海河上游清水河流域地处我国北方半干旱半湿润过渡带,水资源短缺且生态环境极为脆弱,对气候变化和人类活动高度敏感。明晰变化环境下清水河流域的径流演变规律及气候变化和人类活动的贡献,对实现流域内水资源的可持续利用以及确保本流域作为首都地区生态屏障的功能定位具有重要的意义。首先,本文采用有序聚类法、双累积曲线法、小波分析和M-K检验等方法分析了流域水文气象要素演变规律。其次,构建了清水河流域SWAT水文模型,确定了敏感性参数。最后,通过设立综合情景和未来气候变化情景,分离并量化了流域径流过程变化的驱动因子以及对未来气候变化的响应。主要结论如下:(1)近70年,清水河流域径流变化呈显著减少趋势,径流深年均减少0.6 mm,各月径流亦均呈显著减少趋势,其中以春夏两个汛期的减少最为显著。流域径流在1979年前后发生突变,径流变化的第一、二主周期分别为27 a、8 a。整个时域上,径流年内分布的不均匀程度明显增加,春汛(3月-4月)占全年径流总量的比例增加,而夏汛(7月-8月)占全年径流总量的比例则呈现减少态势。(2)在整个时域上,流域年降水呈不显著减少趋势,其减速为2 mm/10a,而年均气温显著性增加,其增速为0.3℃/10a。流域内降水与气温历史突变年份分别为1996年和1986年,突变年后年均降水量相比突变前减少了7.5%,而年均气温则相比增加了30.2%。流域内,年降水主要有5a、8a、14a三个周期变化,14a贡献最大,而年均气温变化以28a贡献最大。(3)时域上,流域以草地、林地和耕地面积为主,约占流域总面积的90%以上。草地面积占比整体呈增加,林地有所减少,耕地在2010年前增加,其后减少,约4.5%;其他土地利用类型面积占比则均有所增加。空间上,草地呈水流西南流向分布,林地多分布于流域东沟和西沟,耕地沿河道呈明显的支状分布,而建设用地及居民区在崇礼区和进入市区区域分布明显,特别是在2000年后。因此,社会经济发展、土地利用管理政策和人口变化等人为因素对土地利用类型时空变化具有重要影响。(4)清水河流域月径流模拟值与实测值在整个时段上拟合程度较好,率定期R~2=0.75,NS=0.68,验证期1的R~2=0.63,NS=0.51,验证期2的R~2=0.71,NS=0.64。各评价指标均满足R~2>0.6,NS>0.36,清水河流域SWAT水文模型构建成功。径流过程中,与其敏感性较高的参数有7个,土壤层有效水容量r＿SOL＿AWC().sol最敏感,其次是土壤饱和导水率r＿SOL＿K().sol。可见,清水河流域径流量对土壤的持水性和导水性能很敏感。(5)流域年均径流量在气候变化和土地利用变化的综合影响下减少了1.39m~3/s,受气候变化影响减少了0.34 m~3/s(12%),受土地利用变化影响减少了1.05m~3/s(37%)。模拟时段上,降水量降低减少了对径流的水源补给,而气温增加加大了陆面蒸发。耕地面积和建设用地增加,使得人类活动用水需求量加大,林地、草地面积虽有所减少,但对降水和地表径流仍有阻滞作用,并且植被蒸散消耗的水量大。所以,在变化环境下合理规划土地利用类型对水资源管理和水生态保育有极其重大的现实意义。(6)当温度不变,降水量增加10%和20%时,流域年均径流量分别增加25.3%和39.3%;降水量减少10%和20%时,年均流量分别减少12.4%和18.3%。当降水不变,气温增加1℃和2℃时,年均径流量分别减少5.4%和5.8%。可见,在未来气候变化中流域年均径流量对降水变化更为敏感,而气温变化对径流的影响则要通过影响蒸发来间接实现,在不考虑冰川融雪径流的干旱半干旱区更是如此。