变化环境下,流域水循环系统正在发生快速变化,给区域水资源安全带来严峻的挑战。过去流域水循环研究通常是静态、分散的,主要侧重于地表水循环过程,未形成流域尺度下系统的研究理论体系。本文在构建变化环境下流域水循环演化理论研究框架的基础上,改进、提出新的技术方法,以太子河流域和柳河流域为例进行研究,综合考虑地表水与地下水在不同层面和时空尺度下对变化环境的响应规律,定量揭示典型流域在不同变化环境下的水循环演变机理,构建了水循环演化模式,具有重要的理论和实践意义。主要成果如下:（1）构建了变化环境下流域水循环演化的理论研究框架从变化环境和水循环的基本概念出发,在阐述变化环境下水循环的基本特点,概述研究的理论基础,揭示变化环境对水循环的影响机理,提出流域水循环演化基本模式的基础上,从历史、现在和未来的角度,论述了变化环境下流域水循环研究的关键问题、总体思路和主要内容,综合考虑流域地表水循环与地下水循环过程,系统构建变化环境下流域水循环演化的理论研究框架,更新和发展了变化环境下流域水循环演化研究,具有重要理论意义。（2）扩展了变化环境下流域水循环演化的研究方法针对具体问题,进一步完善了相关技术方法:（1）采用降水调节函数和时变参数w对Budyko-Fu水热耦合方程进行改进,提高了方程模拟精度,扩展了应用范围;（2）提出定量揭示河水-地下水转化关系及动态变化过程的累积转化模型;（3）提出考虑生态流量和水文过程变化的水文情势综合评估方法;（4）提出多情景集合径流预测方法和基于改进Budyko-Fu方程的径流预测方法。上述方法的改进不仅提高了评价结果的准确性,也为变化环境下的流域水循环演化研究提供技术支撑。（3）以半湿润的太子河流域为例开展变化环境下流域水循环演化研究天然条件下太子河流域水循环以降水-地表/地下产流-河道为主要模式,降水中34.67%转化为径流,65.24%以蒸散发的形式耗散。变化环境下水循环要素、路径与结构发生显著变化,具体表现在:年降水不显著下降,径流普遍减小,地下水水位普遍下降,集中开采区形成降落漏斗。降水中29.98%转化为径流,转化能力下降13.75%,其中气候变化对径流减小的贡献率为40%～60%,人类活动对部分支流径流减小（细河、兰河和汤河）的贡献率达71～84%。通过新增社会取水-用水-排水路径,流域形成了农田与城市水循环系统。水库对水循环结构变化起着关键作用:水库使径流在5、6月份显著增加,大大减小了汛期径流峰值,增加了汛后的平均流量,径流组分的变化导致生态盈余与赤字的产生,年均断流天数增加近6倍。此外,水库阶段性放水使下游河水-地下水转化呈阶段性变化,呈现3种基本模式。未来径流预估结果显示,在2021～2070年,流域径流将增加5.0～39.0%,土地利用规划情景和自然发展情景下径流分别增加2.5～3.5%和0.5～1%。（4）以半干旱的柳河流域为例开展变化环境下流域水循环演化研究天然条件下柳河流域水循环模式以降水-蒸散发-产流为主,降水中87.05%以蒸散发的形式耗散,仅12.95%转化为径流。变化环境下水资源耗散能力增强,降水中5.73%转化为径流,转化能力下降52.05%。流域径流量自1970年以来减小了56.3%,人类活动的贡献率高达86.3%,上游水土保持措施是引起流域产流能力大幅度降低的主要原因,使径流变化对降水变化的响应程度下降了57.25%,并形成水土保持下的水循环模式。气候变化的影响主要体现在汛期降水减小引起的洪水量减小上。下游水循环变化以地下水开采为核心,地下水位普遍下降1～2m,使河水-地下水转化呈显著规律性变化,逐渐由地下水补给河水向河水渗漏补给地下水过渡。河水渗漏与水库调蓄使下游断流情况趋于严重,确定了考虑河道损失量下的逐月生态流量,较理论值增加21.36%。使用校正的SWAT水文模型预估了水土保持措施下柳河流域未来径流的变化,结果显示未来径流将增加7.58～18.19%。整体上柳河流域水循环系统对环境变化具有高度敏感性。总体上看,变化环境下两个典型流域均形成新的水循环模式。对太子河流域而言,变化环境对水循环的影响是直接、宏观的,主要体现在水循环路径和结构的变化。变化环境对柳河流域的影响则是间接、永久性的,主要体现在下垫面产流性质的变化。典型流域的研究不仅对太子河流域和柳河流域水资源规划、利用与管理具有重要现实意义,也为同类研究提供了参考。