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土地利用覆被变化是土地利用演变过程、功能结构和演变驱动力研究的基础 [5] 。土地利用早期研究主要集中在植被覆盖调查与分类方面 [6-7] 。最早开展大面积土地利用研究的是英国，1931—1939年英国统一将土地利用类型细分为林地、耕地、草地等九种类型 [8] 。20世纪50年代以来，苏联科学家利用不同地区的综合开发规划情况，将土地利用类型进一步细化分为农业用地、非农业用地、林业用地、城市居民点用地和水利资源用地五大类 [9-10] 。随后，欧洲各国家前后开展了土地利用的调查分析 [11-14] 。1995年，全球变化人文计划和国际地圈与生物圈计划一起提出了《土地利用土地覆盖变化科学研究计划》的提议，土地利用覆被状况时空演变的描述与分析正式成为该领域重要研究方向和内容。美国密歇根大学D Skole教授和克拉克大学B L Turner教授首先从全球角度出发，定性研究宏观尺度上全球土地利用以及植被覆盖变化趋势，并从一定程度上分析了全球变化环境对土地利用和覆被变化影响 [15-16] 。1994年，B L Turner教授提出强烈人类活动影响下土地的利用及覆被变化是全球环境变化影响下的结果，同时也是全球气候变化的重要组成部分 [17] ；随着各国在土地利用研究领域各种新的技术手段和方法的逐步应用，各国学者对土地利用覆被变化研究也在不断深入和加强，比如地理信息系统技术、多分辨率及高分辨率的空间探测技术、全球卫星定位技术、遥感技术等 [6 7，15] 。土地利用研究也从初级的信息整理及数据分析深入历史反演、成果应用等各个环节的更偏重于系统、综合与跨学科的集成研究 [18] 。
我国学者一直对土地利用覆被变化相关研究非常关注 [19-25] 。相关土地利用问题研究时间始于20世纪30年代，地理学家胡焕庸较为系统地调查了我国土地利用情况。自20世纪90年代末，随着新技术的发展，许多学者对我国不同区域土地利用覆被演变特征及驱动力进行分析研究，尝试分析和描述影响土地利用覆被变化的驱动力机制 [26-31] 。陈钦峦等应用遥感资料分析了山西文峪河流域下垫面地理因素的方法及其对地表水资源估算的意义 [32] 。顾大辛等从森林、农业、草原、工业化和都市化的变化对水循环中各个系统所产生的作用分析了土地利用对水文情势的影响 [33] 。李秀彬分析了土地利用覆被变化在全球环境变化中的内涵以及在全球环境变化中发挥的作用，并全面分析了国外有关研究项目的进展与成果情况 [34] 。陈育峰通过地理信息系统以及全国NDVI数据建立了土地利用覆被空间变化的梯度指标，通过主成分分析和因子分析，得出中国土地覆被演变过程以及土地利用空间差异存在季相变化 [35] 。依据地球表面能量和水分平衡理论，周广胜等探讨了土地利用变化对于全球气候变化的响应研究 [36] 。李克让等得出了中国土地覆被特征参数NDVI年际变化与区域气候因子变化的关系 [37] 。史培军等应用美国农业部水土保持局（Soil Conservation Service）研制的小流域设计洪水SCS模型对深圳市部分流域进行了径流过程的模拟，通过土地利用类型、土壤质地分类、雨前土壤含水量、降雨量等因素探讨其对于降雨-径流过程的影响 [38] 。角媛梅等反演了三江并流区土地利用/覆被变化过程并分析了其变化原因 [39] 。王建群等利用现代遥感、地理信息系统等多种数字技术，获取秦淮河流域空间分布的下垫面信息和中间状态信息，细致地刻画了流域内的水文循环过程，建立了研究区域数字水文模型，定性和定量地反映各种土地利用变化对水资源系统尤其是对水量平衡和防洪情势的影响程度 [40-41] 。张钰等从土地利用与覆被变化幅度、变化速率及动态度等角度，定量描述了黑河流域上、中、下游及全流域总体土地利用与覆被变化特征 [42] 。潘晓玲等借助FVC植被指数分析新疆维吾尔自治区生态景观格局时空分布特征 [43] 。程维明等借助遥感和地理信息系统等，恢复了玛纳斯河流域过去不同时期的生态分布格局和动态演化过程 [2] 。赵峰以遥感影像为主要信息源，利用GIS空间分析技术，定量分析了吉林省中部土地利用/覆被变化过程及其变化速率，分析了该演变过程对自然和社会经济的影响力 [44] 。