受自然因素及人类活动的影响,水文序列发生突变甚至是变异,导致旱涝灾害等一系列水文极值事件频发的问题。因此,如何精确地检测变化环境下水文序列变异及突变前兆信号的研究已经成为一项紧急而艰巨的挑战。本文采用汾河上游四个水文站1956～2000年(共45年)的降水和径流序列作为研究的基础资料。首先,对水文序列进行变异分析,具体分为三个步骤。第一步:采用R/S分析法和DFA去趋势分析法对水文序列是否发生变异从整体上进行初步判断;第二步:分别采用多尺度直线拟合法、Lyapunov指数法和滑动动力学自相关因子法详细分析,检测水文序列的突变点;第三步:从时间尺度、变异类型及变异程度三方面对水文序列的变异进行综合分析。其次,采用降水-径流累积量斜率变化率比较方法定量分析降水和人类活动对于径流序列变异的贡献率。最后,通过描述水文序列系统临界慢化现象的四个特征变量(系统回复速率及回复力和方差及自相关因子)的演变规律研究水文序列突变预警信号。主要研究内容及取得的成果如下:(1)初步判断水文序列是否发生变异采用R/S分析法和DFA去趋势分析法得到年降水和年径流序列的Hurst指数值和标度指标r值均大于0.5,说明四个水文站的年降水和年径流序列整体上都发生了变异。(2)详细检测水文序列突变点采用多尺度直线拟合法、Lyapunov指数法和滑动动力学自相关因子指数法详细检测水文序列突变点,得到上静游站年降水序列的突变点在70年代末,年径流序列的突变点在70年代末80年代初。汾河水库站、寨上站和兰村站年降水序列的突变点在1960年附近,年径流序列的突变点在1966年左右。(3)综合分析不同时间尺度下径流序列变异年尺度下综合分析,得到上静游站、汾河水库站和寨上站在突变点处仅发生了趋势变异,兰村站在突变点处发生了复合变异。逐月尺度下综合分析,得到上静游站和汾河水库站在突变点处发生了趋势变异,兰村站在突变点处发生了均值变异,寨上站的变异程度不明显。丰枯尺度下综合分析,得到丰水期上静游站在突变点处发生了趋势变异,汾河水库站发生了复合变异,寨上站和兰村站的变异程度不明显。枯水期上静游站和汾河水库站发生了趋势变异,寨上站和兰村站发生了均值变异。季度尺度下综合分析,得到上静游站在第一、三、四季度发生了趋势变异,第二季度的变异程度不显著。汾河水库站第一、二季度的变异程度不显著,第三季度发生了趋势变异,第四季度发生了复合变异。寨上站第一季度发生了均值变异,第二、三、四季度发生了趋势变异。兰村站第一季度发生了均值变异,第三季度发生了趋势变异,第二、四季度发生了复合变异。(4)径流时间序列归因分析采用降水-径流累积量斜率变化率比较方法定量分析降水和人类活动对径流时间序列变异的贡献率,得到降水是影响上静游站径流序列突变的主要因素,人类活动是影响汾河水库站、寨上站和兰村站径流序列突变的主要因素。(5)基于临界慢化现象的突变前兆信号研究基于临界慢化现象原理,根据水文序列系统回复速率及回复力和方差及自相关系数的演变规律,得到年降水和年径流序列的突变前兆信号均提前于实际突变年份十年之内,对突变具有可靠的预警作用。