本研究利用长江、黄河和辽河三大流域193个水文站点的水文观测数据计算径流系数,分析了径流系数及流域特征的空间分布格局,发现径流系数对流域特征的响应存在空间异质性.利用贝叶斯递归回归树模型(BRRT)结合气象条件、土地利用/覆盖、土壤性质、地形四类环境因子建立了基于水量平衡的显性水文响应方程,与常用的水文相似性分析方法(流域结构相似、水文特征相似)的模拟结果进行对比,并基于水文区划的结果分析了水文响应差异性的原因及控制因素.研究发现:水文响应相似方法在无资料流域径流模拟中优于流域结构相似性和水文特征相似性.水文响应的差异性受耕地比例、坡度和黏土比例控制,且水文响应差异性表现在水文响应控制因素和敏感性的差异两个方面.其中水文响应控制因素方面,降水是影响南方长江流域水文响应的控制因素,而非降水因素如温度和粉粒比例则控制北方黄河和辽河流域的水文响应过程.水文响应的敏感性则主要受降水和黏土比例影响.此外,基于BRRT算法得到的水文响应模型可推广性强,可应用于无资料流域径流系数的模拟,实现无资料流域水文预报,对今后的水文模型的构建也具有指导意义.