主体功能区划政策在可持续发展战略推进过程中对流域地区的水资源分配发挥了基础指导作用。目前的水资源分配机制尚未完全将流域国土空间跨行政区复杂性、跨主体功能区多样性和上中下游用水连带性等特殊空间属性的复杂情况考虑充分,带来了流域水资源短缺和低效利用等流域水资源管理的现实问题。黄河流域流经9个省份,是我国水资源最为短缺的流域地区,其包含了国家重点生态功能区、粮食主产区、能源富集区、优化和重点开发区等一系列典型主体功能区,且上游水源污染直接影响了下游用水,因此亟需建立更为合理的水资源再分配机制以促进黄河流域生态保护和高质量发展战略落实。本文通过建立主体功能区划在流域国土空间落实框架,以制约流域地区经济社会发展和生态保护的瓶颈要素水资源为例,探索建立以流域主体功能实现为目标导向的水资源优化分配机制。通过构建流域主体功能实现的评价指标体系,详细刻画了流域各地区主体功能量的差异性以及量化流域水资源对主体功能实现的关联关系,从而建立水资源约束下流域主体功能实现多目标优化模型,并以2017年黄河流域水量分配数据作应用分析。研究结果显示:总体来看,沿黄流域各省份生产、生活和生态功能实现总量与其主体功能定位基本一致。但宁夏、内蒙古和陕西的引黄供水量显著多于其实际耗水量;黄河流域内上中下游地区经济发展空间差异显著,自上游至下游呈生产-生活功能实现量逐渐增大,生态功能实现量呈下降,而人均水资源量减少,生产-生活功能与可用水量、主体功能实现效率与可用水量存在脱钩现象,黄河流域现存水资源分配机制的优化空间存在。求解水资源约束下黄河流域主体功能实现的水资源优化配置模型,得到包括上游青海省、甘肃省、宁夏和内蒙古自治区、中游陕西省和山西省以及下游河南省和山东省的分配水量,新配水方案使黄河流域实现最大可能节水水33.16亿m3;生产、生态和生活的功能实现量分别增加了5518.59万元的经济社会产值、6149.33万元的生态系统服务价值和可多承载6463.28万人口。