山地的水循环与水量转化规律一直是国内外水科学的热点问题，该研究对了解和认识山地生态系统的水文过程及水量分配具有重要意义。华北山区是华北平原，尤其是北京市的重要水源地，近年由于自然变化和人类活动的影响，华北山区下游水库的入库径流量急剧减少，这对首都及周边省市的水资源供应和生态与环境造成了严重的影响。　　 本研究立足于实验，从观测方法与手段到规律分析均在原创性基础上展开。以连续的定位观测实验为主，并引入国内应用相对较少的环境同位素方法，从坡面尺度和流域尺度分别对华北山区典型小流域的水循环过程进行了研究；还通过流域水量平衡、对比流域法等手段，定量分析了水保工程对流域水循环的影响。本论文共分为七章，第一章提出了研究华北山区典型流域水循环研究的背景和目的，之后分别对国内外水循环研究的主要方法、水循环过程中各个要素的研究进展进行了简要评述，在此基础上指出目前研究山区水循环中存在的问题；第二章根据研究目标设计了具体的研究思路和技术路线，并详细介绍了观测项目与实验方法。第三章为坡面尺度的水循环研究，主要分析了坡地的垂直特征和自然降水条件下的土壤水动态特点，并借助人工模拟降雨对暴雨径流进行了研究。第四章为流域的蒸散发分析，使用波文比能量平衡法计算了流域2004和2005年3-10月的实际蒸散发量，并与相应的参考作物蒸散量进行了对比，建立了ARMA(1，1)随机预测模型。第五章为流域水循环研究，系统分析了降水、蒸散发、土壤水、地下水的动态变化和环境同位素特征，明晰了东台沟流域的水循环过程。第六章在东台沟流域内选择了西支沟流域和与之相邻、且没有水保工程的东沟流域作为对比流域，通过对比研究来定量说明水保工程对水量转化的影响。第七章对全文的主要结论进行了小结，讨论了研究中存在的问题，并对进一步研究的前景进行了展望。　　 研究的主要结论有：　　 (1)研究区的坡面产流多以超渗产流方式为主，如果降水量大，且历时长，也会出现超渗与蓄满联合产流。对研究时段内的10余场天然降水的产流分析表明，径流系数均较低，最大仅为18.1％。10cm和20cm层的土壤含水量对降雨的响应非常迅速，日降水量超过10mm即能使这两层土壤的土壤含水量发生显著变化；一般只有日降水量超过15mm才能使30cm层的土壤含水量发生迅速响应。坡地不同深度土壤的月平均体积含水量存在较大的差距，在相同月份，20cm层的土壤含水量总是比10cm层和30cm层的高，在垂直剖面上呈现“低一高一低”的态势。基岩风化层在地表的水量转换方面也是一个很重要的影响因素，如在干旱少雨的春天(2005年3月1日至4月1日)，基岩风化层向土壤层提供了19mm的水量。结合人工模拟降水对降水-径流关系进行了分析，地表径流量是研究小区内总径流的主要组成部分，其占了总径流量的60％以上，在大雨强下甚至能超过90％。径流系数主要受雨强、降雨量、土壤前期含水量的影响，它们的多元线性回归关系式为α=0.002P+0.182i+4.88Wα-0.821。地表径流、壤中流、风化带的出流滞时与降雨强度均符合幂函数关系。将退水常数分为2层计算，得到地表径流退水常数为0.75，壤中流和基岩风化带出流的退水常数为0.94；在不同雨强下均监测到了约0.10mm/min的深层渗漏，该值可以认为是该区的稳定入渗率。　　 (2)使用波文比能量平衡法定量估算了2004、2005年的流域实际蒸散量，结果表明6～9月份降水量均明显大于实际蒸散量，其余几个月则是实际蒸散量大于降水量。2004、2005年3月至10月的总蒸散量分别约占同期降水量的89％和93％，垂向的蒸散发是研究流域的水分支出的最重要环节。使用 FAOPenman-Monteith公式计算了2003～2005年的参考作物蒸散量，并与实际蒸散量进行了比较，3至10月作物系数Kc的变化范围在0.21～0.57之间；依据1966～2003年的历史气象数据，建立了研究区的参考作物蒸散量随机模型，并对2004年的参考作物蒸散量进行了模拟。　　 (3)汛期沟道土壤水对降雨的响应非常迅速，随深度的变化有明显的变化规律。沟道1m深土层的水量转换相当活跃，是流域水量平衡的关键因素之一。地下水对降水的响应也很迅速，水位一般在较大的单次降水之后的15天左右能达到最大，之后若没有持续的降水补给，地下水位则迅速的回落。　　 (4)首次给出了密云水库上游土石山区的大气降水线、土壤水和地下水的环境同位素关系曲线，以及各自的变化效应：┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓┃类型方程 R2 n┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃降水y=7.104x+6.3100.9160┃┣━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃┃20cmy=6.853x-6.90730.9224┃┃┃40cmy=4.4787x-31.5740.7424┃┃土┃70cmy=2.1485x-51.4490.4919┃┃壤┃100cmy=1.019x-47.680.5720┃┃水┃150cmy=2.4903x-44.4190.7716┃┃┃200cmy=3.1423x-39.3910.8226┃┃┃300cmy=2.7231x-40.6530.6424┃┃┃450cmy=3.0245x-39.1960.6626┃┣━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫┃地下水y=0.1288x-1.8850.95926┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛　　 对土壤水得到以下结论：0～100cm土层的土壤水分以接受降水的垂直入渗补给为主；100～150cm土层可能是过渡层，土壤水除了接受来自上层较为迅速的垂向补给外，还接受侧向的缓慢入渗补给；150cm以下的土壤水的补给来源大体相同，主要接受侧向补给。地下水的环境同位素变化趋势与降水的环境同位素变化是一致的，降水是研究区的土壤水和地下水的唯一补给源。　　 (5)两个相邻对比流域的研究结果显示：2004年、2005年没有水保工程(谷坊坝)的东沟流域的径流系数分别为2.1％和1.1％，以超渗产流为主，年总径流量主要决定于少数几次较大的降水过程，基本没有地下水补给；而有水保工程的西支沟流域2004年和2005年都没有观测到任何地表径流，地下水补给量分别占当年降水总量的1.4％和1.2％，与东沟流域的径流系数较为接近。这说明沟道水保工程对地表径流有强烈的拦蓄作用，将沟道内原本能够作为地表径流的水量拦蓄在沟道深厚的冲洪积物中，形成对地下水的补给，且补给过程伴随着持续的水分耗散，导致下游河道的径流总量减少。　　 本文的创新之处主要为：数据来源于原创性的实验工作，使用国内应用相对较少的环境同位素技术结合水文观测实验，分析了华北土石山区典型流域的降水—土壤水—地下水的D和18O组成；针对蒸散发是流域主要水分支出项及短时段(如日、旬时段)的蒸散量研究较少的特点，使用能量平衡法、水量平衡法分别计算了流域逐日的实际蒸散发量。