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针对水文要素的时空变化具有高度非线性的特点，采用非线性的分析方法，包括R/S分析法、Hilbert-Huang变换及混沌理论与神经网络相结合的方法，研究汉江上游的两个代表水文站——石泉和安康水文站的径流及洪水在复杂环境中的演变过程和规律。以期为汉江的防洪与发电调度、流域水资源规划与配置起到支撑作用。论文取得的主要研究成果如下： (1)通过对石泉和安康水库径流特性和暴雨洪水特性分析，结果表明：径流年内分配丰枯明显，汛枯期径流差异较大；径流年际分配不均匀，径流量总体呈现下降趋势；洪水年际变化极不稳定，流量变化幅度很大。年最大洪峰流量代际变化统计结果呈有规律的波动变化，且变化程度较为剧烈，总体来说，两站的年最大洪峰流量变化呈下降趋势。 (2)采用Kendall秩次相关检验及Spearman秩次相关检验对石泉、安康站的径流及年最大洪峰流量序列的趋势性进行了分析，并采用R/S分析法对趋势状态的持续性进行了分析。分析结果表明，石泉、安康站的年径流序列均呈现显著递减趋势；年最大洪峰流量序列均呈现不显著递减趋势；石泉站除2月、3月、4月和11月月径流序列变化均存在显著递减趋势外，其余各月径流序列变化存在不显著递减趋势；安康站除4月径流序列变化存在显著递减趋势外，其余各月径流序列变化存在不显著递减趋势；石泉、安康站的年径流序列、月径流序列及年最大洪峰流量序列均具有状态持续性，即其呈现出的下降趋势未来还将继续。 (3)对石泉、安康水文站的年平均流量和年最大洪峰流量进行了EMD分解，得出其演化过程的内在模函数和趋势项，并对内在模函数做Hilbert-Huang变换。由内在模函数的周期值分析得，石泉站年均流量变化存在3．19年、7．03年和14．81年的周期；安康站年均流量变化存在3．14年、7．08年和18．31年的周期。石泉站年最大洪峰流量变化存在3．06年、7．11年和24．98年的周期，安康站年最大洪峰流量变化存在3．01年、6．07年、15．97年和29．65年的周期。结果表明HHT变换用于处理非线性、非平稳水文时间序列，能够定量的描述序列的时频特性，有很好的分析效果，较传统的时间序列分析方法更具优势。 (4)建立了一种将混沌理论和BP神经网络相结合的预测模型。应用G-P算法和Lyapunov指数法，检验出石泉、安康水文站月平均流量时间序列具有混沌特性，可对其序列中所反映出的内在确定性进行预测。以重构相空间中最佳嵌入维数来确定BP神经网络中输入节点数，并建立了基于混沌相空间重构理论的径流量预测BP网络模型。模型预测结果精度较高，证明模型结构合理，能够有效的进行预测。