郭宗锋等结合西双版纳地形图，利用GIS和1988年、2003年两期TM/ETM卫星影像解译获取的土地利用数据，通过分析模型参数CN值的变化来分析了土地利用演变对径流的影响 [45] 。李丽娟等分析了LUCC水文效应的研究方法，然后从土地利用/覆被变化的驱动力方面：造林与毁林、城市化过程与农业开发活动以及水土保持等，概述了LUCC水文效应的研究进展 [46] 。葛全胜等研究了过去300年间我国土地利用与覆被情况，得出过去300年我国土地利用情况发生了较大变化，该变化趋势对陆地生态系统的碳循环产生了重要的影响 [47] 。张琳采用遥感和GIS技术，利用1980年和2000年两期土地利用类型图，全面分析了海河流域土地利用现状特征及20年间土地利用动态变化趋势，阐明了海河流域20年来各类土地利用数量变化的幅度、速度和区域差异以及土地利用的时空变化过程 [48] 。陈晓宏等针对人类活动导致的水文要素变异问题分析了该领域研究进展，提出了加强人类活动和气候变化对水文要素变异驱动机理及贡献分解的量化研究，加强变化环境下的水文要素时空分异特性的分析诊断 [49] 。赵锐锋等对新疆塔里木河干流区土地利用/覆被变化过程以及生态环境效应进行了分析 [50] ；陈耀亮等应用Bookkeeping模型分析了三种LUCC方式对中亚森林碳库的影响 [51] 。赵忠贺等从土地覆被类型转移和土地覆被碳密度变化两方面模拟了西藏生态系统碳蓄积动态变化，并进行归因分析 [52] 。丛鑫等以济南市锦绣川流域为例利用SWAT模型模拟流域径流过程，通过遥感影像分析 1988 年、1996 年、2002 年、2009年、2014年夏季的系列土地利用和覆被变化，利用率定后的模型模拟降水条件相同而下垫面条件不同时的流域径流过程，定性评价流域土地利用和覆被变化的水文响应 [53] 。贾静等通过构建分布式水文模型分析了秦皇岛地区土地利用/覆被变化对径流的影响 [54] 。土地利用/土地覆被变化研究1970年前主要以土地利用现状调查和土地利用制图为主，着重于土地用途的差异分析；1970年后随着遥感和计算机技术的发展，主要以土地覆被为主的分类系统为主，更多着重于土地类型的差异、影响及驱动力的分析。
人类活动的剧烈影响，造成了水文循环过程很大程度的改变- 58] 。国际水文科学协会（International Association of Hydrological Sciences，IAHS）、联合国环境规划署（The UN Environment Pro gramme，UNEP）、世界气象组织（WMO）、联合国开发计划署（The United Nations Development Programme，UNDP）和联合国教科文组织（United Nations Educational，Scientifie and Cultural Organization，UNESCO）等国际组织前后开展实施了一系列国际水文科学方面的合作项目或研究计划，如国际地球生物圈计划（In ternational Geosphere-Biosphere Programme，IGBP）、国际水文计划（International Hydrological Programme，IHP）、政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）、世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）和全球水系统计划（Global Water System Programme，GWSP）等，分别从全球、区域和流域等不同空间尺度探讨变化环境下的水循环影响机理和资源环境相关问题 [59] 。我国也相应地积极开展了一系列的水资源领域相关科学研究计划，围绕变化环境（全球变化和人类活动）对水循环的影响研究开展了大量研究工作，旨在探讨变化环境下的水循环过程及水资源演变机理，系统评价各种驱动因子的相对作用与贡献。这些研究工作对于我国水资源合理利用及规划管理，防灾减灾及保证国民经济可持续发展具有重要意义。
