水资源短缺、生态环境恶化等已成为制约我国全面建设小康社会的瓶颈和突出矛盾,解决矛盾的根本途径是建设节水型社会。节水型社会建设是一项制度建设,其本质特征是以水权、水市场理论为基础的水资源权属管理体系。本文从我国水资源权属管理体系运作的现实出发,考虑到水资源“量”与“质”不可分离的特殊性,对国家在流域水平上向区域的水权分配问题展开研究。在对水权、水权分配、水权分配模型相关研究的分析基础上,从多个角度论证水量与水环境容量统一分配的必要性与科学性,提出流域二维水权的定义,继而对流域二维水权分配进行了若干拓广性的模型研究,具体如下：(1)建立了流域二维水权未清晰界定与清晰界定情况下的水资源利用效率模型,并进行经济分析,旨在说明流域二维水权初始分配的必要性。模型结果表明：在流域二维水权清晰界定并且建立流域二维水权市场下,全流域的Nash均衡取水总量与排污总量将小于在流域二维水权未清晰界定下的Nash均衡取水总量与排污总量。这说明：流域二维水权的清晰界定有利于保护各主体的权益,达到保护水资源、减少水资源利用冲突的目的,从而缓解水量短缺与水环境恶化的趋势,实现流域的可持续发展。(2)建立了流域二维水权再分配两种主要机制——集中分配和市场分配的数学模型,对两种机制存在的问题进行科学剖析。结合集中分配和市场分配两种机制的优缺点,以两种机制相结合的分层混合分配机制作为流域二维水权进行再分配的机制,并建立分层混合分配机制的数学模型证明：通过流域二维水权的平衡价格系统的调节,分层混合分配机制不但能够实现集中分配带来的整体效益最大,克服集中分配中信息不真实的缺点,而且还能够反映市场分配下各主体自行独立的决策行为,提高水资源的利用效率。(3)建立了不同主体的需水量预测模型。根据不同主体的用水特征,建立适应其需水量变化的灰色预测模型,并通过算例进行验证。算例结果表明：基于函数变换改进振荡序列的GM(1,1)模型能够反映出各地区需水量序列所具有的波动性,并提高了数据拟合的精度；基于背景值与初值同时优化的GM(1,1)模型在拟合各部门需水量序列时,具有较高的精度。(4)建立了流域二维水权初始分配模型。模型中,对经济、社会、环境等目标函数进行了具体量化,并设置了水源的可供水量约束、输水系统的输水能力约束、需水量约束、污染物排放量约束、协调发展约束、变量非负约束等,在形式上较完整地反映了流域二维水权初始分配的原则与决策机制。结合流域二维水权初始分配模型多目标、多关联、非线性、可分离性的特点,运用大系统总体优化-混合遗传算法对模型进行求解。最后,通过建立碧流河流域2010年不同保证率下的流域二维水权初始分配模型,分析和验证了模型的有效性与可操作性。(5)建立了流域二维水权交易决策模型,运用二层规划方法对地区之间的流域二维水权交易进行了建模研究。模型以流域管理机构作为整体计划、控制、协调中心的上层决策主体,以各地区作为具有相对自主决策权的下层决策主体,在形式上能够体现流域二维水权再分配中的分层混合分配机制与二层决策机制。最后,通过算例对模型进行了验证。算例结果表明：该模型符合流域二维水权交易中的优化决策过程,能够有效地协调全流域的整体利益与各主体的局部利益,达到流域二维水权最优分配的目的。