以“基础理论——技术方法——应用实践”为框架，构建水科学研究框架。
“基础理论”是水科学研究和应用的重要基础，也是成为一门学科的重要支撑条件。如果没有这些基础理论，也就称不上是一门学科。
“技术方法”是水科学学科中所用到技术方法的总结，是水科学应用和发展的技术支撑。这些技术方法一般不是水科学所特有的，也可以用到其他学科中；有些是水科学中为了解决具体问题而产生的技术方法。
“应用实践”是对水科学服务于社会主要内容的总结，是水科学发展的重要动力，也是水科学的重要内容。 随着经济社会飞速发展，科学技术日新月异，人类需要解决的水问题越来越迫切、越来越复杂，水科学研究面临着很好的发展机遇，也面临着前所未有的挑战，总结以下几方面：
（1）随着人类活动日益加剧，对水系统的人为改变越来越剧烈，给原本复杂的水系统研究带来更大的困难。
（2）需要回答的问题也越来越尖锐，比如，如何使有限的水资源满足人们不断增加的需求？水资源的开发和利用能可持续吗？水资源承载能力有多大？人类活动对自然界的影响作用如何？气候变化到底对水系统、水生态有什么样的影响？如何调控？
（3）学科分类越来越细，但水科学遇到的问题越来越复杂，需要多学科通力合作、多学科交叉研究。比如，如何从法学的角度，限制人们的某些行为，确保良好的生态环境？人体健康与水环境的关系怎样？机理是什么？如何调控？
（4）不断提出的新理论（比如，人工神经网络理论、分形几何理论、非线性理论）迫切需要在水科学中得到检验和应用推广。一方面，它们为水科学发展提供新的理论基础；一方面，又需要水科学不断吸收和改进新理论，以完善水科学理论体系。
（5）新技术特别是高科技的不断涌现，为水科学理论研究、实验观测、应用实践提供了新的技术手段，大大促进了水科学的发展。比如，遥感（RS）技术、地理信息系统（GIS）技术和全球定位系统（GPS）技术、同位素实验技术等。 （1）进一步加强多学科的交叉研究，提高水科学研究跨学科总体水平
水科学研究的内容非常广泛，仅靠水文学、水资源学的理论知识是不能满足实际需求的，必须加强水文学、水资源学、经济学、生态学、环境科学、数学、化学、医学、系统科学、法学、历史学等多学科的交叉研究，借鉴其他学科的理论和思想。比如，水环境学与医学交叉，解决水环境变化对人体健康影响的作用机理、危害评估和科学调控；
（2）更加深入开展水科学实验研究、机理分析，揭示自然界水系统变化规律
自然界水系统变化规律十分复杂，人们对它的认识在不断提高和深入，但仍有很多未被人类认识的东西，需要水科学工作者继续深入做好基础研究，不断揭示自然规律。比如，水循环基本规律、生态水文基本规律、水分和污染物迁移转化规律等。这是进一步开展实践应用的重要基础。
（3）不断吸收新理论，促进水科学理论基础的发展
不断涌现的新理论、新方法（如，人工智能、神经网络、小波分析、和谐论、混沌等）迫切需要渗透到水科学中，在水科学中得到检验和应用推广，促进水科学的不断发展。
（4）对水科学中众多难点问题（如不确定性、非线性、尺度问题等）开展力所能及的研究，推动水科学的发展
水系统不确定性、非线性和尺度问题，是解决水系统复杂性问题的三个难点，也是水科学需要解决的关键问题。这些问题的研究将对水科学的发展起到重要的推动作用。但由于这些问题本身存在难以解决的属性，仍需要进一步加强理论探索。
（5）进一步深入开展深层次的水科学基础研究，促进水科学理论体系的完善
水科学中仍存在很多基础科学问题需要深入研究，包括：水文极值（洪水和干旱）问题的认识、预测与减灾，全球冰圈、气候和温室效应的相互作用，冰盖河流水文学，水文与大气交换作用等。
（6）及时采纳高新技术方法，提高水科学研究水平和服务社会的能力
随着科学技术的发展及其在水科学中的广泛应用，水科学理论及应用得到了长足发展。比如，现代信息技术的应用，使复杂、困难的水信息获取成为现实，原来不能得到或需要很大代价才能得到的水信息，成为可能或容易，为深入研究水科学问题提供了支持。把高新技术应用到水科学中，开展应用研究，是现代水科学研究的需要，也是解决复杂水问题的需要。
（7）及时吸纳新观点、新思想，指导水问题解决，提高水科学实践应用水平
在水资源规划、管理、开发、利用等实践方面，要不断吸纳新观点、新思想，提高应用水平，比如，20世纪90年代提出的可持续发展思想，随后提出的资源水利思想、人水和谐思想，水利部又提出水资源管理“三条”红线的思路。
（8）应对气候变化和高强度人类活动的水科学研究
气候变化会改变全球和局部水资源条件，可能会进一步加剧水资源供给的不确定性，导致极端水文事件和洪、旱灾害增加。高强度人类活动会改变陆地表面条件，引起水循环过程的变化，有可能会带来新的水问题，比如城市洪水问题。为了应对这些新问题，需要加强相关问题的研究，比如，变化环境下的水资源脆弱性评价和适应性调控研究、水资源系统的恢复性研究、气候变化下的水资源承载力和水安全研究、应对气候变化的水资源管理措施研究等。