国内外围绕变化环境下水循环要素变化的监测及驱动力分析方面开展了大量的研究工作，如变化环境下水循环要素的演变规律及趋势预测，量化与分离气候变化和人类活动对水循环过程变化贡献率，其中多数研究集中于分析两者对单一水循环要素的影响 [49，60-61] 。陈荷生考虑水资源条件和生物因素的关系，采用综合的分析方法，建立环境管理，水资源调控和监测系统以提高环境生态识别能力 [62] 。蔡丽敏从环境水文学的观点出发，应用水量平衡理论对福建省的水循环进行探讨，分析了福建省水汽输送，降水、蒸发及径流特性、地理分布和年际变化趋势，阐明了人类活动对水循环的影响以及水循环过程诸要素之间的相互关系，并对水量供需平衡进行分析 [63] 。冷疏影等在国家自然科学基金“21世纪核心科学问题”论坛提出研究区域变化环境对全球变化环境的影响和响应过程，其中包括人类活动对区域自然环境的影响机理 [64] 。张娜等建立了多尺度的空间显式景观过程模型，对中国东北长白山自然保护区生态系统碳-水循环变量和生产力的时空格局进行了模拟，其中年平均蒸发量和蒸散量的空间格局是模型的主要两个输出结果 [65] 。黄领梅对新疆和田河流域的气候、径流、耗水、人类活动的现状及演变规律进行研究，在此基础上分析了该地区的水量供需状况，确定了和田绿洲适宜的规模与灌溉面积 [66] 。贾仰文等开发了黑河流域水循环系统的分布式模拟模型，从水循环过程和能量循环过程对模型各要素的过程模拟进行了阐述，其中水循环过程包括蒸发蒸腾、入渗与径流、地下水运动、地下水流出和地下水溢出、坡面汇流与河道汇流、人工侧支循环等要素过程 [67] 。李洋运用Kendall秩次相关检验法定量研究了石羊河流域水循环要素年内、年际变化特征 [68] 。曹铮建立松辽流域的二元水循环模型，并应用该模型对松辽流域的水资源进行了综合分析，得出松辽流域水资源演变规律的主要特征 [69] 。丁文荣等分析了1950年以来龙川江流域气温、降水、水面蒸发和径流等水循环要素的变化情况 [70] 。宋晓猛等针对气候变化和人类活动对流域水循环要素的影响机制，从水文要素时空变化检测与归因的角度对主要研究结果进行回顾，探讨了变化环境下水循环要素变化的检测与归因分析研究方法 [57] 。李鹏选择陕西省宝鸡峡灌区为研究区，运用实际调研、水均衡分析与统计模拟计算相结合的方法，研究了变化环境对灌区地下水循环的影响，探讨了灌区水资源可持续利用的适应性对策 [71] 。在关中盆地，张蕾在对水面蒸发量、水体剖面温度及气候要素原位观测试验数据分析的基础上，依据区域水文气象实测资料分析了水体蒸发过程中垂直剖面水温变化过程，探讨水体温度和气象要素之间的相关关系 [72] ；付军分析了环境变化对区域水循环要素及水资源演变的影响 [73] ；吴林等探寻大气CO 2 浓度改变条件下黑河中游绿洲区玉米不同生长阶段的农田耗水规律 [74] 。
蒸散发是水循环过程中水分平衡、能量平衡的主要项，蒸散量的计算有助于指导水资源的合理利用 [75-78] 。蒸散发过程既是热量交换的重要因子，又是水分循环的关键因子，用于表征地表-大气界面上的水分与能量交换及利用过程，在地表水分和能量循环研究中扮演着重要角色 [79] 。地表径流形成过程中，陆面降水约有70%水量通过蒸散发作用返回大气中，在干旱区高达到90%以上 [80] 。因此，蒸散发决定着区域土壤-大气界面水分收支状况，也是陆地表层水文循环中最大、最难估算的分量 [81-84] 。国内外蒸散发研究主要集中在潜在蒸散发和实际蒸散发两个方面。早期蒸散发研究可追溯到1802年，英国物理学家和化学家道尔顿（Dalton）综合了空气温度、湿度、风速对蒸发的影响，提出了反映蒸发面的蒸发速率与影响蒸发诸因素的“蒸发定律”，奠定了近代蒸发理论研究的基础。蒸散发研究中潜在蒸散发量计算经典的方法是FAO （The Food and Agriculture Organization）修正的由英国科学家HL Penman提出的计算蒸发能力的半经验半理论公式彭曼公式 [80] 。1981年，我国学者傅抱璞在基于对土壤蒸发过程的物理考虑和量纲分析，推导出适用于计算各阶段土壤蒸发的普遍公式，在我国蒸散发研究领域影响深广 [85] 。蒸散发影响因素众多，潜在蒸散发与实际蒸散发在不同情况下存在的“正比”“互补”关系的讨论。丛振涛等收集了我国353个气象站气象数据，分析了不同地区蒸发量及气象因子变化趋势，得出了中国蒸散发“蒸发悖论”规律 [86] 。韩松俊等分析得出了我国不同农业区之间存在“蒸发悖论”规律的差异并进行了影响因素分析 [87] 。李敏敏等进行了我国北方农牧交错带“蒸发悖论”的探讨，分析了不同时间东北、华北、西北气温、降水和潜在蒸散量的变化规律 [88] 。王忠富等利用黑河流域12个气象站点资料，运用彭曼公式计算潜在蒸散量，分析得出风速变化是影响黑河流域河西走廊区“蒸发悖论”出现和消失的重要因素 [89] 。胡琦等利用全国701个气象站点逐日地面观测资料，研究了近50年中国干湿气候时空变化特征，发现61.6%的站点出现“蒸发悖论”结论 [90] 。
