冀北土石山区是滦河潘家口水库和潮河密云水库的主要集水区和水源地，担负着为京津地区输水的重要职责，但是近年来来自于此区域的水量明显减少。目前许多学者认为各种治理措施下的现状土地利用/覆盖模式对径流的形成产生了重要抑制作用，是导致入库径流减少的重要原因，形成上下游争水态势。因此，可以通过优化区域土地利用结构来调配水量的分配，提高京津水源区的入库水量，以实现上游向下游多输水、输好水的目标。东北沟流域是冀北土石山区的一个完整小流域，在该区域具有较强的代表性。本研究以东北沟流域为对象，基于遥感数据、野外实地测量数据、社会经济调查数据等资料，在了解研究区域的土地利用与侵蚀量关系的基础上，明确生态需水量，以此为约束量或参数，设计土地利用优化方案。具体过程为：利用ArcGIS平台，运用通用土壤流失方程计算出东北沟土壤侵蚀量并得出不同土地利用方式下土壤侵蚀量；根据彭曼公式计算出参考作物生态需水量，利用土壤分析数据和作物系数求出不同土地利用类型的生态需水量；在这两部分研究结果的基础上，利用Matlab优化得到不同目标函数的土地利用数量结构，并结合ArcGIS和在Matlab中编程将最优化的土地数量结构在流域空间上进行配置。主要结论如下：（1）近20年来（1990-2009年）东北沟流域土地利用类型结构发生了明显的变化，总体特征是覆盖度低的土地利用类型向覆盖度高的土地利用类型转化：林地增加，草地、耕地和难利用土地减少，其中林地由1990年占流域面积的38.56%上升到55.83%，草地从29.23%减少到18.92%，耕地也减少了3.49%，难利用地从17.11%减少到13.64%。（2）土地利用类型结构的变化对土壤侵蚀影响明显，土壤侵蚀强度明显减弱。土壤侵蚀模数由1990年的5136.13t/(km~2·a)减少到2009年的1823.30t/(km~2·a)。其中难利用土地的土壤侵蚀最为严重，2009年侵蚀模数达5342.97t/(km~2·a)，林地侵蚀模数最小为361.69t/(km~2·a)。不同土地利用类型的土壤侵蚀模数差距较大，因此土地利用类型的转化对土壤侵蚀强度变化有影响。易产生水土流失的土地利用类型减少，土壤侵蚀强度弱的土地利用类型增加对抑制流域土壤侵蚀具有明显的效应。（3）植被生态需水量增加明显，减少了输往下游水资源的数量。从1990年到2009年流域植被生态需水量增加，2009年流域植被适宜生态需水量是399.42mm，比1990年多122.5mm，随着植被覆盖的增加和生物量增加，生态需水量也随之增加，且植被覆盖度高的土地利用类型比植被盖度低的需水量更大。即不同土地利用/覆盖情景下流域植被生态需水量有一定的差异。（4）根据流域发展与下游需水的需求，将目标函数设置了三种情景（土壤侵蚀最小、生态需水最小、经济效益最大）进行单目标优化。三种不同目标函数情景设置下的土地利用优化结果差异很大，且具有一定的冲突性，不同的土地利用方式相应带来不同的生态效应和经济效应。以土壤侵蚀最小为目标函数时，乔灌木林地面积较大，以生态需水为目标函数时，耗水较少的草地和疏林地面积较大，以经济效益为目标函数时经济林和产业用地面积较大。在生态需水为目标函数下，东北沟流域系统需水量为668.57×10~4m~3，比2009年节约105.75×10~4m~3；在土壤侵蚀为目标函数下，其需水量为740.65×10~4m~3，比2009年多用33.66×10~4m~3，且其土壤侵蚀量比2009年少9054t；在流域的经济效益为目标函数下，其需水量为898.07×10~4m~3，比2009年多用123.76×10~4m~3，但经济收入会比2009年多157.78×10~4元，且其土壤侵蚀量比2009年少6390t。（5）在单目标优化的基础上分别将土壤侵蚀和生态需水融合，土壤侵蚀、生态需水、经济效益三者相融合，分别进行基于生态输水和综合目标下的多目标优化。多目标优化结果表明:与2009年土地利用相比总体特征是林地减少，草地增加，这两类优化结果区别主要在林地内部布局的不同，与生态输水情景相比，综合目标下经济林面积更大而乔灌木林与疏林地面积更小。在综合目标下，东北沟流域系统需水量为757.08×10~4m~3，只比2009年节约17.23×10~4m~3，流域经济收入和土壤侵蚀都会有改善，在生态输水方案下，其需水量为704.61×10~4m~3，比2009年少用69.70×10~4m~3，但经济收入会比2009年少77.16×10~4元。（6）建议在实施输水补偿条件下执行生态输水目标下的土地利用方案。生态输水目标下的土地利用方案为：耕地115ha，乔灌木林地300ha，疏林地473ha，经济林86.5ha，高覆盖草地594.6ha，中低覆盖草地51.6ha，难利用地234.5ha；按照目前计算结果，补偿标准介于77.16×10~4元到157.78×10~4元之间。