湖泊是联结地球表层各级系统、各级圈层相互作用的重要纽带,是地球关键带研究的重要内容,是水循环的重要环节和水资源的重要贮存库。随着全球气候变暖及城市化、现代化进程的加快,水资源供需矛盾日益加剧,湖泊水资源短缺和水环境污染等问题日益凸显,尤其是干旱地区,水资源匮乏、生态环境脆弱,湖泊的健康和可持续发展在社会经济建设中的作用尤为突出。旱区湖泊无地表及地下径流与大洋相通,也与其它集水区域无直接水力联系,独特的水循环系统使湖泊对气候变化和人类活动影响具有高度敏感性。旱区湖泊独特的水文学、水文物理学、水化学和水生态学特征,决定了湖泊的演化过程及特征与湿润区有较大的不同,因此,湿润区湖泊研究的相关方法理论体系在干旱区已不完全适用。沙湖是宁夏最大的半咸水湖,旅游产业对湖泊依附度极高,由于气候干旱,水面蒸发强烈,人工补水成为维系沙湖水量平衡和生态环境健康的重要手段。但是,由于缺乏深入系统研究,湖泊水环境现状、水循环特征、补水效果及其对湖泊演化产生的影响等尚不明确,大大地影响了湖泊管理工作的开展。本文以宁夏沙湖为例,开展旱区湖泊水环境及其演化研究,旨在揭示湖泊水循环的内在规律,为旱区湖泊的健康及可持续利用提供科技支撑,为旱区生态建设提供保障。在广泛查阅国内外文献的基础上,依托国家自然科学基金、长安大学优秀博士学位论文培育资助项目等科研项目,结合野外调研和室内分析等手段,对区域水环境现状、沙湖水位动态变化、水盐均衡状况、水化学特征及形成机理、湖泊富营养特征、水循环特征及演化趋势进行了系统深入研究,为旱区湖泊水环境保护及管理提供了科学依据。论文取得了以下创新性成果:(1)阐明了沙湖水环境特征及其演化过程和影响因素。人工补水是沙湖主要补给来源,蒸发是湖水主要排泄途径。沙湖的发展过程分为形成初期、加速咸化期和盐分缓慢上升期三个阶段,湖水化学组分形成受到水岩作用、阳离子交换吸附作用、蒸发浓缩作用和人类活动等多因素影响,湖泊演化与气候条件、地下水环境和人类活动密切相关。(2)首次综合运用水文地球化学、同位素水文学、统计学、模糊数学、随机数学、数值模拟等多种方法及技术,针对旱区湖泊开展了系统地研究,突出了湖泊水环境及演化研究的多学科交叉特色。(3)基于模糊数学和随机数学理论,构建基于蒙特卡洛—可变模糊集的湖泊富营养评价耦合模型,实现了水环境系统随机不确定性及确定性评价方法中评价等级模糊不确定性的量化研究,解决了传统评价方法中确定性结论造成的信息缺失问题,可有效降低水环境管理风险,为水环境不确定性研究提供了新思路和新方法。同时,基于贝叶斯理论,实现了数据信息的深入发掘和利用,有效解决了富营养评价中资料缺失问题,对实际工作有重要指导意义。(4)基于水均衡原理和同位素质量守恒定律,采用Craig–Gordon非平衡蒸发模拟,系统全面地研究了沙湖水化学形成机理及水循环演化特征。湖泊蒸发量与总补给量(E/I比)以及蒸发量与湖水体积(蒸发比)比值分别为0.62和0.444,湖水离子组成和来源与黄河水、地下水和排水沟水密切相关。该方法具有简便可行的优点,具有较好的推广应用价值。(5)地下水系统是旱区湖泊健康的调节器,湖水位变化引起的地下径流量的改变是导致湖泊水均衡和盐分均衡发生改变的重要原因,决定着湖泊的水环境特征和演化趋势。当湖泊补给量不足时,湖泊与含水层之间的密切水力联系导致地下水入湖径流量增大,成为湖泊及时充足的补给水源,极大地弥补了蒸发损耗,使其在干旱气候条件下能够维持水量平衡。同时,地下水出湖径流是湖泊盐分排泄的唯一途径,伴随着湖泊与含水层之间水量交换的发生,大量盐分通过地下径流排出,湖水脱盐效果显著。阐明湖泊与地下水水量及溶质交互作用及机理,对湖泊水资源保护和管理具有重要意义,有助于促进相关理论体系的完善,具有重要的学术价值。