黄河是世界上著名的多沙河流,泥沙沉积、河床抬升是黄河下游致灾的根本原因。自20世纪80年代以来,黄河水沙急剧减少,水沙关系发生显著变化,得到人们密切关注。本研究基于水文控制站和气象站近60年的观测资料,采用统计学和水文学方法分析黄河中游干流区段和子流域水沙的时空演变特征,揭示中游干、支流径流及输沙变化的关系及其对气候变化和人类活动的响应。研究黄河水沙变化规律及其驱动因素是科学调控黄河水沙的基础,对维护黄河健康、实现黄河的长治久安具有重要意义。具体研究结果如下:(1)选用径流和输沙指数分析了黄河中游干流6个站点和子流域50个站点三个时期(1957-1979年,1980-1999年和2000-2012年)的水沙时空演变特征,结果表明:大部分子流域的径流指数和输沙模数均呈显著下降趋势(P<0.05)。径流指数的空间差异显著,减少最显著区域在头道拐~府谷和潼关~花园口之间(P<0.01)。径流指数的空间分布反映了黄河中游的降雨分配呈南多北少的特征。输沙模数减少最显著区域在黄河中游北部;代际间输沙模数显著(P<0.05)减少的区域主要分布在头道拐~潼关站之间,其中2000-2012年输沙模数较1957-1979年下降幅度达到80%以上。基于水量和沙量的收支平衡方法,分析发现:从支流汇入来看,龙门~潼关段的支流贡献水量最多。泥沙主要来自于头道拐~潼关站之间,2个干流区间(龙门~潼关和潼关~花园口)属于泥沙的淤积区域。整个研究时段内,龙门~潼关段支流贡献的沙量也最多,支流输沙减少最为显著的区域在头道拐~吴堡段。(2)采用Mann-Kendall趋势检验法和线性回归,以及有序聚类法对河龙区间21个(干流4个和支流17个)水文控制站1962-2009年输沙量进行趋势检验和突变分析。结果表明:干流和支流水文站的多年平均输沙量均呈显著下降趋势。大多数干流和支流的突变年份主要集中在20世纪70年代后期,人类活动是导致输沙量趋势性减少和突变的主要驱动力。3个干流区段中,输沙量贡献最多的是吴堡~龙门段,而输沙模数最高的是府谷~吴堡段;河龙区间支流输沙主要来自皇甫川、窟野河、无定河、清涧河和延河。17条支流贡献的多年平均输沙量占河龙区间多年平均输沙量的70.6%。(3)分析河龙区间不同地貌类型的典型支流——皇甫川和延河的水沙演变特征。线性趋势检验结果表明,河龙区间皇甫川和延河两个流域1954-2010年径流量和输沙量均呈减少趋势(P<0.05)。采用累积距平法检测出两条支流的水沙均呈丰、平、枯阶段性变化特征,皇甫川的丰水期在1954-1979年,平水期在1980-1996年;而延河的丰水期在1954-1971年,平水期在1972-1996年;两条河流的枯水期均在1997-2010年。两流域植被覆盖度在“退耕还林草”工程(1999年)实施后发生明显变化,皇甫川和延河流域的NDVI指数在2000-2012年间的增长速率均较1981-1999年高。(4)探究了皇甫川和延河流域长时间序列次洪过程水沙关系。在年际尺度上,多年平均径流深(h)和输沙模数(SSY)的变化呈现良好的线性关系,决定系数(R2)值高于0.8(P<0.05)。在洪水事件尺度上,水沙关系也呈现出良好的线性关系,且泥沙输移过程与流域面积大小关系不大。洪水事件的量级和频率随年代呈明显下降趋势。采用滞回曲线(SSC–Q hysterisis loops)对两条河流的单一洪水事件过程分析得出,4种类型的滞回曲线在两个流域里都会出现,在皇甫川流域,逆时针滞回出现的次数最多,而在延河流域复合式滞回出现的最多,表明黄河中游泥沙输移的复杂性和非均质性。(5)系统研究了黄河中游水沙变化的驱动因素,结果表明:(1)黄河中游地区在近60年为暖干时期。多年平均降雨量呈下降趋势,平均下降速率为–1.28mm/a;气温每十年增加约0.3°C,在一定程度上增加潜在蒸发量,减少径流量。(2)强烈的人类活动是导致黄河中游径流量和输沙量显著下降的主要因素。大规模的水土保持措施导致头道拐~潼关站之间的径流量和产沙量急剧减少。2000-2012年,黄河中游各流域的NDVI指数均有不同程度上升。工程措施的实施,尤其是淤地坝的建设引起黄河中游径流量减少,并且其拦蓄作用使流域内的洪水次数和量级有所下降。(3)干、支流上的大、中型水库的联合运行导致近些年黄河水沙显著减少。中游水库拦蓄水量占河道输出水量的70%,而水库拦蓄泥沙量占中游河道泥沙输出量的40%。(4)工农业取、水耗水是中游区间来水量锐减的因素之一。黄河中游1998-2012年多年取、耗水量均呈上升趋势,耗水量占中游来水量的69%。(6)采用双累积曲线法对黄河中游降水和人类活动的减水减沙贡献率进行区分,在中游水沙突变年份之后,人类活动和降水对中游区域径流量减少的贡献率分别为82%和18%;对输沙量减少的贡献分别为92%和8%,进一步证实,在黄河中游人类活动对水沙减少的影响大于降雨,尤其是对输沙的影响更为明显。