近几十年来,黄河径流量和输沙量急剧下降,环境变化大背景下的水沙演变引起了人们的广泛关注。已有大量关于气候变化和土地利用变化下的水沙演变及其驱动力分析的研究应用于黄河流域各支流以及集水区。然而,在宏观流域采用数理统计和模型结合量化流域水文过程的研究鲜少有报道。本文通过历史观测数据和水文模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）相结合的方法,量化分析黄河中上游流域水文过程对土地利用和气候变化的响应。此外,本研究利用3个全球气候模式（Global Climate Models,GCMs）降尺度后的模拟结果,预测在RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5排放情景下该地区2008-2099年气候条件的时空变化,以及未来气候变化下黄河中上游水文过程的演变。得到的主要研究结果如下:（1）非参数Mann-Kendall和Pettitt检测分析1956-2016年径流量和输沙量的时间变化和突变趋势。结果显示径流量和输沙量都显著下降,径流量的减少程度低于输沙量且中游水沙的变化大于上游,在研究流域出口处花园口站的径流量和输沙量分别下降约43%和86%。突变点检测的结果表明位于中游站点的水沙突变时间滞后于上游站点,分别在1980s中期和1990s末。（2）1971-2016年的气象数据的时间序列变化结果显示,降水以0.29mmm/年的速率不显著地增加,温度以0.035℃/年的速率显著增加。相对于研究的基础期（1971-1990年）,变化期（1991-2016年）流域多年平均降水量略微下降（4mm）,温度大幅度上升（0.9℃）。研究流域温度的大幅度上升和降水的略微增加以及风速显著增长,一定程度上促使蒸散发增加,相对湿度明显下降。基于对未来气候的预测,RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5排放路径下的三个大气模型集合平均值在2008-2099年相对于基准期1976-2005年,温度（最高温度/最低温度）大幅度上升,最高温度为1.1-4.8℃,最低温度为1.1-5.1℃;整体上降水量略微上升,上升率为 5.3%-19.9%。（3）通过对比1980-2015年土地利用图,研究区域主要土地利用类型是草地和耕地,都大约减少7.9%,森林和城市的面积增长幅度最大,分别超过41%和75%。1982-2015 年期间,归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index:NDVI）从黄河上游至中游呈现不同程度的增加,其中黄土高原中部头道拐到龙门区域增长最为明显,为0.0017/年。表明黄河中上游流自上世纪50年代实施的水土保持措施以及1999年开始的“退耕还林”工程对区域景观产生了显著地影响。（4）由于受环境异质性较大的影响,本文分别采用两组参数对黄河中上游流域1971-1986年8个测量站（唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、潼关、三门峡、小浪底、花园口）月径流量和2个测量站（唐乃亥、兰州）月输沙量进行校准和验证。结果显示:上中游站点径流量在校准期和验证期的R2和NES均大于0.5;两个站点的月输沙量在1971-1978年R2分别为0.61和0.56,NSE均为0.61和0.56,在1979-1986模拟平均值与观测值接近,偏差分别为0.9%,-15.8%。模型性能表明,上游、中游站点两组径流参数和两个时间段的泥沙参数能够更好地理解环境变化下的水文过程。（5）利用SWAT模拟的情景评估土地利用和气候变化对流域水沙产量变化的影响以及对其贡献率分析。土地利用效应降低了 1.9%的径流量,对总径流量的减少贡献约5.8%,而气候变化效应减少4.9%的径流量,对总径流量的减少贡献率约为13%。兰州以上区域输沙量（a,b两组参数）在土地利用变化的情境下分别增长12.1%和8.4%,气候情景下分别增加7.0%和7.2%。受未来气候变化的影响,在GCMs下的未来时期三个阶段降雨量和温度呈不同程度地增长,径流量大幅度下降,大约为21%-31%;兰州站点以上区域的输沙量下降约40%-50%。本研究结果表明,近几十年黄河的水沙大幅度下降。SWAT模型能够很好地适用于量化高寒干旱地区径流变化,同时两组参数也反映了上中游区域环境（气候、地形、海拔）异质性较大,但对模拟泥沙演化的过程反映模型受环境变化的影响较大,需要进一步改进。土地利用和气候变化对泥沙的影响均大于对径流的影响;黄河上游土地利用在减沙方面占主导地位,而气候变化影响的变异性较大;受气候变化的影响,水文过程波动较大。未来气候变化下黄河中上游流域可能会面临严峻地干旱缺水问题。本研究结果可为黄河水-沙平衡的科学调控、流域综合治理与区域生态环境的可持续发展提供科学依据以及理论支持。