气候变暖加快了全球和区域尺度的水文要素的变化。流域气候水文模型是研究流域水循环最重要的手段和工具,在以往的研究中,陆表水文过程是大家关注的焦点,地下水过程以其复杂性和不可见性通常被忽略或简单考虑。此外由于流域和地下水流系统的划分方法不一致,很少有人从概念机理上解释流域和地下水流系统之间的关系,并识别出将地表水和地下水统一的水文循环三维空间。本论文通过理论分析并结合实际案例,对以上问题开展研究。首先提出水文要素比例原理简洁模型,得到年尺度上流域蒸散量随土壤-植物-大气连续体水储量变化的无参数公式,将多年时间尺度Budyko模式推广到年际尺度。并利用该无参数公式构建了新型三参数气候水文模型-bcd模型。上述理论和模型被成功应用到美国Nebraska州NLRB流域,得到流域水文年际变化在Budyko空间的移动路径不同于任何一条经典Budyko曲线。通过将水储量变化考虑到年际水文过程中来扩展Budyko框架,本论文推导了水文敏感性系数的理论解析公式。进一步将bcd模型改进,使其考虑农田灌溉利用地下水过程。并将其成功应用到美国Illinois州12个流域,发现农田显著增加了实际蒸散量和径流对气候变化的敏感性,而年水储量变化比率与干旱指数呈线性负相关关系,农田对其影响较小。本论文成功将原始年步长bcd模型推广到月时间尺度,在鄂尔多斯高原两个流域进行了验证。又进一步将潜水蒸发过程考虑到bcd模型中得到bcd-GE模型,并成功应用到鄂尔多斯高原六个流域。同时还发现当潜水蒸发效应显著时,标准的Budyko公式不适用于流域水均衡的年际变化。针对地下分水岭问题,本论文基于河流控制的饱和-非饱和二维地下水流理论模型,发现潜水面最高点未必是地下水分水岭。与潜水面最高点的定义作对比,地下水分水岭更靠近高水位河流。使用潜水面最高点得到的高水位河流域面积会被高估至~50%;而低水位河流域面积会被低估至~15%。进一步对简单和复杂河流域盆地建立二维理论模型,发现除了Tóth(1963)提出的传统地下水流动系统外,还有一种新型水流系统条件性的存在,即远离潜水面的水流系统。这种水流系统不从潜水面获得补给,但却能将水和物质从一条河流输送到另一条河流。远离潜水面水流系统的发育依赖于河流切割深度、入渗补给和流域的水力特性。基于提出的概念性气候水文模型和结合遥感蒸散产品的水均衡方法,本论文间接证明了鄂尔多斯高原的海流兔河实用流域存在跨流域地下水流。通过三维地下水流数值模拟,提出了自动绘制地下水流域的新方法,从水动力条件上直接证明海流兔河存在跨流域地下水流的汇入。基于流场的数值模拟,将流域的划分和地下水流系统的划分在水文循环三维空间进行完整统一,识别出更加准确的海流兔河流域范围。定量证明海流兔河水文站观测的径流由四部分组成:即地表径流(11%)、局部地下水流(43%)、中间地下水流(15%)和区域地下水流(31%)。综合分析表明在Budyko空间内跨流域地下水流会对气候水文过程产生显著影响。本论文的研究成果有助于科学认识地表水和地下水循环规律。