冻土水文地质学主要研究冻土区水分要素的时空分布和运动规律及其与冻土间的相互作用。在微观上，冻结温度、未冻水含量以及孔隙水压力等冻土层独有的水热参数决定了冻土的结构和物理力学性质，同时影响了冻土层的冻融过程。而宏观上，冻土层的存在改变了常规的地表径流和水系模式，地下水的循环系统也由于冻土层的季节性冻融发生了根本变化，形成了冻土区独特的水文地质条件。从微观和宏观两种角度系统归纳与总结国内外冻土水文地质学研究进展，并分析包括地球物理技术、水化学、冻土水文模型在内的技术方法，同时对高寒区特有的地下水溢流冰、融雪入渗和冻土保墒现象的研究成果进行总结与分析。冻土水文的发展趋势应在积累研究数据和技术方法的基础上进一步探索产汇流过程机理，并建立更完善的冻土水文物理模型，定量分析冻土与水资源之间的相互作用。
冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为:1)考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2)在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.
如何考虑流域内部基本单元径流过程的空间变异性是分布式水文模拟待解决的问题，迄今鲜见相邻小流域径流过程空间变异性的观测及综合定量研究。通过野外试验、比较水文学和地统计学方法，依托地表过程与资源生态国家重点实验室黑龙江鹤山九三水土保持试验站建立水文过程综合观测系统，同时观测5~8个相邻小流域的降水、土壤湿度和径流等变量；引入有时滞的时间序列回归数据分析方法，量化各次自然降雨条件下其它流域和参考流域径流过程的差异性与相似性（比例系数k和拟合程度R2），也将该方法应用于土壤湿度和降水变量，分析此3水文过程的空间变异性特征；探讨这些空间特征随时间变化特性，对比降水、土壤湿度、地形等单因子空间变异性特征与径流过程空间变异性特征，建立k和降水、土壤前期含水量等的函数关系，揭示小尺度径流过程空间变异性的影响机制。研究成果有利于增加对水文响应空间过程的新理解，用于支撑分布式水文模型的开发、测试和能力提升。
2016-01山区水资源主要来自降雨、积雪、冰川融水产生的径流。无论以何种产流为主的流域，基流都是其河川径流的重要组成部分，是枯水季节径流的主要来源。开展雨-雪-冰不同产流下河川基流过程模拟研究对流域水资源管理和河流健康维护具有重要意义。不同产流下可靠的基流分割是面临的关键问题。本项研究创新地引入具有物理意义、含有较少参数、参数化简便的非线性库理论，构建基流过程模拟方程，发展不同产流下分布式水文模型中河川基流过程模拟方法；将源于降雨径流流域的数字滤波法，拓展到雪-冰产流流域，建立适用于雪-冰产流流域的数字滤波基流分割方程；利用改进的模型，在干旱-高寒山区以雪冰产流为主的玛纳斯河流域和半湿润-湿润区以降雨产流为主的沙颍河流域，检验和完善理论研究成果，研究雨-雪-冰不同产流下河川基流过程的季节、年际变化特征及控制机理，量化地下水对河川径流的贡献，揭示干旱-高寒山区和半湿润-湿润区河川基流过程特征的异同。
