永定河流域是我国北方典型的缺水型流域,气候变化和高强度的人类活动导致了永定河流域普遍的水资源短缺和生态系统退化问题。高强度的人类活动显著改变了流域的下垫面条件,由此引发的河流径流变化规律和缺水型流域的生态-水文响应机制成为当前研究的热点科学问题。本研究选取永定河为研究对象,分析了流域气象水文要素的时空演变规律,定量化分析了气候变化和人类活动协同影响对径流变化的贡献率;以主要支流洋河为研究对象构建了流域SWAT分布式水文模型,论证了气候变化和土地利用对径流变化的影响机理,提出了流域的土地利用/覆被空间优化调控方案,形成了北方水资源短缺流域基于植被优化配置的生态-水文过程优化调控方法;根据《永定河综合治理与生态修复总体方案》的总体目标,耦合未来气候变化模式和洋河流域土地利用模式,预测了洋河流域未来径流的变化规律。主要研究结论如下:(1)流域水文气象要素及土地利用/覆被演变特征永定河流域气温和降水在空间上差异显著,总体上平均气温以北京站为中心向外延伸并逐渐递减,降水量由东南向西北逐渐减少:从气候要素的时间变化上看,永定河上游流域和主要支流桑干河和洋河的气温均有升高趋势,气温增加率分别为0.36℃/10a、0.38℃/10a、0.34℃/10a;而对应区域的降水量变化趋势不明显。而该时期相应流域的径流量表现出显著的减少趋势,分别减少了 13.71亿m3、7.96亿m3、5.3亿m3;采用累积距平法分析气温和径流量的突变性,结果表明,永定河年平均气温及径流量突变性显著,同时期内的降水量无显著的突变现象,但降水量的年际波动幅度增加,表明其受到了全球气候变化的影响。从周期性变化上分析,永定河及主要支流的降水、径流均形成了多个主周期,而气温的周期性变化不显著。从年内及年代变化分析,20世纪80年代之前,径流的年内和年代变化与气温、降水变化关联性较高;80年代以后,径流的年内和年代变化与气温、降水的变化关联性较小,如洋河流域90年代在降水量偏丰的情况下,径流量比多年平均值(2.89亿m3)减少了23.14%,说明该时期人类活动对流域的径流影响显著增加。选择1980年作为土地利用干扰相对较小的背景期,系统分析了过去30年间永定河上游流域土地利用的变化情况,结果表明耕地面积从20290.89km2减少到18983.63km2,林地面积从9592.38km2增加到10654.43km2,草地面积从13236.3km2减少到12468.52km2,城镇用地从1215.61km2增加到2508.3 1km2。由综合动态度及转移矩阵分析表明,1980-1990、1990-2000年两个时期内,土地利用的总体变化较小,但进入2000年以后,土地利用的综合动态度明显增加,表明2000年以后土地开发面积和利用规模大幅度提高。由生态环境质量指数的计算结果表明,由于上游流域采取了植树造林等生态修复工程,永定河上游流域的陆域生态环境质量略有好转,呈逐步恢复趋势。(2)流域径流变化驱动因素研究基于Budyko假设的气候弹性系数法,利用实测的降水数据和Penman-Monteith公式计算的潜在蒸发数据,结果表明,各流域率定的流域下垫面参数ω均在0.5-2之间,表明Zhang公式适用于永定河上游流域;通过永定河上游和主要支流桑干河、洋河的降水弹性系数和潜在蒸散发弹性系数比较发现,径流对降水的敏感性大于对潜在蒸散发的敏感性;基于Zhang公式的计算结果表明,气候变化和人类活动对径流的影响占比分别为20%和80%左右。(3)洋河流域径流对气候和土地利用/覆被变化的响应机制研究以1986-1995年为基准期构建了洋河流域SWAT模型,系统模拟和分析了气候变化和土地利用变化对径流的影响,结果表明,1996-2005年年均降水量减少了 17.72mm,年平均气温增加了0.65℃,气候变化导致地表径流减少了40.41%,该时期土地利用变化较小,其导致地表径流仅增加了0.7%,产水量仅增加了1.32%,而河流引灌、水库修建、地下水开采等高强度人类活动是导致流域地表径流减少的主要原因,约占60.29%;2006-2012年期间,年均降水量减少了48.74mm,年平均气温增加了0.44℃,气候变化导致的流域地表径流减少占比降低至22.66%,土地利用变化导致地表径流减少2%,而产水量增加1.11%,而河流引灌、水库修建、地下水开采等人类活动强度增加,导致流域地表径流减少的占比提高至75.34%;开展了洋河流域不同土地利用/覆被方式下的径流响应研究,建立了流域生态-水文过程的定量化响应关系,发现有林地、灌木林、疏林地、草地是导致流域径流衰减的土地利用类型,消减径流的程度高低次序依次为有林地>灌木林>疏林地>草地。(4)洋河流域生态水文过程优化调控与径流变化预测结合土地利用的地形分异特点,以促进流域清水产流为原则,提出了流域的土地利用/覆被空间优化调控方案,优化后流域的径流量增加了1.25%。形成了北方水资源短缺流域基于植被优化配置的生态-水文过程优化调控方法。结合洋河流域1990-2015年的土地利用变化趋势,基于《永定河综合治理与生态修复总体方案》中洋河流域河道防护林和水源涵养林建设的总体目标,利用IDRISI软件构建了CA-Markov模型完成了洋河流域2025年的土地利用预测,结果表明2015-2025年有林地、灌木林、疏林地还将呈现增加的趋势,耦合东亚地区集合动力降尺度计划第二阶段(CORDEX-EA-Ⅱ)模拟的未来气候变化数据,采用SWAT模型预测了2020-2030年洋河流域的地表径流量,结果表明,与基准期1986-1995年相比,年平均降水增加了14.18%,平均气温增加了1.26℃,在不考虑社会取用水及水库建设等其他人类活动的影响下,预测未来的地表径流增加了1 3.85%。