维持森林生态系统功能的良好发挥是区域经济社会可持续发展的重要基础。森林水源涵养功能是森林提供的一项重要生态系统功能。本研究以华北土石山区森林生态系统为对象，从坡面尺度上分析降雨特征和森林相关特征对地表产流的影响机制，然后在流域尺度上构建SWAT模型，情景模拟森林覆盖率变化对水量平衡各组分的影响，分析土地利用类型对河道径流中几个水化学指标季节变化的影响，并以此提出坡面和流域尺度上森林水源涵养定量评价的关注重点。最后，根据坡面和流域尺度森林水源涵养特征及其关键生态水文过程，提出了基于元胞自动机的森林水文动态定量评价模型理论框架。本研究得出以下主要结论:　　1)提出半干旱地区日尺度林地土壤水分模型　　构建了半干旱林地日尺度土壤水分动态模型，该模型能够较好的反映林地土壤水分收支特征。与将降雨作为土壤水分的收入项相比，将穿透雨作为输入项能显著提高模型模拟结果。模型参数的敏感性分析表明，不同目标函数的参数敏感度信息反映了该模型参数具有较强的物理意义。　　2)定量评价坡面尺度地表产流的主要影响因素及其作用机制　　在半干旱地区降雨特征是影响地表产流的最主要因素，但其作用大小受到森林生态系统相关特征的影响。穿透雨对坡面径流的作用受到其他森林生态系统特征，如林下枯落物量和前期土壤含水量等因素影响。林下枯落物层通过影响径流流速来影响径流形成时间及大小。前期土壤含水量对坡面产流的影响较小。　　3)流域尺度森林生态系统调节水量和净化水质功能分析　　土地利用类型转换对水量平衡各组分的影响并不是线性关系，土地利用变化对径流及各组分较其他水分通量影响明显。森林覆盖率下降较森林覆盖率增加对径流及其各组分的影响明显，特别在非汛期更显著。半干旱地区森林具有调节水量的功能，但流域总产水量会显著减少。对典型站点的监测数据分析发现，不同土地利用在不同季节表现出对污染物的源、汇特征，主要跟气象条件及污染物赋存形态有关。　　4)提出基于元胞自动机的森林水文动态定量评价模型框架　　模型模拟是定量评价森林水文动态过程的重要途径。基于坡面尺度不同影响因素对地表产流的作用机制以及流域尺度森林水源涵养的特征，提出基于元胞自动机的森林水源涵养量模型，将森林水文响应单元网格化作为元胞空间的基本单元，将元胞单元对不同降雨事件的响应分为不产生径流和产生径流两种情况，通过对蒸散发、邻域元胞间水量传输、深层渗漏等制定转换规则，模拟森林在不同尺度上的水源涵养动态特征。