流域是地球系统科学的重要组成部分，也在全球变化中扮演着重要角色。中国西北典型内陆河流域具有全球独特的、以水为纽带的多元自然景观。流域水文数据建模和数据共享是流域科学的重点研究工作。本文首次提出了集成观测数据和流域环境信息构建流域水文信息系统的概念，并且指出流域水文信息系统的构成应该包括流域观测系统，流域水文地理数据库和流域数据信息管理平台三个部分。重点探讨了在开源的协同促进水文科学发展大学联盟-水文信息系统(CUAHSI-HIS)和水文数据模型的基础上，黑河流域水文信息系统的设计、建立和数据共享服务平台应用，并且在黑河流域水文信息系统和多源遥感数据的支持下，分析了长时间序列的黑河流域中、下游土地利用与土地覆被变化及其与水资源之间的响应关系。　　本研究第一章从目前流域科学所面临的数据问题，国内外流域水文信息系统研究进展回顾以及“数字黑河”研究的最新进展三个方面对国内外流域水文信息系统的研究的进行了总结。第二章针对作者所参加的“黑河流域生态-水文过程集成研究”数据整理与服务这一基础性工作，探讨了流域科学研究所需数据的收集方法，并从数据源、数据文档以及数据标准化三个方面说明了数据整理遵循的原则和标准，其目的是对流域数据质量进行有效控制，为流域水文信息系统的构建提供数据保障。第三章和第四章是黑河流域水文信息系统的设计与实现。首先以流域水文数据模型和为原型，设计和实现了一个适合于黑河流域并且集成流域地理数据库、流域观测数据库和流域数据共享发布于一体的流域水文信息系统。该系统实现了黑河流域不同观测数据类型和不同数据来源观测数据的观测数据模型，通过流域地表水和地下水的通用数据模型实现了二者的一体化存储、管理与可视化，同时通过流域水文服务器为黑河流域科学研究提供了在线的观测、空间数据服务以及相应的数据分析功能，为流域科学的研究提供了在线的数据服务环境，从而推动流域科学研究的发展。然后以实现的黑河流域水文信息系统为基础，探讨了水文信息系统在黑河流域的应用，在已经整理的黑河流域各类观测数据、空间数据和流域水文数据的基础上建立了由基础数据、水文数据模型、观测数据模型组合而成的流域水文地理数据库，特别是实现了黑河中游地区灌溉数据的GIS管理以及灌溉要素之间的关系分析;在收集的黑河流域中游钻孔空间数据库（钻孔位置、岩性结构和剖面深度等）的基础上实现了含水层、水井、三维水文地质模型等的存储、显示和可视化表达分析等功能;在所实现的黑河流域水文地理数据库基础上，基于CUAHSI-HIS实现了传统共享方式（传统的数据库查询、下载以及Web可视化）与Web服务相结合的在线流域水文信息共享和发布系统。第五章和第六章是黑河流域水文信息系统在多源遥感数据、长时间序列的土地利用与土地覆被变化及其与水资源之间的响应分析方面的应用。主要是在建立的黑河流域水文信息系统基础上，以黑河流域的中、下游为典型区域，利用地图、航片和Landsat TM影像解译的长时间序列的土地利用和土地覆被（包括中游地区1965、1986和2007年数据，下游地区1930、1961、2000和2010年的数据）为数据源分析土地利用或景观类型的动态时空。在黑河流域中游，结合水文信息系统的地下水观测数据、径流观测数据、水资源利用数据（包括灌溉引水数据和地下水开采数据），主要通过地统计方法计算了地下水埋深在过去的1986-2007年的时空变化特征，并通过统计17个主要灌区1956-2010年以来的灌溉引水量、地下水开采量并进行空间化对比，从而分析近50年来黑河流域中游主要灌区的土地利用变化及水资源利用变化，结果表明:黑河中游耕地面积在1965-1986年和1986-2007年分别增加了15.38％和43.60％，草地面积在1965-1986年和1986-2007年减少了36.47％和38.56％。与此同时，地下水埋深在过去的20年中剧烈下降，埋深变化从冲积扇下部的1米到冲积扇上部的21.5米。地表水的空间分配不合理，而且不同灌区内的地表水利用效率还需要提高。在黑河流域下游，通过多源遥感数据解译了1930、1961、2000和2010年的典型景观类型（包括河流系统、典型植被、沙漠化和盐碱化）的，通过一定的精度评价方法，分析了下游景观在过去近80年的时空动态变化，结果表明:中游地区持续的灌溉农业发展导致了1930-2000年黑河下游的河流面积减少了91％，两大尾闾湖，噶顺卓尔和索果诺尔分别在1961和1992年彻底干涸。自从2001年黑河流域生态输水计划（简称“黑河分水”）实施以后，索果诺尔的面积恢复到了2010年的4058hm2;随着河流系统的恶化，胡杨林的面积也在1930-2000年间减少了76％。1930-1961年，芦苇面积从34.81万hm2减少到了13.32万hm2，而柽柳梭梭面积从8.05万hm2增加到了27.95万hm2。但是在1961-2000年，芦苇和柽柳梭梭分别减少到了4.66万hm2和10.75万hm2。自从黑河分水实施以后，胡杨林地、柽柳梭梭和芦苇的面积都有所恢复，分别增加了4.5％，6.5％和43.5％。耕地面积持续增加，从1961年的2500hm2增加到2000年的8500hm2再到2010年的16，000hm2;从1930-2000年，沙地和盐碱地的面积分别增加了42.2％和52.4％，自从黑河分水实施以后，沙地面积和盐碱地面积分别减少了4.2％和15.2％。总之，通过对黑河流域中、下游的土地利用和土地覆被变化及景观变化的时空动态分析，说明了过去一段时间的不合理水土资源开发尤其是中游地区的灌溉农业发展，通过改变水资源的有效利用影响了黑河流域中、下游的生态环境，使得黑河中、下游的水资源供需矛盾日益严重。黑河分水的实施一定程度上有效的改变了下游地区的生态环境，但是只有真正的实现流域上中下游统筹协调，地表水和地下水的统一分配，才能实现流域水资源的合理配置和可持续利用。