近年来，在气候变化和人类活动的影响下，我国许多河流的水文情势都发生了强烈变化，引发了一系列如水资源短缺、水污染、水生态恶化、泥沙淤积等问题，极大地影响了区域社会经济的良性发展。因此深入认识河川径流的发生、发展规律，掌握区域水资源发展的动态，对区域水资源规划及管理、水利工程设计以及满足人类需求与生态系统的水平衡都极为重要。　　众所周知，受气候条件以及下垫面条件复杂性的影响，天然状态下的水文过程复杂多变，表现出了高度的非线性、非平稳性以及多时间尺度特征。而在人类活动的强烈扰动下，河川径流的复杂性日趋加深，这给我们科学、准确地认识河川径流变化带来了极大的挑战。本文以陕西省典型流域为研究区域，应用多种非线性分析方法和非平稳数据处理方法对陕南的汉江流域、关中的渭河流域以及陕北的无定河流域径流序列的水文变异规律、多尺度时间特征、与气候因子的响应等问题开展了研究，分析其在空间上的变化规律，并构建了中长期水文预测模型，对陕西省河川径流演变趋势进行了外推分析。其主要研究内容及所得结论如下：　　（1）水文变异诊断。根据谢平等提出的水文变异诊断方法，从初步诊断、详细诊断以及综合诊断三方面角度出发，对陕北黄土区、关中平原区以及陕南汉江山地区的河川径流进行变异分析。①初步诊断：分别采用过程线法、累积曲线斜率法和Hurst系数法对研究区各径流序列进行初步分析，判断径流变异是否存在；②详细诊断：通过相关系数法、斯皮尔曼秩次相关检验以及肯德尔秩次相关检验法对序列进行趋势变异检验；采用里海哈林检验法、有序聚类法、最优信息法以及 Brown-forsythe检验法和Mann-kendall检验法对序列进行跳跃变异检验，得到的各站径流序列的变异形式及位置。③综合诊断：综合趋势与跳跃变异分析结果，通过效率系数最终确定变异结论。通过诊断分析，发现陕西省在地域分布上，水文变异表现为从南至北逐渐增强的趋势，具体结论如下：陕南汉江流域径流过程无明显变异；关中渭河流域有变异发生；陕北无定河流域变异极其显著。通过进一步分析，发现水文变异的原因构成并不相同，渭河流域变异由气候原因与人类活动共同影响，但人类影响为绝对主因；而无定河流域径流的显著变异虽受人类活动影响更强烈，但降雨等气候因素也不容忽视，应系两者共同作用的结果。　　（2）多尺度时间特征。径流序列的演变过程复杂多变，随机性强，但其中存在规律性的周期变化成分。本研究通过小波变换与希尔伯特黄（HHT）变换两种方法，对研究区域内径流序列的确定性周期成分进行研究，分析对比了其多时间尺度特征。研究结果表明，两种方法由于基于的理论基础不同，所得结论也略有差异。HHT的检测结果显示：陕南汉江山地、关中平原以及陕北黄土区均存在2-4年、6-8年的小尺度径流周期，9-13年中尺度周期以及24-28年大尺度周期。而小波分析方法所得结果则规律更明确，更稳定。结果显示，陕南、关中以及陕北地区周期变化较为接近，尤其在3-4年和8-9年的中小时间尺度上；在较大的时间尺度上，三个地区则有所区别，关中地区的径流周期波动（23-25年）略短于陕南与陕北地区（27-28年）。从方法上看，笔者认为HHT的分解结果更为细致，结果也更为贴近事实，这与不同地区产汇流条件不同所导致的周期变化的差异性是相一致的。而小波分析受到傅里叶变换和先验分析的影响，所得结果皆比较接近。同时，在时域研究中发现，短周期在早期能量较为强烈，表现较为显著，随着人类活动影响的加剧，短周期在时域上逐渐趋弱甚至消失，而23-28年则开始在河川径流中起主导作用。这是人类活动影响下，水文多尺度时间特征出现的一些新变化，可能对未来区域或流域的水文过程产生影响，应引起管理部门的注意。　　（3）径流演变与气候因子的响应关系。从大尺度的物理成因看，径流演变的周期性成分主要决定于气候变化。故为进一步揭示径流演变的变化机制，本研究面向可以表征全球气候变化的ENSO事件，通过交叉小波变换法与凝聚谱方法，分析径流规律与气候变迁的相关性，从驱动因素上分析径流的周期演变机理。结果表明：70年代以前各站径流与ENSO指数（MEI指数）在小尺度2-4年周期上均存在着显著的负相关，而从70年代开始，由于人类活动的影响，径流与ENSO指数的相关性变得复杂。　　（4）径流的中长期预测。由于径流受到气候变化和人类活动的双重影响，逐渐从一个不受外界干扰的平稳过程变为一个复杂的非平稳线性过程，因而将序列平稳化或采用非线性的分析方法成为必由之路。所以本研究建立了基于EMD的RBF神经网络预测模型解决径流时间序列的预测问题。经验模态分解法（EMD）将实测径流序列分解为几个相对平稳的IMF分量和1个趋势项成分，在此基础上建立RBF神经网络预测模型，通过误差分析和检验，确定模型精度满足要求，进行径流的中长期预测。预测结果显示，未来陕南地区径流过程将保持一个相对稳定的状态；而关中和陕北的径流则会持续目前的下降趋势。　　（5）水文规律的空间分布。由于气候条件、地形、地貌、水文地质条件等方面的差异，陕北、关中、陕南地区的中长期水文规律也不尽相同。具体表现为：①水文变异的强度呈现一个由南到北逐渐增强的趋势；②多尺度时间特征上，影响径流变化的主周期表现为南北短，中间长的基本规律；③与气候因子的响应关系方面，关中地区的径流序列与ENSO事件响应最紧密，陕北次之，陕南最差；④从未来径流的走势看，关中和陕北地区径流将可能会持续衰减。