2016-01降水是水文模拟和预报的关键。作为全球降水观测计划（GPM）的前身，新一代多卫星遥感降水反演技术的出现使得低成本快速获取数据质量更好、时空分辨率更高、覆盖范围更广的实时连续降水资料成为可能，多卫星遥感降水与分布式水文模型的集成为大尺度流域（特别是无资料或少资料地区）的水文模拟和洪水预报提供了新的契机。本项目拟在中国南北两个典型流域各建立一个加密实验格网，并结合站点观测数据对三种国际上主流的多卫星遥感降水进行地面验证，从反演机理上探讨影响遥感降水精度的关键因素；将遥感降水与分布式垂向混合产流模型进行集成，定量评估三种主流遥感降水在典型流域的水文模拟和预报能力；解析不同空间分辨率遥感降水在洪水预报中的多维误差结构，揭示新传感器引入和关键算法更新对遥感降水的水文模拟和预报能力的影响。本项目研究成果可以为我国即将发射的降雨雷达星在洪涝灾害预报中的应用提供重要的技术借鉴和理论参考。
2014-01森林积雪升华（包括升华和蒸发）动态过程的准确估算，是正确理解地表能量和水量平衡的关键，也是区域水文模型和气候模式的重要环节，对应对全球变化与水资源安全具有重要意义。目前森林下垫面，特别是温带针阔混交林的积雪升华过程研究还很薄弱，相关模型无法反映森林组成与结构对积雪升华过程的影响。本项目拟以长白山阔叶红松林为研究对象，通过5套涡动相关系统对裸地、30年次生针阔混交林林冠上下和老龄林林冠上下水汽通量进行观测，结合相应气象要素与积雪变化过程观测，揭示森林组成与结构对林冠截雪过程及其对积雪升华过程的影响规律，构建以森林组成与结构为特征参数的积雪升华过程模型，为提高森林积雪升华过程模拟精度和准确预测全球变化背景下积雪升华过程提供理论依据。
2014-01全球变化显著改变了降水与气温的时空分布特征，加之我国特殊的自然地理条件，使得近年来干旱事件呈广发和频发的态势，严重影响农业生产与粮食安全，造成巨大农业经济损失。本项目拟构建渭河流域分布式水文模型，模拟流域尺度农作物产量，分析农业干旱时空演变规律，剖析农业旱灾致灾机理，从而对渭河流域农业旱灾损失进行综合评估。首先，借助分布式水文模型模拟渭河流域水循环过程，并完善其相对薄弱的作物生长模块以模拟流域尺度农作物产量；其次，提出基于蓝水绿水概念的农业干旱评价指标，并优选已有干旱指标分析流域农业干旱时空演变规律；最后，深入剖析渭河流域农业旱灾致灾机理，定量分析作物产量对水分亏缺的响应关系，建立作物水分生产函数，识别农业旱灾致灾因子，探讨干旱对农作物产量的影响，从而对渭河流域农业旱灾损失进行综合评估，为减轻干旱对渭河流域农业的影响提供理论依据与技术支撑。
2014-01在气候变化的背景下，我国水资源时空分布发生了变化，国家近期对水资源变化及其适应问题研究需求十分迫切。水循环是水资源问题的理论基础，湿润-干旱过渡带水循环的时空变化对气候变化非常敏感，本项目拟开展湿润-干旱过渡带水循环过程对气候变化的响应研究，为区域水资源管理对气候变化的适应提供科学依据。主要内容：1）识别我国湿润-干旱过渡带及其摆动范围，分析过渡带水循环的时空变化特征、水热平衡的格局及变化规律；2） 从水圈和气圈相互作用出发，研发耦合水热平衡变化的分布式水文模型，模拟中国湿润-干旱过渡带主要水循环过程；3）在过渡带选取代表不同气候特征的典型流域（西辽河、黄河中游、拉萨河），结合水文模型和室内外试验，揭示主要水循环要素对气候变化的响应机理；4）在气候变化对过渡带水循环影响分析的基础上，综合人类活动对水循环过程的影响，预估过渡带未来“蓝水”与“绿水”的转化趋势。
2014-01将山坡水文学产流机制——超渗地面径流、饱和地面径流、壤中径流和地下径流等成分的产流机制,概括为界面(不透水层)产流机制。介绍季节冻土区近地表地下水若干创新的观测成果,综述其在季节冻土区流域产汇流理论研究领域中的应用,建议水利、农业、气象、林业、地质等部门在季节冻土区近地表地下水观测方面通力合作。可以预期,季节冻土区近地表地下水观测成果在产汇流理论研究以及流域水文模型研制中得到进一步的应用。