以黄河源区龙羊峡以上区域为主要研究对象,收集龙羊峡入库站唐乃亥水文站及出库站贵德水文站1960—2013年的实测径流量和泥沙量数据,分别进行自然环境变化下和人为变化环境下的径流—泥沙关系研究。首先利用Mann-Kendall方法、R/S方法和CEEMDAN方法分别进行径流量和泥沙量的趋势性、持续性和多周期性演化特征研究;在采用双累积曲线法分析唐乃亥水文站径流—泥沙关系的多时间尺度相关性演化特征,并应用协整理论解析微观和宏观多时间尺度下的长期均衡关系和短期波动关系;采用ARMA模型对唐乃亥水文站年径流量进行分解—组合预测研究,并利用纳什效率系数对模拟预测精度进行评价;同时利用熵理论,分析贵德水文站径流—泥沙序列在多时间尺度下的不确定性关系,解析龙羊峡水库运行对径流—泥沙关系的影响。最后通过引入突变点,利用变结构协整理论,对比分析适合贵德水文站径流—泥沙的变结构协整关系。主要研究结论如下:(1)唐乃亥水文站和贵德水文站径流量和泥沙量都有下降的趋势;预测未来唐乃亥水文站径流量依然表现为下降的趋势,泥沙量表现为上升的趋势,而贵德水文站二者都依然表现为下降的趋势;唐乃亥水文站多时间尺度下水沙关系较好,各IMF分量对应的准周期基本相同。建库前,贵德水文站水沙相关性较好,准周期基本相同,水库运行改变了水沙的这种相关性,多时间尺度下水沙关系和波动周期均发生改变。(2)径流—泥沙IMF1分量和IMF2分量对应的双累积曲线拟合效果较好,IMF3分量和IMF4分量对应的双累积曲线存在明显的突变点。由于在个别尺度上分量预测存在较大误差,导致组合回归模型预测的相对误差较大,而ECM模型预测的平均相对误差较小,对径流量进行预测的精度较高。总体而言,原始序列的水沙关系性是由多时间尺度下的水沙关系性变化综合决定,中长时间尺度下的弱水沙关系会影响原始序列的水沙关系。(3)利用ARMA模型进行模拟预测,各分量模拟预测对应的NSE较大并随着波动周期的增大而增大,模型模拟的年平均相对误差为8.70%,模型预测的年平均相对误差为9.42%,相对误差较小,表明模型模拟预测精度较高。总体而言,高频分量在模态重构和组合模拟预测中起着举足轻重的作用,提高高频分量的模拟预测精度,可以总体提高整个模型的精度。(4)对于各IMF分量而言,建库前径流量IMF2分量的多时间尺度熵最大,泥沙量IMF1分量的熵值最大,建库后IMF1分量的多时间尺度熵最大,表明对应分量所携带的信息量较多,对原始序列贡献程度最大。对于径流量、泥沙量的多时间尺度结构熵而言,建库前由IMF1分量和IMF2分量转变为建库后IMF1分量对熵值变化起主导作用,且建库后熵值较大,表明水库运行使水沙波动周期变化更趋于复杂化。综上所述,建议对黄河上游水沙分别采用周期约4?7年和3?4年的相关观测和研究。(5)三种情形下的协突变模型对应的拟合优度R~2均有所提高。从ecm(-1)前的系数、平均相对误差和拟合优度R~2综合来看,考虑常数项、趋势项和协整向量项的模型3的ECM模型解释性最强,较模型1、2能够更准确地反映径流—泥沙之间的长期均衡和短期波动关系。但值得说明的是,考虑常数项和趋势项的模型2解释性也较强,模拟预测精度也较高。说明协整回归方程主要是常数项和趋势项发生了变化,考虑协整向量项变化对模型模拟精度会有影响和提高,但是提高和调整力度不大。