地球关键带是维持地球生态系统功能和人类生存的关键区域。其中，地表过程-生态过程-陆地水文过程-地下水文过程对地球关键带生态功能起主导作用。因此，开展“多要素—多界面—多过程—多尺度”长期观测和构建多重耦合模拟模型是揭示地球关键带内部各单元相互作用机理、提升关键带重要过程认知水平、寻求水资源合理开发与生态环境保护方略的有效途径。
成果以国家和省部级项目为依托，以地球关键带水文过程、物质转化过程、热传递过程、生态过程及耦合机制为主线，经过近20年探索，首次在黄河中段典型地区建成了多尺度-多要素-多过程-多界面的“空-地-井”全天候立体式水文生态监测网络；创建了地球关键带多个界面水热传输通量计算公式；构建了地表-地下水系统水文过程-热传递-物质迁移-生态过程的多重耦合模型；破解了多过程耦合机理及其效应；创新了黄河中段基于地下水文过程的生态功能退化与危机的多维临界标识指标与阈值体系；提出了面向生态的地下水资源评价新方法；开发了土壤-地下水污染修复技术，研发了流域水文生态功能提升技术和管控途径。形成了地球关键带“水文生态―调查与评价-观测与模拟-预测与管控”全链条理论技术体系，并在黄河中段实践。
成果被14家机构和单位用于全国地下水生态环境保护规划、全国地下水监测工程等。研发的监测、模拟与管控技术指导了6家单位原位监测场地的建设与运行，取得了显著的社会环境效益。