受变化环境影响,黄土高原地区水文序列的趋势、均值和（或）方差已发生显著变化,导致水文序列偏离平稳性假设,表现出高度的非一致性。且随着影响累积,非一致性变化的驱动要素也呈现出复杂多变且交互影响的特征,导致水文序列的非一致性变化愈加扑朔迷离,严重威胁区域或流域的水安全保障与高质量发展。因此,如何在复杂变化环境下有效识别水文非一致性变化特征,定量解析驱动要素变化以及驱动要素对径流变化的复杂影响,就成为了干旱半干旱地区科学应对变化环境影响,有效实施流域水资源高质量管理的关键。本文以黄土高原地区植被覆盖变化较大的秃尾河流域为研究对象,深入分析了流域水文气象与地表环境观测要素的历史演变规律,估算了水循环过程中的关键要素序列,识别诊断了水文气象和地表环境要素的非一致性变化特征,建立了径流变化与其驱动要素（包括水文气象与地表环境要素）之间的交叉驱动关系,定量解析了驱动要素变化以及驱动要素对径流变化的影响,通过设置模拟情景,得到了不同情景下的驱动要素与径流过程的协同演变规律。取得的主要结论如下:（1）Mann-Kendall趋势检验结果表明,秃尾河流域在1957-2010年降水呈现出不显著的下降趋势,平均气温呈现出显著的上升趋势,潜在蒸散发、径流呈现出显著的下降趋势,NDVI呈现出显著的上升趋势。流域土地利用类型以草地、耕地和未利用土地为主,并从1995年开始未利用土地多转化为草地,流域下垫面发生强烈变化。采用STL分解法、季节性Kendall检验、结构变化方法对各要素月尺度数据的趋势变化以及水文气象-植被覆盖系统的情势流转进行分析发现,在1957-1981年期间,流域的水文气象要素并未发生大的趋势变化,与之不同,1982-2010年间流域的降水、平均气温、潜在蒸散发和平均NDVI则均表现出显著的上升趋势,径流为显著的下降趋势;1957-1981年水文气象系统中的要素转变较为一致,可以认为系统内部处于一个稳定的状态,而在1982-2010年水文气象-植被覆盖系统中的要素转变点趋于散布,无稳定的对应关系,系统内生关系正在发生改变。（2）利用数字滤波法、RORA退水曲线位移法、流域水量平衡公式、基于Budyko假设的水热耦合平衡方程等方法对水循环过程中的地下水蓄变量、实际蒸散发量以及水热耦合平衡方程中的下垫面参数进行估算。结果表明,90年代以前地下水蓄变量几乎全为正值,即补给大于排泄,而90年代以后地下水蓄变量则几乎全为负值,表明地下水储存量正在逐步减少。实际蒸散发在1957-2010年降水减少的情况下,表现为一个相对微弱的下降趋势,这可能与植被变好导致的蒸散发量增加而形成的对冲效应有关。1957-2010年间流域下垫面参数整体保持上升趋势,且在2000年后趋于明显,并与平均植被覆盖度呈正相关关系,在多年时间尺度下,两者的相关系数高达0.85,遂可见在长期尺度流域下垫面参数变大应与流域植被覆盖变好有关。（3）采用GAMLSS模型对流域水文气象和地表环境要素的非一致性特征进行识别与诊断。结果显示,流域年降水非一致性变化表现为均方差σ发生了变化,年潜在蒸散发的非一致性变化表现为均值μ发生了变化,年地下水蓄变量、年实际蒸散发、年下垫面参数、年径流的非一致性变化表现为均值μ和均方差σ均发生了变化。径流非一致性模型的结果对比表明,以年降水、年实际蒸散发、年下垫面参数为协变量,且均值μ和均方差σ均随物理因子发生变化的非一致性模型相比于以时间为协变量的非一致性模型对年径流具有更好的拟合效果,且年径流均方差σ随时间逐渐变小可能和年降水均方差σ随时间逐渐变小有关,年径流均值μ随时间逐渐变小、均方差σ随时间逐渐变小可能和年实际蒸散发均值μ随时间逐渐变大、均方差σ随时间逐渐变大以及年下垫面参数均值μ随时间逐渐变大、均方差σ随时间逐渐变大有关。（4）在识别驱动要素间及驱动要素对径流的驱动关系的基础上,利用GAMLSS模型、控制变量法和流域水量平衡公式,构建了各驱动要素以物理因子为协变量的非一致性模型,定量解析了驱动要素变化以及驱动要素对径流变化的影响过程,并探讨了不同情景下的径流-驱动要素系统的演化规律。结果表明,2000年之后,流域实际蒸散发和下垫面参数对地下水蓄变量的贡献量有所增加,地下水蓄变量逐渐变为负值。同时,下垫面参数对实际蒸散发的贡献量也有所增加,驱动实际蒸散发逐渐变大。对径流而言,降水变化和地下水蓄变量变化对径流变化具有正贡献,而实际蒸散发变化对径流变化具有负贡献,2000年后实际蒸散发变化和地下水蓄变量变化对径流变化的贡献会变大,导致径流逐渐减少。定量分析结果表明,在降水相比于多年平均水平增加10%的情景下,径流增加了1.23 mm。在下垫面参数相比于多年平均水平增加10%的情景下,径流减少了11.77 mm。在降水和下垫面参数同时增加10%的情景下,径流减少了11.76 mm。可见在驱动要素发生复合型变化及产生交互作用后,对径流的影响机理较为复杂,可能会产生复杂的水文效应,亟须更为深入的研究与探索。