人类对资源的攫取改变了地球系统的原有状态。同时,地球系统在其长期的演变过程中,具有其固有的周期性和运动规律,二者共同演绎了环境变化。探讨流域水循环和水资源对环境变化的响应,是目前学术界研究的重点和热点。论文选择长江流域及美国多个流域为研究对象,分析研究了极值降水指标、长江流域未来径流变化、防洪危险度及风险、洪水频率与水量平衡在不同时间尺度的相似性和关联性等,探讨变化环境下流域水文极值事件和水量平衡的响应。论文的主要研究工作成果和创新点如下：(1)从降水的量级、强度和持续性等三个方面选择了多个极值降水指标,分析了长江流域历史和未来极值降水指标的变化趋势。历史参考阶段无任何极值降水指标存在普遍的显著增加或者减少趋势。21世纪的上半叶,所选指标中的绝大部分显示出增加或者减少趋势的混合型特征,降水极值指标的变化和温室气体排放浓度有很强的对应关系；强降水和干旱的极值指标在长江下游地区同时增加。(2)比较了ASD和Lars-WG统计降尺度方法在降水模拟研究中的实际应用效果。采用多模式耦合的方法以降低气候模式不确定性造成的影响。结合Budyko假设的不同曲线形式,分别计算得到影响未来径流变化的敏感性参数。在未来三个时期影响长江流域径流变化的主导因素不同。(3)建立了宜昌～沙市、宜昌～螺山的多输入单输出系统模型和防洪风险分析模型,计算长江中游防洪控制点发生超标准洪水的风险率,结果表明三峡水库提前蓄水方案并未增加长江中游的防洪风险。建立了平均组合灾变度比和遭遇次数分布系数两个评价指标,定量分析了鄱阳湖流域洪水遭遇规律和危险度。(4)基于MOPEX数据集提取表征水量平衡特性的干旱指数和基流指数,二者分别指代气候条件和下垫面对年最大洪水的一阶和二阶控制要素。为洪水频率曲线具有功能相似性的水文一致性区域划分提供了一种创新方法。在另一个层面,了解年度水平衡和洪水频率之间的联系,为全面整体了解流域径流的行为方式奠定基础。(5)通过重新定义干旱指数,建立了年度干旱指数和年最大洪水之间的统计关系,从而揭示了二者关系在“流域间”和“年度间”的对称性。代表年最大极值事件的季节性指标和水量平衡的季节性指标之间存在显著的递增关系,以干旱指数为标准划分的干旱和湿润年份之间对比,干旱年份的年最大洪水具有较强的季节性,并没有发现干旱指数和季节性指标之间的时空对称性。