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气候变化和人类活动影响下的流域水文循环机理是当前国际上水文水资源领域的科学前沿问题，关系到流域水资源的科学评价、合理调控与综合管理。无定河流域地处黄土地区，自然地理特征复杂，水土流失非常严重。1950年代以来，无定河流域开展了大规模的水土保持工作。在气候变化和人类活动的共同作用下，无定河流域自20世纪70年代以来水文循环变化明显。本文以无定河流域水文循环为主线，从水文循环的动力因子、地表水循环系统、地下水循环系统探讨变化环境下流域的水文循环机理，并在此基础上构建流域分布式水文模型，模拟流域水文循环对气候变化和土地利用变化的响应。主要研究结果包括以下几个方面：
1961～2000年，无定河流辐射干燥指数呈不显著上升趋势。1974年以后年净辐射较之前减少了24 MJ/m2。最高气温、平均气温、日最低气温均呈显著增大趋势。日均最高温和日均温在1989年左右都存在一个显著的变点，表现出增暖趋势。日照时数有减少趋势，在1980年有显著突变。风速在1970年，1976年和1986年存在显著的变点。
无定河流域夏秋降水场空间复杂度较高，夏季降水空间分布相对均匀；从年内变化看，月降水和季节降水重心朐分布大致成西北—东南走向。1961～2000年，无定河流域最大1天、7天、15天、90天降水以及汛期降水减少，非汛期降水显著增加；年降水、年实际蒸散发量没有明显的变化，年径流量明显减少。参照蒸散发和干燥指数呈上升趋势，说明上世纪60年代以来无定河流域有干旱化的趋势。径流的减少率约为降水的2.2倍，而实际蒸散发的变化率约为降水的80％，表明天然径流对降水变化的响应比实际蒸散发更为敏感。
无定河流域地下水半更新周期变化在1.8～45.5天之间，地下水全更新周期在34～105天之间，表现出明显的时空分异性；流域多年平均年地下水补给量为11.38～15.69mm，多年平均降水入渗补给系数为2.9％～4.4％之间，基流补给率约为73.6％～86.8％；赵石窑、丁家沟、白家川、横山、殿市等水文站控制的集水区降水入渗补给量呈显著减少趋势，基流的减少程度高于补给量；流域不同集水区地下水动储存量变化在308.70万m3～5.79亿m3之间，地下水储存量呈显著减少趋势。
根据无定河流域水文循环机理，在HIMS框架下定制了一个适合无定河流域的分布式水文模型。该模型结构充分考虑了降水的空间分布对产流的影响和土壤结皮对降水入渗的影响，既模拟了地表径流过程，又模拟了地下径流过程。下游白家川断面日过程在模拟期和验证期模型纳须效率系数分别为0.58、0.47，确定性系数为0.81、0.7，洪量相对误差为-2.71、8.89；月过程在模拟期和验证期模型纳须效率系数均大于0.7，确定性系数为0.86、0.90，洪量相对误差为-0.03、-0.09；上游赵石窑断面月过程在模拟期模型纳须效率系数为0.72，确定性系数为0.86，洪量相对误差为0.02。基于分布式模拟，讨论了气候变化和土地利用变化对径流的影响，结果表明气温对径流的影响最小、植被覆盖率变化次之，降水影响最大。汛期径流对降水变化更为敏感。