由于受全球变化和人类活动的影响，水资源形成、转化过程中的水循环机制变得越来越复杂，水与气候、水与生态、水与社会、水与经济的关系错综复杂、矛盾和冲突日益突出。水循环与流域生态环境的关系十分密切。本研究以流域水循环的模拟和水循环机理分析为主线，对流域水循环模拟模型-大尺度分布式时变增益模型LDTVGM模型(Large scale Distributed Time-Variant Gain Model)作了很大改进，在模型中增加了作物生长模块。通过土壤湿度、蒸散、叶面积指数(LAI)将LDTVGM模型与作物生长模块结合起来，提高了LAI模型的机理性和模拟精度，改善了LDTVGM模型对蒸散的模拟。在海河流域的应用证明：改进后的LDTVGM模型取得很好的效果，主要研究成果总结如下：　　 1、流域的河网提取与子流域划分：在水平方向上经过划分，提出子流域分区编号法，将各分区流域的特征信息集总，得到一个全区域的子流域信息表，方便进行下一步模型的产汇流模拟，利用不同分区子流域间的水量交换，模拟闭合流域间的水循环相互作用。随后在分布式时变增益流域水文模型(Distributed Time-Variant Gain Model，DTVGM)的基础上，加入土地利用/覆被变化、人类取用水等模块，将流域水文模型拓展到大尺度的区域水循环模拟，建立了大尺度分布式时变增益模型(LDTVGM)。　　 2、基于作物生长模型WOFOST的原理，在LDTVGM模型中加入机理性较强的作物生长模块，取代对LAI的经验式计算，同时，改善了对蒸散的模拟，提高模型模拟了LAI和蒸散的精度。博士期间研究发现WOFOST模型不适用于大区域的模拟，在博士后期间将研究深入了一步，改进了各子流域积温的计算模式，使模型能准确地模拟具有不同积温的子流域作物的生育期，适合大流域的模拟。　　 3、在对作物生长模块进行校正验证后，进行了有无作物生长模块的模拟结果对比。结合作物生长模块后，显著地增强了时变增益模型对蒸散、径流、土湿的模拟能力。在没有结合作物模块时，时变增益在模拟有植被的子流域时会产生较大的误差，对蒸散、径流、土湿的模拟能力较弱。结合作物生长模拟后，大大地增加了模型对蒸散、径流、土湿的模拟能力。因此，模型可用于有植被子流域的水循环模拟，并且提高了模拟精度，大大提高了模型模拟的能力，扩展了模型的潜在应用区域。　　 4、LDTVGM被用来模拟海河流域1997-2000年的水量平衡与作物生长。结果表明，受气象因素的影响，海河流域作物产量的分布存在明显的规律性。冬小麦潜在产量变化在3275-10323 kg/ha之间，平均值为8140 kg/ha。雨养产量变化在2082-5701 kg/ha之间，平均值为3847 kg/ha。夏玉米潜在产量变化在4563-12110 kg/ha之间，平均产量是8713 kg/ha，雨养产量变化在1971-7223 kg/ha，平均产量是4154 kg/ha，这与博士期间的研究一致。　　 5、海河流域内冬小麦水分胁迫值变化在37.8％到64.3％之间，平均值是47.5％，呈现出南北部水分胁迫较轻中间较高的趋势。夏玉米水分胁迫值的分布趋势与降雨量的分布趋势密切相关。由于海河流域年降水量的60％到70％发生在6—9月，即夏玉米的生育期，因此夏玉米的水分胁迫程度稍比冬小麦低。　　 6、雨养生长下，海河流域冬小麦生育期内的蒸散值变化在332 mm到612mm之间，平均值是457 mm。夏玉米的蒸散值变化在340 mm到583 mm之间，平均值是471 mm。　　 7、海河流域雨养条件下冬小麦的水分利用效率依地区不同变化在0.35到1.45 kg/t之间，平均值为0.84 kg/t。水分利用效率较高的区域有京津唐及其以北，以及沿黄河一线如新乡、朝城附近。夏玉米的水分利用效率变化在0.40到2.09kg/t之间，流域平均值为0.9 kg/t。海河流域冬小麦与夏玉米的水分利用效率整体处于较低水平。　　 8、模型校正验证以及应用研究得到的结果表明，结合后模型正确地反应了作物生长对气象要素的响应和以及对水分的消耗，模拟得出的结论基本合理，与实际情况吻合较好，基本实现了模型耦合研究的既定目标。　　 博士后期间做的第二个课题是西营河专用输水渠环境影响评价工作的工程对水文情势的影响分析。该项目是在中国水利水电科学研究院水环境研究所的主持下，结合课题组内的课题项目完成的。西营河位于甘肃省武威市石羊河流域，石羊河流域是甘肃省河西走廊的三大内陆河流域之一，是西北地区水土资源开发利用水平最高的区域。然而，水资源过度开发以及其他一些不合理的土地利用方式，造成一系列的生态、经济和社会问题，以及民勤绿洲的衰败，成为西北干旱荒漠区水资源开发利用中出现的最具代表性的问题之一。研究石羊河流域重点治理规划中的西营河专用输水渠对水文情势的影响，在西北内陆河区具有代表性与典型性，能够为干旱区域的环境影响评价提供可供借鉴的方法与经验。主要结论如下：　　 1、西营河专用输水渠工程利用西营水库丰水期向下游民勤输水，符合全流域协调发展、上中下游合理用水的原则，工程建成后基本能实现既定的目标，其环境影响的正效应显著，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。本工程对水文情势的不利影响主要是汛期减少对西营灌区的供水量和河道弃水，影响中游地区地下水补给。通过全流域落实节水项目，实施节水措施，减少地下水开采，可以减轻以上影响，中游地下水基本能达到采补平衡。　　 2、本工程能否发挥作用、达到预期效果，民勤生态环境能否改善，中游地区生态环境能否得到保护和修复，关键在于全流域都要按照《石羊河流域重点治理规划》的思路，狠抓“节水”，使工程有水可调、下游有水可用、中游不受调水影响。由于农业灌溉用水在总用水量中占很大比重，节水的关键在农业；要调整经济结构，改变生产方式，压缩农作物播种面积，发展节水农业；同时要创新机制，加强流域的综合管理，彻底改变生产和生活用水挤占生态用水、水资源过度开发和无序使用的局面。　　 3、由于现有资料不足，本次工作尚未清楚地掌握区域地下水的动态和补给平衡。水是石羊河流域最关键的约束性资源，地表水地下水的转换关系对流域生态的稳定具有重要作用，因此，非常有必要全面掌握流域范围内大气水、地表水和地下水的转化关系，建议全面加强地下水的长期观测和有关科研工作，以检验工程的效益和对中游地区的影响，掌握石羊河流域地下水变化的规律以及地表水和地下水之间的转化关系，为工程的正确使用和流域综合治理提供科学依据，也为《石羊河流域重点治理规划》的顺利实施提供科学的基础数据。