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在气候变化和人类活动背景下，水循环的赋存环境和结构受到了影响，全球地表水循环要素时空分布格局发生了深刻的变化，引起了一系列资源效应、生态效应和环境效应。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文模拟与预报、水资源开发利用和管理有着十分重要的意义，也是当前水文水资源领域前沿和热点。 本文以泾河流域等为研究对象，采用趋势性分析、突变检验等方法，开展不同时间尺度降水、径流演变特征分析，识别不同尺度下降水径流关系响应程度;基于数理统计和水文模型解析不同时期气候变化和人类活动对径流变化的贡献;考虑植被覆盖变化影响，引入基于物理机制的蒸散发模型，耦合HIMS模型，构建泾河流域分布式水文模型，进行了验证和应用。主要结论如下: 1、系统分析了泾河流域降水、蒸散发、径流的时空变化特征，揭示了不同时间尺度的降水径流关系演变规律。结果表明:(1)年尺度上，流域年平均降水量、潜在蒸散发均呈不显著下降，年径流量呈显著下降，且在1997年左右发生突变，降水与径流变化呈现不同步性，径流系数呈现显著性下降，受人类活动影响，降水径流关系演变过程发生4次转折。(2)月尺度上，流域出口张家山站径流年内分配呈现集中化趋势，非汛期来水比例不断减少，增加了枯水期缺水的风险，上游杨家坪站汛期来水比例呈减少趋势，非汛期来水比例增加，流域不同地区对气候变化和人类活动响应程度有明显差异性;张家山和杨家坪站降水径流关系演变过程分布出现2次和3次转折;汛期月降水径流关系对人类活动响应程度低于年尺度降水径流关系。(3)场次洪水尺度上，洪峰值、场次洪量均呈现不断减少的趋势，1997年有明显突变。利用突变前、后洪水样本进行频率计算，同一重新期下前者的设计流量值明显大于后者，百年一遇洪水的设计值相差12％。产流系数也呈下降趋势，流域产流能力不断降低;降水径流关系在1997年出现了1次转折，场次洪水对人类活动影响的响应程度低于年、月径流。 2、基于POT模型分析变化环境下洪水响应规律及暴雨洪水关系。基于POT选样理论，综合运用超额均值函数图法、HILL图法、峰度法等多种方法确定阈值，挑取超阈值洪水90次，年均1.6次，有效扩充了AMS洪水样本的容量。由长序列POT洪水样本分析可知:超阈值洪水年发生次数、洪峰和洪量值均呈减少趋势，且具有明显的阶段性，突变后（1997年）场次平均洪峰比突变前减少27％，超阈值洪量减少了32％。场次洪水对应的降水量基本不变，而产流系数明显的下降，突变之后降水洪水相关性明显低于突变之前。与AMS模型相比，POT模型的洪水样本容量增大，对应一定设计频率下的洪水量级更大，同时POT洪水的降水径流关系对影响因素的敏感程度低于AMS洪水。POT模型能捕捉洪水在量级和年发生次数方面变化信息，适用于变化环境下洪水频率分析。 3、基于统计学的气候弹性系数方法定量分析气候变化和人类活动对径流变化贡献率。利用Budyko-framework方法6种公式估算不同时期的年径流、汛期径流、非汛期径流的气候弹性系数。结果显示:几种方法在汛期和年径流的计算结果较为接近，而对非汛期径流的结果相差较大，主要是由于非汛期干旱指数较大，各个方法在干旱指数大于3时，出现了差别。基于气候弹性系数对各时期的年、汛期和非汛期径流变化进行了归因定量分析，结果显示:泾河流域，在1997年之前径流变化由气候变化和人类活动共同作用，贡献率均在50％左右，1997年之后人类活动是径流变化的主导因素，贡献率均大于1，尤其非汛期的径流变化对人类活动的敏感程度更大。 4、基于HIMS系统构建了泾河流域分布式水文模型，定量分析径流对气候变化和人类活动的响应。基于HIMS系统平台构建了泾河流域分布式水文模型，对泾河流域径流过程进行模拟和校验。结果显示:泾河上游流域模拟效果较好，在率定期和验证期，效率系数分别为0.78和0.71，而马莲河流域模拟效果相对较差，效率系数为0.45和0.4。泾河出口张家山模拟效率系数为0.62和0.55，表明构建的HIMS模型基本上能够较好的刻画流域水文过程。利用水文模型定量分析了径流变化对气候变化和人类活动的响应，结果显示人类活动对径流变化贡献率较大，占62％，气候变化仅为38％，人类活动引起的下垫面变化是径流变化的主导驱动因素，结论与气候弹性系数方法较为一致。人类活动中由土地利用引起的植被覆盖变化呈增长的趋势，很好的解释了径流变化减少的现象;而工农业用水呈增加趋势，但对径流变化影响较小，下垫面变化主要植被覆盖变化是流域径流变化的主导因素。 5、将考虑植被变化影响的物理蒸散发方程与分布式水文模型相耦合，改进了水文模型的蒸散发模块，提高了水文模型在植被变化条件下的水文过程模拟能力。将考虑植被变化影响的蒸散发物理方程(PML)与分布式水文模型HIMS相耦合，改进HIMS模型经验性的蒸散发方程，在泾河流域进行检验和应用。结果表明，与HIMS模型相比，HIMS-PML能够显著提高模拟效果，尤其是植被变化时期（模型验证期）径流的模拟效果。因此，在传统的水文模型中考虑植被对蒸散发过程的影响显得尤为必要。