蒸发量的系统研究始于1802年，Dalton通过试验数据提出著名的Dalton蒸发定律。由于区域地表下垫面条件的空间变异性，传统的区域蒸散发计算方法及尺度转化问题一直未能很好地解决，区域蒸散发量计算数据很难扩展到大尺度区域，区域蒸发量精确计算始终是困扰国内外相关领域学者的主要科学问题 [91-92] 。直到20世纪末遥感技术作为一种飞速发展的新兴技术手段，具有空间上连续和时间上动态变化的特点，能够很好地实现由点到面的转换，使得蒸散发研究尺度从点拓展到流域，分析时间与空间上蒸散发的变化规律。沃又谷深入分析了国内外蒸散发估算的各种概念性模型 [93] 。刘昌明等探讨了蒸发与蒸腾的水分传输过程，明确了各种蒸散发参数的确定方法 [94] 。胡凤彬等对加拿大CRAE蒸散发模型精度进行了检验 [95] 。张建云等研究了流域水文模型与气候模型在研究目的、研究方法、研究对象及时空尺度等方面的区别与联系 [96] 。郭玉川以蒸散产生原理为基础，结合遥感技术采用单层遥感模型SEBAL反演了新疆焉耆盆地不同土地类型蒸散过程 [97] 。宋璐璐等比较了蒸散发实测法和模型法算法的不同，分析了不同计算方法的原理和优劣性 [82] 。王海波等引入具有生物物理基础的Penman-Monteith （P M）模型，实现了黑河流域日蒸散发的估算，同时实现了土壤蒸发和植被蒸腾的分别估算 [98] 。王祖方分析了黑河绿洲土地利用格局演变对区域蒸散发的影响 [99] 。薛丽君从水热耦合平衡理论开发，进行了嫩江流域实际蒸散发的估算 [100] 。施云霞通过遥感技术建立SEBAL模型，反演新疆精河流域蒸散发的时空变化特征、变化趋势及其主要影响因子 [101] 。随着遥感技术的发展，将遥感信息与地面观测的水文、气象实测资料相结合计算区域蒸散量已经成为一种行之有效的方法。
水循环过程分析是流域水文循环机理研究的必然阶段，也是水文科学研究的新兴领域 [102-103] 。对分布式建模来说是获取更多的数据来提高模拟精度，基于现有的认知去建模并在应用中改进模型才是最重要的 [104-106] 。
水循环模型模拟研究始于1969年，Fereze和Harlna于1969年发表的“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图”的文章，象征着水文模型的研究开始时间 [107-110] 。真正意义上的第一个分布式水文模型是在1976年，由丹麦，法国及英国的水文工作者基于水动力学方程开发和改进的SHE模型（System Hydrological Eu ropean） [111] 。随后，Beven和Kirkby于1979年提出半分布式水文模型TOPMODEL模型（Topographic Based Hydorlogical Model），基于DEM数据计算流域地形指数，从而通过地形指数来刻画下垫面的空间变化，模拟流域水文循环过程 [112-115] 。英国水文学者Morris于1980年开发了IHDM （Institute of Hydrology Distributed Model）水文模型，根据流域地形坡面特征，将流域细化分为不同的水文单元，每一个水文单元包含有坡面流单元，一维明渠段以及壤中流 [116-117] 。SWAT模型（Soil and Water Assessment Model）是由美国农业部农业研究中心开发的，模型将GIS和RS计算的空间信息作为模型输入，用以模拟流域水文循环过程 [118-120] 。随着计算机技术和人们对于水文现象的不断深入认识，一部分综合性和界面交互更加方便的水文模型相继被开发出来，如：Berstrom等于1995年研制的HBV模型，美国陆军工程兵团开发的HEC-HMS模型以及Leavesley等开发的USGS-MMS模型等 [121-126] 。
