气候变化和人类活动在过去几十年中已导致许多流域水资源的变化。研究气候变化下的流域水文响应不仅对完善流域水文理论和分析方法具有重要的科学意义，而且对流域水资源评价和管理具有重要的实践意义。论文选取了不同气候和下垫面条件下的典型流域，开展了气候变化下流域水文响应研究，采用的方法包括基于观测数据的统计回归模型、集总式概念模型和分布式水文模型，比较了不同模型的结果，定量识别了气候变化和人类活动对流域径流变化的影响。通过引入前期影响雨量的概念，论文提出了考虑流域蓄水量年际变化影响的气候弹性模型，以及通过考虑流域蓄水量年际变化的影响改进了现有的水热耦合平衡模型。基于改进后的流域水热耦合平衡模型理论推导了径流弹性系数，分析了中国296个典型流域径流变化的原因，计算的气候弹性与统计回归模型的结果具有较好的一致性。结果表明降水量变化是径流变化的最重要因素，在中国湿润地区（干旱指数小于1），年降水量增加1%（约为14.3mm）导致年径流平均增加1.7%（约13.7mm）；在中国干旱地区（干旱指数大于1），年降水量增加1%（约为5.7mm）导致年径流平均增加2.1%（3.3mm）。此外，还定量分析了澳大利亚193个典型流域气候变化对径流和植被的影响，结果表明年降水量增加1%（约为9mm）导致年总径流、地表径流和地下径流分别增加3.3%（约为5.1mm）、3.5%（约为2.6mm）和2.9%（约为2.5mm）。基于流域水热耦合平衡模型，区分了气候变化和下垫面变化对径流变化的影响程度，结果表明，在海河、黄河下游、松花江下游和辽河流域，下垫面变化是径流变化的主要原因，而其他流域的径流变化主要受气候变化影响。同时模拟了我国典型流域的年径流，通过与实测径流的对比表明考虑流域蓄水量年际变化的水热耦合平衡模型具有较好的模拟能力，但湿润地区的模拟精度高于干旱地区。针对潘家口水库入库径流过去50年的变化，论文构建了潘家口流域的分布式水文模型，模拟了流域过去50年的水文过程，并分析了水量平衡要素的长期变化及各子流域的多年和年水量平衡关系。在此基础上，综合统计回归模型、水热耦合模型和分布式水文模型，提出了流域径流变化综合分析框架，为变化环境下流域水文响应的研究提供了有益参考。定量评估了人类活动和气候变化对潘家口水库流域径流的影响，并模拟了未来气候情景下径流的可能变化。