近百年来,全球气候变化剧烈,加之大规模人类活动影响,流域水文循环过程发生了明显的改变,传统工程水文水利计算面临严峻挑战。揭示变化环境下水文循环过程演变机理,对合理进行流域水资源管理开发、掌握流域水循环机理等方面均有重要的理论意义与实际价值。传统研究多集中于诊断单一水文要素变异特征,对水文循环系统内要素间彼此相依、转化关系考虑不足,难以全面、系统描述水文循环过程变化机理。本文以渭河流域为研究对象,提出了滑动相关系数法、基于熵理论的相关关系变异诊断法、基于标度理论的相关关系变异诊断法等,从序列均值共同变化趋势、复杂度与长程相关性共同变化趋势方面,综合判定了流域降水、蒸发、径流和泥沙等水文要素间的关系变异特征。论文取得主要成果如下:(1)通过极大熵、Mann-Kendall检验和重标极差统计分析了渭河流域不同区域降水、气温、径流和泥沙的周期性、趋势性和变异性等演变规律。流域范围内降水存在不显著的下降趋势,径流、泥沙整体上呈现明显的下降趋势,气温明显上升且未来将持续这一状态。除北道以上区域降水序列发生变异以外,流域其他区域均没有发生变异;流域内径流和泥沙序列变异大多发生在20世纪70年代中期和80年代中期左右。(2)提出了基于滑动相关系数的二元变量关系变异诊断法,诊断了渭河流域降水-径流、蒸发-径流、降水-蒸发与径流-泥沙关系变异以及宁蒙河段(黄河流域)径流-泥沙关系变异情况。流域降水-径流关系多发生于1970年与1997年前后;蒸发-径流关系变异点发生位置与降水-径流关系类似;降水-蒸发关系变异在1980年、1997年前后发生;张家山站径流-泥沙关系分别于1977年、1989年发生变异,状头站则为1982年、1997年;宁蒙河段的水沙关系分别在1968年和1995年发生了变异,上游大型水库的修建、调度运行等人类活动和洪水、ENSO等气候变化的综合影响是变异的原因。(3)提出了基于排列熵、标度指数的二元变量关系变异诊断方法,并应用于渭河流域水文气象要素关系变异诊断中。与基于滑动相关系数的渭河流域水文气象要素关系变异诊断结果对比,三种方法诊断结果彼此之间存在共同点与相异点。方法本身侧重描述序列不同特征值,如滑动相关系数法侧重描述变量自身相互关系、排列熵与标度指数分别侧重刻画序列复杂度与长程相关性,是导致判定结果产生相异性的原因。(4)论文的主要创新点在于提出了多种方法诊断二元变量关系变异特征,并将其成功应用到渭河流域,从多元变量角度,综合全面地诊断了流域水文循环系统变化特征。同时,该方法也可为其他学科诊断变量相依关系变异提供参考。