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水循环是联系地球系统地圈-生物圈-大气圈的纽带，是全球变化三大主题—碳循环、水资源和食物纤维的核心问题之一。在全球变化背景下，研究变化环境对水循环的影响及水文系统的响应过程对流域水资源开发利用和管理十分重要。近50年来，白洋淀流域水循环经受了自然和人类活动的双重影响，水文条件发生变化，水资源安全遭遇严峻危机，研究变化环境下的白洋淀流域水循环机理具有重要性和紧迫性。
本文采用水文要素趋势性分析、野外定位观测与试验和水文模拟等多种手段，以白洋淀流域、上游山区典型子流域、山区崇陵试验小流域等为重点研究区，通过点、面综合研究，阐明了白洋淀流域水循环要素时空变化特征，分析了流域产流机理，构建了适用于白洋淀流域的分布式水文模型，探讨了流域水文循环对环境变化的响应。
主要结论如下:
1.系统分析了白洋淀流域降水、蒸散发、径流的时空变化特征，结果表明:(1)时间上，流域年平均降水量、年参考蒸散发量、天然情景下年实际蒸散量均呈不显著下降趋势，灌溉情景下实际蒸散量呈微弱增加趋势，年径流量呈显著下降趋势，且在1980年左右发生突变。(2)空间上，降水减少趋势在山区较为显著，参考蒸散发在山区为增加趋势，而在平原区则表现为减少趋势。(3)比较不同土地利用类型的降水变化趋势发现，建筑用地对春季降水的增加趋势具有增强作用，对夏季降水、全年降水的减少趋势具有减弱作用。对比天然和灌溉情景下流域实际蒸散量发现，灌溉增加了流域的实际蒸散量，降低了实际蒸散量的年际差异。
2.分析了流域产流特征，研究表明:(1)流域的产流以超渗产流为主，但在连续降雨下垫面湿润时，则出现蓄满产流形式。降雨径流形成过程中，坡面流的产流面积所占比例很小，表层20cm内的土壤水含量对降雨的响应非常迅速。(2)初损历时随雨强的增大而减小，二者之间满足幂函数关系;径流系数均随雨强增加而呈线性增加趋势;土壤平均入渗率随雨强的增大而增大，二者之间的关系满足刘昌明等提出的幂函数形式下渗公式。(3)不同土地利用方式下平均入渗率与稳渗率均表现为耕地＞油松林地＞刺槐林地＞灌草地。
3.基于HIMS水文模拟系统，将时段平均损失率经验公式和流域下垫面损失率空间分布曲线相结合，构建了适合白洋淀流域的分布式水文模型。对白洋淀流域内潴龙河、唐河、拒马河上游流域的模拟结果显示，模型率定期效率系数在0.7以上，验证期效率系数在0.6以上，表明构建的HIMS模型能够较好的刻画流域水文过程。
4.区分了气候变化和人类活动对白洋淀流域一上游来水量减少的贡献率。唐河上游流域的案例研究表明，气候变化对唐河上游径流减少的贡献率为38～40％，人类活动对径流减少的贡献率为60～62％。气候变化在一定程度上减少了白洋淀上游来水量，但造成白洋淀水源缺乏乃至干淀的主要原因则是人为干扰过度。
5.分析了A1B、A2、B1三种情景下流域未来降水、气温和径流的变化。唐河上游流域的案例研究表明，与基准期1981～1999年相比，三种排放情景下流域未来百年气温、降水均呈增加趋势，气温增加幅度为1.7℃～2.4℃，降水增加幅度为1.7％～2.0％;径流均呈减少趋势，减少率为10.2％～11.3％。