1、径流形成的时变增益产流非线性机理
　　基于全球代表性流域海量水文数据与响应关系的识别， 项目组在国际上发现了受控于 土壤湿度、降雨强度和下垫面组合的时变非线性产流规律。一是揭示了降水、土壤湿度等关键性控制因素的时变与非线性特性。由于这些高度非线性，导致了降雨形成径流的系统增益并非定常和平均态；二是发现了径流形成增益因子与土壤湿度、降雨强度和下垫面参数组合的时变非线性指数律关系，从机理上，揭示了径流形成内在的非线性产流规律，建立了非线性响应与水文物理机制之间的联系；进一步提出了径流计算新的方法与时变增益模型，包括产、汇流非线性以及季节性变化的组合计算， 解决了原水文线性理论中假定产流增益为常数和仅为平均态的问题明显提高了径流预测的精度经国际洪水预报比较研究计划（UCG）在全球60多个不同气候区的代表性流域验证，较线性系统理论预报精度平均提高了45%，最大提高了63%。
　　2. 水量转化的蒸散发非线性机理
　　项目组通过大量实验和野外观测研究，重点探讨了受控于“土壤-植被”制约的蒸散发关系及其在空间尺度扩展的难题。一是发现了土壤蒸发、总蒸发、叶面积指数、土壤湿度之间的非线性关系，揭示了“大气-土壤-植被”水量转化中植物水的调控机制；二是通过尺度分析、参证高度变量与遥感观测信息相结合，提出了一种与作物生长过程时空变化相联系的蒸散发估算模型。
　　3. 流域分布式时变增益非线性系统模型
　　流域径流形成与转化具有很强的时空变异性， 通过响应单元与空间尺度的扩展，发展了流域分布式时变增益非线性模型与不确定性分析方法。其特点是：系统论与物理方法结合， 对不同资料条件有比较强的适应能力，为定量分析人类活动和气候变化对径流影响与调控，提供了新的途径。其一，建立了时变产流系数与流域下垫面覆被空间变化之间的联系；其二发展了多闸坝河流和大型调水工程影响的“水量-水质”多过程模拟与径流调控方法，实现了取用水和外调水的混合水循环模拟与“水量-水质-水生态”多过程的径流调控；其三，提出了基于Bayes原理的分布式模型参数敏感性分析，即不确定性分析方法，显著提高了参数估计的效率。发展流域分布式时变增益模型价值与意义：复杂系统中找到一种简单有效的模型，是理解流域水文过程相互作用关系的重要途径。