流域水循环的认知于模拟是水资源规划的科学基础和应用基础。由于人类活动对于流域水循环影响的复杂性，以往水循环模拟多是对天然水循环陆面过程的模拟，近年来发展为对流域天然大循环和人工小循环的分别进行模拟，实现整体过程模拟的模型尚未见到。此外，由于土壤水特殊的赋存状态与频繁转化特性，非饱和带的土壤水模拟与定量评价也一直是水文学和水资源学研究的薄弱环节。上述研究现状已经明显不能满足人类活动密集缺水地区水资源规划的实践需求。

    在主持的国家重点基础研究（973）课题中，针对我国强烈人类活动对流域水循环过程的影响，将人类活动和自然作用并列作为流域水循环的双重驱动因子，提出了流域“自然－人工”二元水循环理论。基于二元模式理论，构建了由分布式模拟模型和集总式调配模型耦合而成的流域二元水循环模型，前者主要模拟天然“坡面－河道”陆面主循环过程，后者重点模拟以“取水－输水－用水－排水”为基本环节的人工侧支水循环过程，同时通过产汇流参数变化来考虑下垫面变化对水循环影响，从而实现了对变化环境下流域水循环全过程的精细模拟。并在老一辈院士专家确立的水资源评价理论方法的框架下，提出包括广义水资源、狭义水资源和国民经济可利用量在内的层次化水资源评价概念，利用二元模拟模型作为定量工具，实现了包括土壤水在内的黄河流域有效水资源的系统动态评价，揭示了人类活动影响下的黄河水资源演变规律，多方验证评价结果有较高精度。

    二元模式与模型突破了传统水文水资源研究对于流域水循环的天然与人工驱动力与循环过程分离描述的局限，是未来数字流域的“引擎”，土壤水模拟与土壤水资源评价则进一步丰富了流域水资源评价的手段和内涵。在黄河973项目中，流域水循环二元模式与模型、广义水资源动态评价方法和黄河水资源演变规律被科技部验收专家组、水利部鉴定专家组和多位同行院士书面评价为“原创性成果”，并作为项目重大成果上报科技部。包括多位院士在内的水利部鉴定专家组认为该项成果 “在理论和方法上都取得重大突破，达到国际领先水平”。2005年成果获水利部大禹科技进步一等奖。

    流域二元水循环模式理论与模拟技术于2004年一经提出就引起了广泛关注，并应用于全国水资源综合规划黄河片水资源评价中。先后应水利部黄河流域水利委员会、长江流域水利委员会邀请进行专题讲座，两次讲座与会人数均逾百人。该项成果还在水利部水资源管理司、水文局、农水司和水规总院等部门管理工作中也得到初步应用。