黄河中游地区生态环境脆弱，易受到严重的洪旱灾害威胁。近年来，在大规模梯田建设和植被恢复工程等人类活动影响下，黄河中游水土流失治理水平稳步提高，发挥了消洪抗旱减灾的作用。但与此同时，黄河中游植被建设导致土壤干层加剧、产流产沙下降，增加了干旱风险；城市扩张也导致城市化地区孕灾环境剧变，暴雨洪水风险增加。目前针对变化环境下流域水文—泥沙—植被协同演变机理的认识还不够清楚，需要充分考虑工程扰动后流域水文—泥沙—植被重新建立新平衡的过程，科学评估大规模梯田建设、植被恢复工程和城市扩张等人类活动对洪旱灾害风险的影响，发展变化环境下黄河中游智慧化生态水文模型，预估大规模人类活动对洪旱灾害的长期后继影响，为黄河中游生态建设与水利工程协调发展有效防范化解洪旱灾害风险提供科技支撑。

地表径流的预测和模拟是水文地理研究的核心，对水资源管理和规划都具有重要意义。传统研究借助于实测地表径流进行水文模型率定和参数移植，对“无测站流域”进行径流预测，但在实测径流稀缺或受到强人类活动（如大坝调控）干扰时，参数移植能力受到限制、预测能力不足。而遥感数据具有时空连续的优势，且不受制于地表径流观测时间序列，为径流预测提供了新思路。本文采用了遥感数据率定水文模型的方法，在中国84个流域探究该方法采用遥感蒸散发、水储量和土壤水数据不同组合率定水文模型，评估各方案预测流域径流的潜力。结果显示基于偏差校正后的网格蒸散发数据约束水文模型的新方法，在中国干旱区和湿润区均具有较大的应用潜力；在格网上约束水文模型相比集总式约束具有较为明显的优越性；应采用多个水文模型提升该方法在不同流域的应用潜力。该方法的径流预测能力具有明显的空间分异性，因地制宜方可有效发挥遥感数据的优势。

遥感水文模型是水文学与遥感学的交叉领域，既包括水循环要素遥感反演模型，也包括以水文过程模拟分析为对象的遥感水文模型。本文汇总分析20世纪70年代以来遥感在水文方面应用成果，综述遥感水文模型研究历史、现状及发展趋势。研究表明，20世纪70年代以来遥感水文模型就一直是遥感水文的热点；中国在遥感水文研究兴起之时就与国际上同步，在遥感水文的概念认知、遥感与水文相结合的科学认识，以及遥感水文模型的研发应用等诸多方面做出了探索性的成果。随着信息技术发展，结合多重信息采集手段，围绕遥感径流监测、多传感器智能物联网、缺资料区水文分析和流域水量—水质—水生态精细化模拟等重大实际问题是遥感水文模型发展的趋势。

中国发育了亚洲主要的国际河流，丰富的跨境水资源在区域“水—能源—粮食—生态”安全维持中发挥着重要作用。近几十年来，受全球气候变化特别是大规模水利水电工程建设驱动，国际河流区水文及生态过程变化与跨境影响等问题备受关注。国内对这些问题的研究，重点聚焦于水文及生态过程变化规律与变化归因、跨境影响与安全风险调控，探讨跨境流域“水—能源—粮食—生态”纽带关系，构建适应全球变化的跨境水资源协调机制等方面，取得了突出的研发成效。面对全球变化影响下日益突出的跨境水安全与生态安全风险问题，国际河流的水文地理研究，更需要借助空天地一体化精准监测技术、现代空间地理信息技术和智能技术等，通过提供可量化、可参与、可公开的研发成果，更好地为国家对国际河流的合理利用与地缘合作、健康维持与风险管控、跨境水外交与环境外交等提供科学依据和决策支持。

水资源亏缺是中国农业可持续发展面临的主要挑战。本文从地理学的综合性视角出发，提出区域农业耗水与生产、生态效益关系的概念模型，拓展了“土壤—作物—大气系统界面节水调控理论”，构建了节水与适水并重的农业综合节水研究体系及其理论框架。并以华北平原为例，探究了中国缺水区农业水资源可持续利用途径。基于田间水循环及节水潜力的研究表明，华北平原小麦—玉米一年两熟农田年水分净亏缺220 mm，要实现农田尺度水平衡，需改为二年三熟，甚至一年一熟；京津冀区域尺度模型模拟表明，若通过调整农业种植规模和结构来平衡区域地下水超采，则小麦产量只能满足75%的口粮需求，要实现地下水采补平衡下的粮食自给，需要外部调水来补足水资源亏缺；基于农田耗水结构的节水试验表明，与地面灌相比，地下滴灌的小麦季、玉米季蒸散分别减少88 mm、60 mm，年均可节约耗水1480 m³/hm²。因此，深度田间节水技术会对种植结构和种植制度调整的节水效应产生显著支撑，从而实现稳定农业产能和水资源可持续利用的双重目标。从地理学综合视角出发，未来应更多关注变化环境下水资源的形成、转化和利用，从水量和水质两方面开展农业节水和水资源可持续利用研究，为平衡区域农业发展和健康水循环提供科学依据。

天山北坡位于中国新疆，地处亚欧桥的国门，社会经济发展迅速，其绿洲经济和灌溉农业对地下水资源的依赖程度高。揭示1990—2020年地下水储量的演变规律对维持区域可持续发展具有重要意义。但由于长时序和较高分辨率的区域地下水观测数据匮乏，使得该任务又极具挑战性。本文基于重建的陆地水储量（TWS）变化数据、ERA5-Land再分析数据和其他相关的土壤质地、海拔高程、植被指数和冰川分布等辅助数据，建立了随机森林降尺度模型，据此估算了天山北坡1990—2020年的8 km分辨率地下水储量（GWS）变化，分析了天山北坡GWS的时空演变规律。估算的GWS变化与实测地下水位序列的时间变化具有较高的一致性，二者的相关系数最高达到0.68。天山北坡GWS具有明显的年内变化和年际变化。GWS在夏季和春季较高，在秋季和冬季较低，峰值出现在6月，最低值出现在10月。1990—2020年天山北坡有85%以上的地区GWS发生了显著下降，全区平均的变化趋势为-0.38 cm/a。其中，艾比湖水系和中段诸河区GWS下降最剧烈，额敏河流域下降速率最小；耕地下降速率最大，草地次之，裸地下降速率最小。日益增强的农业耗水活动是1990—2020年天山北坡GWS持续下降的主要驱动因素。相比于季节变化和亚季节变化，长期趋势性变化是天山北坡GWS时间变化的主导模式。但对于额敏河流域，GWS变化由三者共同主导。特别值得指出的是，在冰川覆盖区联合重力卫星与水储量组分方程开展GWS估算工作面临的挑战之一是缺乏长序列、高分辨率的冰川水储量数据，以往大部分研究忽视了冰川覆盖的影响。本文研究表明，若忽视冰川的影响，将导致天山北坡的平均GWS变化速率至少高估27.56%，应引起重视。