变化环境下的水资源规划和管理问题成为研究的新热点，采用新的思路和方法探索水资源系统具有重要意义。在比较了传统的水资源系统分析方法之后，本文采用基于主体的建模方法和复杂水资源系统分析理论，这种分析方法可以较好的理解水资源规划管理的微观机理、中观演变和宏观政策。通过数学推导，先研究了一个由三个用户组成的简单流域，之后扩展到一个一般性的复杂流域。初步探索了水资源系统的时空分布特征，并结合基于主体的建模思想，从理论上证明了分布式优化算法的可行性。设计开发了新的分布式优化算法，该算法不仅能够求解模型，而且可以给出严格的理论证明具有最优性。随后，先将模型在一个虚拟的流域中进行应用和情景对比，得到关于水资源配置时空异质性的几点结论，并给出初步的建议；然后将模型实际应用到黄河流域中，以期为更合理的水资源配置策略制定提供科学依据。在算法的具体实现中，本文充分结合了水资源的经济价值，通过经济效益、水权、水价等市场体制下的指标对水资源配置进行了研究。水资源系统的空间约束，给水资源配置带来了效益损失，增加调水工程，可使水量交易得以实现的更广泛，从而带来系统效益的增加。空间约束使得系统在最优状态时下游用户总是具有比上游用户更小的缺水压力。时间分布不均，使得不同时期的缺水压力不同。水资源量稀少的时候，从外流域调入水带来的经济收益更明显。具有合理交易规则的水市场在一定程度上是可以有效运作的，本文中的算法可以通过合理的初始水权为水市场找到最优水权分配方案。