在全球气候出现变暖的趋势下,干旱对人类生存和社会经济发展造成严重的影响,干旱的发展趋势和成因已经成为学者们研究的重点。中国西北部受气象要素分布不均的影响,成为全球同纬度最干旱的地区之一,干旱缺水问题严重困扰着西北地区经济和社会发展,定量化研究西北地区干旱时空变化特征,并分析其成因,对西北地区干旱防治与减灾具有重要的意义。在干旱加重的趋势背景下,产生了水资源紧缺的现象,而水资源的浪费和污染使水资源紧缺现象更加严重。城镇、农村大量的废水排入河道、地下,不仅造成水资源浪费,还造成地表、地下水污染。如何有效利用废水是缓解西北地区水资源紧缺、减少河流、地下水污染的有效途径。人工湿地技术是一种低成本,适合城镇、农村分散废水处理的工艺。本文针对西北地区自然条件及干旱特点,提出一种田坎式人工湿地结构,可以用于土地资源丰富的地区,不仅可以对污水进行处理,使水资源得到重复利用,同时可以通过构建湿地环境,改善气候,涵养水土。主要研究内容及结果如下:(1)以中国西北地区1960—2018年113个气象站点的降水、气温等数据为基础,采用SPEI指数分析西北地区多尺度下干旱发生的时空变化规律。在干旱时间演变特征分析中,从SPEI-12可以看出,西北地区干湿情况交替出现,且干旱随时间分布较为不均,年SPEI值以-0.155/10a的趋势下降。以SPEI-3分析近60年西北地区四季干旱波动状态,春、夏、秋季SPEI值变化均处于明显下降趋势,且下降速率分别为0.18/10a、0.13/10a、0.16/10a,年干旱指标呈现缓慢下降趋势,说明西北地区干旱情况愈发严重。M-K突变检验显示,西北地区除冬季外均出现较为明显的干旱趋势,且突变点均不一致,2000年左右突变最为明显。在干旱空间分布特征分析中,采用12月尺度的SPEI对西北地区干旱年代空间分布进行分析,从SPEI指数年代变化情况来看,西北地区干旱情况随年际变化而增长,2010s后出现中旱、重旱频率较高。采用3月尺度的SPEI对西北地区季节空间分布特征进行分析,从干旱程度分析,各个季节均处于由“极旱-轻旱”概率不断增加的状态。采用1月尺度的SPEI数据对西北地区干旱频率空间分布特征进行分析,不同干旱程度概率范围相差较大,且高频发生地点不尽相同,也从侧面体现了西北干旱情况的错综复杂。(2)西北地区夏季干旱受季风影响,SPEI夏季指标与东亚夏季风及高原夏季风的倾向率绝对值相近,说明整体发展趋势下高原夏季风的增加与东亚夏季风的减弱对西北干旱起到了促进的作用;对ENSO冷暖事件分别进行统计分析,结果表明2000年前干旱情况与暖事件相关性较大,2000年后冷暖事件对干旱情况均产生较大影响;SOI与干旱有一定相关性,且相关系数较大区域主要分布在研究区域的东南方以及新疆北部,除夏季以外,其余季节均有站点通过了0.05以及0.1的显著性检验;SPEI与MEI存在相似的振荡周期特征,高能量区二者存在3期且大范围在1.5~6a的共振周期,两者反相位变化,说明随着MEI的增加SPEI指数呈下降趋势。(3)提出一种适合西北干旱区的表面流和水平潜流结合的田坎式人工湿地,通过表流和潜流的结合为整个湿地系统提供了好氧厌氧交替的环境,提高了污染物的去除。为验证田坎式人工湿地污染物去除效果,构建了规格相同的传统水平潜流人工湿地,实验结果表明,在田坎式人工湿地中,BOD、TN、TP的平均去除率分别为80.8%、83.5%、80.3%;在传统潜流人工湿地中,BOD、TN、TP的平均去除率分别为60.5%、66.5%、71.2%。与传统潜流人工湿地相比,田坎式人工湿地BOD、TN、TP的去除率分别提高了20.3%、17.0%、9.1%。相较于传统潜流湿地,田坎式人工湿地通过表面流部分的水面复氧和植物根系泌氧,提高了水体中溶解氧的浓度,减少了人工曝气费用,降低了人为因素对湿地运行的干扰,提高了污染物的去除效率。