自然水循环平衡分析（即降雨径流平衡分析）是流域水文循环意义上的水量平衡关系分析，即流域内降水量、蒸发量与径流量之间的物质守恒关系。这是水文学研究的基本原理之一，也是水文模拟和水资源演化所必须遵循的物理规律。对于一个闭合的流域，在不考虑跨流域调水的前提下，流域水平衡方程可简单表述如下：

ΔW=P- E- R

式中：ΔW 为时段内流域蓄水量的变化量，等于地表水、土壤水和地下水蓄变量之和；P 为时段内流域总降水量；E 为时段内流域总蒸发量，包括水面蒸发、土壤蒸发、植被蒸腾和潜水蒸发；R 为时段内流域出口断面总径流量，可分为地表径流和地下径流。此时，流域内人类社会经济系统的取用水过程属于系统内部过程。如果研究流域内某个子流域、区间或水体（如河段、水库、湖泊等）水平衡关系，则需要考虑上下游水力关系，即考虑侧向补给关系。

在水文大地测量研究中ΔW 可以通过GRACE和GNSS反演计算获得；

对于多年平均来说，流域蓄水量变化量的值趋近为 0。流域水平衡关系简化为多年平均的降水量=蒸发量+径流量。

根据布迪克水热平衡理论Bydyko,一定的气候和植被条件下, 流域长期的水文气候特征服从水分和能量平衡原理。由于Budyko有多种公式，本文采用杨大文老师（“基于水热耦合平衡方程的黄河流域径流变化归因分析”）

其中P为年降雨，E₀为潜在蒸散发，n 是反映流域下垫面特征的参数, 流域下垫面特征包括地形、土壤和植被等。E=P-R，就可以根据流域多年降水P，潜在蒸散发ET0，径流R求出反应流域特征的参数n值。利用MATLAB的solve函数解方程，求出参数n。

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