊水体富营养化突出的问题.以四湖流域为研究区，构建SWAT模型对流域内非点源氮磷污染的时空分布进行模拟.研究表明，该模型对流域内径流、总氮（TN）和总磷（TP）均具有较好的拟合效果；时间上，2010—2018年TN、TP负荷呈先升后降趋势，2016年达峰值，2017—2018年连续下降，年内呈“汛期高、非汛期低”的特征；空间上，氮磷负荷较高的子流域集中于流域中下游，分别为11、24、25、32、33号等子流域，耕地与水域是流域内氮磷产生的主要污染源.四湖流域氮磷污染负荷时空分布受径流、土地利用及降雨综合影响，时间上汛期及空间上湖泊、农业区是防控重点，可通过削减化肥使用、控制水产养殖规模、保护湿地等措施降低污染负荷.

磺胺甲恶唑（sulfamethoxazole，SMX）作为一种广泛使用的抗生素，其在环境中的残留与检出频率持续增加，研究SMX在河流潜流带中的迁移转化行为对保障河流生态健康与水安全至关重要.本研究基于室内模拟实验，探讨了不同水力梯度下，地表水-地下水交互作用对潜流带沉积物中SMX迁移转化规律的影响.结果表明：地表水-地下水交互作用驱动着潜流带环境因子的动态变化，进而引起微生物多样性及群落结构的演替，最终影响SMX的迁移与转化行为.SMX在潜流带中的转化主要经由水解、脱硫化和生物降解途径实现，其主导衰减机制随交互作用时间的延长而转变.其中，变形菌门与厚壁菌门是参与SMX生物降解的优势菌群.此外，水力梯度对SMX的去除效率具有明显影响，在低水力梯度下，较小的水流流速更有利于SMX在沉积物中的滞留与降解，因而表现出更显著的去除效果.

为了探究长江侧向交互带地下水中磷的富集特征与成因机制，以四湖流域内江陵、监利、洪湖3条侧向交互带为研究对象，开展了水化学和磷酸盐氧同位素（δ¹⁸O_p）的分析.结果发现交互带地下水中普遍存在磷的显著富集区，潜水和承压水中富集位置存在差异.水化学分析显示监利断面磷富集主要受有机质矿化驱动，江陵断面与矿物溶解释放关系更为密切，而洪湖断面则受到了二者的共同调控.δ¹⁸O_p证实了微生物磷循环参与诱导铁氧化物表面磷的还原溶解释放对承压水磷富集的重要作用.交互带磷富集的空间分异和主导机制受到水文过程调控，较强的水文过程促进有机质对磷富集的作用并使富集区更靠近长江.

高寒山区是中下游地区的重要水源地，其径流过程受冻土等下垫面条件影响极为复杂. 相较于大尺度流域，小尺度流域更有助于揭示下垫面对水文过程的主导作用；然而，受高寒恶劣环境制约，观测资料稀缺，相关研究仍显不足. 为深入揭示小流域尺度下河道径流水分来源的时空分异规律，以黑河上游葫芦沟流域为例，结合水稳定同位素与水文气象观测，应用MixSIAR模型定量解析了多年冻岩区、多年冻土区和季节冻土区的河道径流组成.结果表明：3月季节冻土区径流以基流为主（98%），其余区域断流；5月，多年冻岩区与多年冻土区径流恢复，均以冰雪融水和积雪融水为主要水分来源，而季节冻土区仍以基流为主（62%）；7月至9月，冰雪融水成为多年冻岩区和多年冻土区主要水分来源，季节冻土区基流仍为主要水分来源（63%以上）.研究表明，气象要素是径流变化的主要驱动因素，而下垫面条件（如冻土分布与含水层特征）对水分来源组成具有关键调控作用. 研究成果深化了对高寒山区小流域水文过程机理的认识，可为寒区水资源管理提供理论依据.