主要从事水文水资源研究。在径流形成与转化的时变非线性理论与实践方面取得系统的研究成果。提出了水文非线性系统识别理论与方法，解决了如何求解降雨径流非线性响应关系的难题；发现了受控于土壤湿度、降雨强度和下垫面多要素组合的时变增益产流规律，揭示了径流形成与转化的水文非线性机理；发展了时变增益水文模型与水系统方法，明显提高了径流预测的精度，在解决变化环境下径流模拟与调控的非线性、时空变异与不确定性研究方面，取得了重要突破，推动了水文科学的基础研究。成果应用到我国东部季风区黄河、长江、淮河以及中小河流防洪减灾、水质水量联合调度、应对气候变化的重大水利工程的水管理，产生了显著的社会经济效益。
已发表SCI论文134篇，其中第一作者和通讯作者87篇；EI收录论文157篇;出版专著8部。获由国际水文科学协会(IAHS)、联合国教科文组织(UNESCO)以及世界气象组织(WMO) 联合颁发的国际水文科学领域的最高奖“国际水文科学奖（IHP-Volker Medal）”以及“国际水资源管理杰出贡献奖”和“湖北省自然科学一等奖”等。曾任国际水资源协会（IWRA）主席，国际水文科学协会（IAHS）副主席。