国内20世纪90年代开始水循环过程模拟相关研究，目前也已取得较为显著的成果 [103，127 132] 。张海仑根据联合国教科文组织和世界气象组织国际水文学和水资源合理管理的科学基础大会，提出了当前水文和水资源科学分为三大类问题之一的水循环过程中各要素的研究，以便用之于水资源系统的规划设计和管理 [133] 。杨裕英研究了黄淮海平原地区地下水特征，结合地表水、土壤水和地下水三水转化特点，提出以水循环各要素为基础，以三水转化关系为架构的水文模型 [134] 。邓慧平分析了农田水循环水分传输过程并用数学方法进行了描述，建立了灌区农田水循环模型 [127] 。刘金清等概述了水文模型的分类、流域水文模型及其应用、水循环各子系统模型的研究、水文参数优选等 [135] 。何新林等考虑新疆天山中段积雪和降水不均等规律，通过对玛纳斯河流域进行分带处理，提出和构建了包含积雪融雪结构的水文模拟模型，并利用该模型预测了未来不同气候变化情况下的河道月均流量过程，得出了气候变化对新疆玛纳斯河流域水文水资源的影响 [136] 。郭生练等模拟小流域的降雨径流时空变化过程，构建了基于DEM的流域分布式水文模型 [137] 。王国庆等结合流域水文模拟技术剖析了水文循环中系统论方法的应用 [138] 。杨大文等采用了大网格离散化方法建立了黄河流域的水循环分布式水文模型，并在大网格内进行地形参数化处理，建立流域的分布式水文模型结构 [139] 。叶丽华以水平衡和水循环原理为基础，建立了不同区域的“四水”转化循环模型，并研究了模型的结构，计算方法以及模型参数的确定方法 [140] 。贾仰文等以二元水循环理论为基础研发了黑河流域水循环分布式水文模型 [67] 。张金英基于SWAT模型的拒马河上游地区土壤侵蚀研究及其影响因子分析 [141] 。王蕊等总结了国内外16种地表水和地下水水文耦合模型，分析比较了典型的“四水”转化模型、SWATMOD、MIKE-SHE、MODB RANCH模型 [142] 。张银辉等应用分布式水文模型DEHYDROS进行了河套灌区的水文学过程模拟研究 [143] 。刘昌明等研发了水文综合模拟系统（Hydro-Informatic Modeling System，HIMS），完成了时、日、月等不同尺度的水文模型，并在潮白河等流域取得了成功应用 [144] 。李慧等（2010）研究了流域综合分布式水循环模拟工具EasyHydro，结合GIS空间技术引入参数计算分区等重要水文分块模拟思想，并提出模型单、多目标优化技术和参数敏感性分析方法 [145] 。赖正清等采用SWAT模型对黑河月径流量进行模拟 [146] 。范杨臻等利用数字高程、全球植被覆盖数据、土壤结构资料等构建淮河流域气象数据影响下的分布式陆面-水文耦合模型 [147] 。徐宗学等从水文气象要素趋势分析、大气环流模式（GCMs）评估、降尺度技术及其选择、水文模型及其选择、不确定性分析五大内容的研究成果进行回顾与展望，以拉萨河流域为例综合运用前述技术分析区域气候变化特征及其对流域径流的影响 [148] 。吴乔枫等采用新安江模型模拟了岩溶地区多年降雨径流过程，并探讨了流域非闭合特性影响下岩溶地区的水体流动模式 [149] 。目前水循环研究中自然水循环过程分析及模拟较多，而针对强人类活动地区，特别是农田系统在人类活动强烈干预下的水循环过程，包括强人类活动下的大气降水、地表水、土壤水和地下水的四水转化特征的定量分析研究较少。
从现有的文献资料可以看出，变化环境下水资源脆弱性与水文循环过程已经成为水资源领域科学的研究热点之一。气候变化和人类活动是变化环境的两个重要体现和组成部分，变化环境带来的水文生态效应问题也受到科学界的广泛关注 [124，150 153] 。遥感技术与传统水文循环过程分析相结合分析方法，具有相互补充、互相促进的作用，是研究流域水循环方式有效方法。玛纳斯河流域节水技术的大面积推广，大面积取用地表水和地下水灌溉以及水利工程等对水文过程都产生了巨大的影响，使得传统的水循环方式发生改变，需要考虑强烈人类活动对自然系统干扰深度和广度的不断加深，利用水文模型进行区域水文循环过程的真实描述，分析人类活动在区域水循环过程中的表达和模拟，对于变化环境下流域水资源管理的需求以及水资源高效利用具有重要的指导意义。