长期以来,水文地理要素的时空变化与分异特性主要使用等值线图等分析方法,存在着将不同尺度水文物理过程变化与时空分异统计特性联系与结合的问题。由于气候变化和高强度人类活动的影响导致流域下垫面变化的复杂性,跨越不同时空尺度水文要素时空分异性及其图化(Mapping)问题的研究已成为当前国际地理水文科学研究的热点前沿。主要面临的科学问题与难点是如何将流域水循环要素变化的物理过程与不同尺度水文要素时空分异的随机特性相结合,迫切需要探讨基于水平衡关系的水文要素时空分异图化方法研究及其应用。　　 本论文的研究特色是将流域水循环及水量平衡物理制约关系与地理分异的空间插值方法相结合,研究变化环境下水资源的时空分异特征,发展针对水文要素的空间插值图化方法,以避免因水文模拟环节增加而带来的不确定性。通过从单要素(径流)到多要素(降雨、蒸发、径流)的空间综合模拟,逐步建立了从水平方向到垂向的水平衡随机模拟方法。提出的研究成果在我国淮河流域得到了初步应用于验证,证明了地理统计原理与水文过程深层次结合的可能性,并提出若干值得在水文研究中广泛推广的理论方法和经验。论文的主要结论如下:　　 1、建立了适合中国大尺度流域特征的水文随机方法:水文随机方法(hydro-stochastic)结合了水文学、地貌学、地理学的理论,利用地理对象在空间随机场的相关的性质计算流域内的径流分布。考虑到中国大尺度流域的水文站点数目只相当于欧洲中小尺度中流域的站点数目,本文在大流域上进行了插值试验,并证明了该方法的可行性。利用该方法将天然径流的"点"信息进行空间插值可以得到两种描述径流量的空间分布图,一种以mm/year为单位,反映了各个栅格的产流量;一种以m3/year为单位,反映了沿河道径流量的变化。研究结果显示,在有限的观测数据条件下,通过控制DEM、站点坐标、数字化河网等空间信息的输入精度,在水量平衡的约束下,利用水文随机方法可以在大尺度流域内得到径流的空间分布特征,尤其是在进行汇流之后可以得到精度较高的河道内径流分布结果,在整个研究区范围内给出径流插值误差的定量化描述。　　 2、建立了径流空间插值方法不确定性评价体系:径流的空间变异具有较强的不确定性,为了得到一种径流插值方法的可信度及对比不同空间插值方法的优劣,文中利用栅格、河道插值估计误差等统计指标,结合交叉检验建立了径流空间插值不确定性评价体系,通过该体系可以确定地给出某种方法的不确定性。利用该评价体系还可以对多种径流空间插值方法进行对比分析,找出适合给定研究区的最优径流空间插值方法,为进一步开展多要素联合插值研究提供基础。文中在研究区对比分析了无约束的Kriging方法(IS1)、河道内插值方法(IS2)以及水文随机方法(IS3),证明IS3由于包含了水平衡约束,可以自动纠正栅格插值结果使其满足下游河道水量,在与实测值对比时表现出较小的偏离量。但由于IS3加入了水量平衡控制环节,其结果中的误差范围较大。　　 3、提出了基于水平衡关系的多要素联合图化方法:通过在降雨、蒸发、径流三者空间插值结果之间建立相关关系,解决了以往水文三要素模拟过程中各自独立的问题,成功的将垂向水量平衡约束条件加入空间插值方法,实现了水文过程三要素的联合图化。联合插值方法考虑到了插值误差和数据误差,并产生新的纠正后插值结果,该结果可以保证在所有水文地理层次上的水量守恒。水平衡纠正方程的主要元素是原始插值结果和总体水量平衡偏差,纠正过程需要精确地计算各个要素如何分担总体平衡误差。该方法对各个水平衡要素空间插值误差之间的关系非常敏感,在给每个要素单独增加10％的系统误差后,纠正程序会得到与原始情景差异显著的结果。联合图化方法可以给出数据系统误差和随机误差的数量级,对数据资料的质量进行评估。　　 4、提出基于信噪比理论的最优空间插值分辨率确定方法:受水文站网信息的限制,根据高精度DEM来确定的插值输出分辨率并不能反映空间站点的有效信息,其中还包含了大量的"噪声"。所以,有限站点数据能够支持的空间分辨率应当存在一个阈值,作为反映站网数据的最佳空间尺度。为了识别水文空间跨尺度融合过程中的分辨率阈值,对插值结果的精度有量化把握,本文提出了利用空间插值信噪比的概念来计算最优精度的方法,通过大量实验证明了给定数据条件下空间分辨率阈值的存在。该分辨率也可以理解为针对给定数据资料的最优输出分辨率。在该最优分辨率下,图化结果的信息量与噪声量的比值达到最大,能够为人们提供最多的有效信息。　　 以上四个方面的研究进展构成了基于水平衡关系图化方法的的核心技术体系,为解决气候变化的尺度嵌套、水文模型与空间随机场的结合等问题,提供理论方法的科学支撑。