近二三十年来,在人口膨胀、水资源短缺、环境污染和气候变化等研究需求的推动下,水文科学研究领域不断拓展并趋于综合,全球水文学、生态水文学和环境水文学等水文研究领域的兴起和不断地深入给水文科学的发展和应用带来了巨大的机遇和挑战。传统的水文基础与理论已经不能满足不同研究领域对水文科学的需求,变化环境下的水文循环规律和理论研究是气候变化的水文响应、非点源污染、水资源综合管理、土地利用/覆被变化的水文响应等重大科学问题的基础,是水文科学亟待解决的难题。在我国,水问题已经成为了影响我国经济和社会可持续发展的瓶颈之一,而变化环境下的水文循环及其建模研究是解决我国当前严重水危机的基础和有效方式之一。因此,探讨变化环境下的流域水量平衡问题具有十分重要的意义。　　 为了揭示变化环境下流域水量平衡机理及模拟方式,本论文基于中国和美国大量流域和数据分析了流域年际水量能量平衡,之后进一步研究了人类活动和植被动态变化与流域水量平衡之间的关系,最后在人类活动和植被与流域水量平衡之间相互作用的基础上,全面细致地分析了变化环境下分布式水文模型应用研究和需求,结合SWAT模型浅析了变化环境下分布式水文模拟的一些问题。本论文的主要结论如下:　　 (1)借助遥感ET数据的优势,在Budyko理论框架中通过研究年际ET的变异性分析了年际尺度上流域水量和能量平衡,采用UM_ET数据建立了年际尺度上(1983～2006年)ET/P和PET/P的关系,研究发现线性关系能够很好地描述年际水量和能量平衡状态,即ET/P=α·PET/P+β,而不再是Budyko曲线或者类似Budyko的曲线,该关系用中国139个流域和另外一个独立的ET数据得到了验证。美国研究流域线性关系的确定性系数(R2)均值为0.93,在半干旱地区线性关系稍弱(平均R2=0.88)。进一步分析发现,在年际尺度上流域水量能平衡除了决定流域年际水量和能量平衡的水量(P)和能量(PET)供给因素之外,流域土壤水的调蓄作用、植被对年际气候变异的响应以及人类活动是导致年际水量能量平衡呈线性变化形式的主要因素,而且这些因素与线性关系的强弱和斜率有关。　　 (2)进一步对美国研究区人类活动与流域水量平衡分析表明,农业耕作强度(547个流域)和农业灌溉强度(48个流域)有明显增强流域水量能量年际平衡线性关系的趋势,随着农业用地覆盖度和灌溉用地覆盖度的增加流域ET/P与PET/P线性关系的确性定性系数不断加大。说明了人类活动能够增强水量能量年际平衡的耦合关系,并且能够改变流域年际ET对能量和水量供给的依赖关系。在Republican River Basin10个子流域ET、P、PET和人类灌溉用水(PUMP)的相互关系分析表明,ET/PUMP与PET/PUMP之间有很好的线性关系,即ET/PUMP=k·PET/PUMP+b,并且能够很好地预测流域的农业灌溉用水。更为详尽的资料揭示了人类活动与自然耦合的关系使得农业耕作和灌溉强度有着增强水量能量年际平衡的耦合关系的趋势。　　 (3)对流域植被动态变化与流域水量平衡关系研究发现,流域P或PET在不同气候区对年际NDVI动态变化控制作用的不同,参照Budyko理论框架,构建了NDVI-Budyko关系,及多年平均NDVI/P与PET/P相关关系,并能够很好地反映NDVI空间分布关系。与水量能量年际平衡线性关系相似,年际NDVI的变动可以用NDVI/P=m·PET/P+n的线性关系描述,斜率m反映潜在蒸散发对年际NDVI变化的影响,而截距n反映的是降水P对年际NDVI变化的影响。一方面说明流域ET和植被动态变化在多年和年际尺度上的空间分布特征主要是由流域水量和能量供给状态决定的,另一方面也反映了流域植被条件与流域水量平衡之间的相互作用关系。此外,农业耕作对流域植被的影响也在文中加以分析。　　 (4)详细回顾和总结了当前分布式水文模型的发展趋势,并系统分析了分布式水文模型在气候变化、土地利用/覆被变化水文响应、缺资料地区水文预报、生态水文学和水资源管理等领域的应用研究与建模需求,表明变化环境下的水文理论和模拟技术是水文科学亟待解决的难题。结合SWAT模型分析指出本论文着重分析的年际时间尺度上人类活动和植被动态变化与流域水量平衡之间的关系是自上而下的方式,很好地识别了不同时间尺度上人类活动和植被与流域水量平衡相互作用和影响的关键因子和本质,并且能够为复杂而存在很大不确定性的分布式水文模型提供参考和验证。　　 论文的主要创新点为:　　 (1)发现了流域水量能量平衡在年际尺度上为线性关系,即ET/P=α·PET/P+β,丰富和发展了Budyko理论；　　 (2)揭示了农业耕作活动与流域气候条件之间的耦合关系,发现了流域年际和年内灌溉量(PUMP)与气候条件之间的定量关系,即ET/PUMP=k·PET/PUMP+b；　　 (3)分析了流域多年平均和年际植被动态变化与流域气候条件之间的耦合关系,建立了类似于流域多年和年际水量能量平衡的NDVI—Budyko曲线和线性关系,用于描述植被动态变化与气候波动之间的相互耦合关系。