土地利用变化是下垫面变化和环境变化的重要方面,引起流域水文过程和不同尺度生态环境系统结构和服务功能的改变。研究土地利用和地表覆盖变化及其水文循环过程响应和生态环境效应,对于流域规划、水利工程建设和维护生态安全具有重要意义。本文以滦河水系潘家口水库以上流域为研究背景,分析流域土地利用的变化及其对流域生态功能分区、水文分量、生态安全状况和水库生态调度规则的影响,为流域水资源和生态环境问题决策和管理提供依据。本文主要研究方法和结论如下:(1)使用马尔科夫土地利用转移矩阵分析不同时期土地利用类型面积变化基本特征,并使用克里金插值法分析土地利用综合动态度的空间变化。结果显示:流域主要土地利用类型为耕地、林地、草地,其中林地面积最大,占流域总面积的37.40%~39.68%。土地利用类型转移主要表现为耕地、林地和草地之间的相互转移,不同时段耕地、林地和草地之间相互转移面积之和占流域总面积的比例在80.45%~84.50%之间。空间分布上土地利用综合动态度在流域南北分布有两处高值区。(2)选取DEM地形数据,积温、降水量和干燥度气象数据,以及土壤、土地利用类型和NDVI数据作为分区指标,以子流域作为基础分区单元,将研究区域划分为5类生态分区,并分别使用1970和2015年土地利用数据计算流域生态分区,分析了土地利用变化对生态分区的影响。结果表明:耕地、林地和草地3类面积最大的土地利用类型在1970~2015年间的转移变化是引起流域生态分区变化的主要因素,土地利用的变化通过影响生态分区指标直接或间接的影响了流域生态分区的空间分布。(3)采用MWP、Brown-Forsythe、有序聚类和Lee-Heghinian突变检验法分析径流突变点,建立分布式水文模型,并选取不同时相土地利用数据,分析土地利用变化对产流、蒸发和地表径流量的影响。结果表明:1970~1990年和1990~2015年不同土地利用条件下潘家口水库以上流域各水文站多年平均径流量呈下降趋势,土地利用的变化导致了研究区产流、蒸发和地表径流量空间上的改变。(4)建立包含自然、经济和社会因子的指标评价体系,通过PSR模型、综合指数法和改进集对分析研究流域生态安全状态,并采用1970、1990和2015年土地利用数据,使用等级转移矩阵和Getis-Ord Gi~*热点分析,研究了土地利用变化对生态安全的影响。结果表明:人为活动驱使流域土地覆盖类型组成和结构发生改变,使得流域生态安全水平产生空间上的较大差异。另外,不同时相下土地利用类型的变化使流域生态安全水平在空间上发生了重要改变。(5)利用物理栖息地模型Phabsim的可用栖息地面积计算结果和水文统计法确定河道最小和适宜生态流量,构建水库生态调度模型,对不同水平年水库供水量和鲤鱼可用栖息地面积进行统计,计算土地利用变化对水库生态调度的影响。结果表明:与Tennant法和多年平均流量的10%两项得到广泛应用和认可的水文学法生态需水量计算方法相比,以物理栖息地面积确定河道生态环境需水量具有适用性和合理性;水库生态调度模型大幅提高了河道适宜和最小生态需水量供水效率以及鲤鱼可用栖息地面积;土地利用的变化导致了水库生态调度中城市和河道供水量的减少,影响了水库下游河道鲤鱼生物栖息地环境的变化,导致鲤鱼可用栖息地面积的降低。