在以全球变暖为主要特征的气候变化背景下，全球陆地水循环及水资源时空格局很可能发生改变，这与地球系统上发生的陆地生化、物理过程等多过程多要素相互联系。同时，由于区域经济的不断发展，自然水循环又受到与水循环相关联的高强度人类活动的影响。从而导致现实中的水循环已经不再是纯自然的降水-径流-蒸发以及地表地下水的水量转化过程，而是与水循环为纽带的生物地球化学过程、人类活动等多过程相互作用与反馈形成的统一的整体，在国际前沿称之为水系统，其研究的基本单元即流域水系统。
　　针对现有研究在流域水系统的耦合及应用研究的不足，本文在具有自主知识产权的分布式时变增益模型基础上，通过改进其中的关键模块以及耦合生物地球化学模型等，构建了一个典型的流域水系统模型。基于此模型，在点尺度上进行了水系统核心部分的水-碳耦合机理研究，在面尺度上运用流域水系统模型进行变化环境下流域水系统的成因识别及响应研究。主要研究内容和成果如下:
　　(1)构建了多过程、多要素耦合的变尺度流域水系统模型
　　在分布式时变增益模型原版本基础上，将单层蒸散发模型改为土壤-植被双源蒸散发模型，加入了一维土壤水热运动数值模拟、植被冠层辐射传输、冠层和地表能量平衡模块等，进一步增加了光合作用-气孔导度模型并耦合了CASACNP碳、氮循环模型以及植物生长模块。考虑了人类活动土地利用/植被覆盖的动态变化以及作物的收割。此外，根据实际需求可以从瞬时尺度到日尺度进行模拟。
　　(2)验证了水系统模型在陆面水文、碳氮循环模拟的适用性
　　运用DTVGM水系统模型，在美国通量站Duke PP森林生态系统和Duke OF草地生态系统两个站点进行水、能量、碳氮循环的耦合模拟，并进行水、能量和碳平衡分析，为进一步的水系统的耦合机理研究提供模拟基础。总体上讲，DTVGM模型能够较好的模拟两个站点的水量、能量通量和碳氮循环过程，模拟误差较小、精度较高，部分时间存在一定的模拟误差。
　　(3)探讨了水系统关键过程水-碳耦合的特征关系及相互作用机制
　　在陆面水文、碳氮循环的水系统耦合模拟基础上，对水系统关键过程水-碳循环的耦合特征进行分析，表明光合作用和蒸腾作用存在紧密的耦合正相关性。并探讨了水碳耦合的作用机制，水分利用效率WUE在不同时间尺度上，受太阳辐射、气孔导度、光合作用及蒸腾作用的控制不一致。通过数值试验分析水、能量和碳氮循环的相互作用机制以及双倍CO2浓度对水、能量通量的影响，表明水碳循环的相互作用与光合-蒸腾的耦合关系具有较好的一致性。
　　(4)识别了变化环境下流域水系统径流变化的影响因素
　　构建了气候变化和人类活动对径流影响的识别框架及基本方法，研究了气候变化和人类活动对滦河流域径流变化的贡献率，并进一步讨论了不确定性。人类活动对滦河流域径流变化贡献较气候变化稍强，水文模型法受到模型不确定性的影响，弹性系数法受到潜在蒸散发计算的影响。
　　(5)预测了变化环境下流域水系统径流变化的响应特征
　　研究了未来不同气候情景、CO2排放情景以及土地利用/植被覆盖变化情景下滦河流域径流的响应，通过数值试验发现气候变化及LUCC对滦河流域径流产生的影响较CO2浓度升高作用强。通过不同情景组合分析，滦河流域2050年以前径流都有减少的趋势，汛期径流变化是年径流减少的主要原因且对不同情景的响应较非汛期更加敏感。