حوضه آبخیز به عنوان یک سیستم مرکب از اجزا و فعالیت های مختلف می باشد که هر گونه برنامه ریزی و طراحی در آن باید بر اساس تجزیه و تحلیل داده های هیدرولوژی و هواشناسی صورت گیرد. استفاده از داده های دبی سیلابی و میزان آبدهی در طرح های آبی و برنامه ریزی های منطقه ای از قبیل جمع آوری آب و ذخیره آن در سدهای مخزنی امری اجتناب ناپذیر است. هدف از این تحقیق بررسی رابطه دبی سیلابی و آبدهی سالانه با خصوصیات مورفوکلیماتیک در حوضه های آبخیز منتخب استان خراسان رضوی، به منظور ارائه مدل منطقه ای می باشد که از این طریق امکان تخمین مقادیر دبی سیلابی و آبدهی سالانه حوضه های فاقد آمار فراهم گردد. برای بازسازی نواقص آماری سری های زمانی ایستگاه های منتخب برای تعیین پایه مشترک زمانی، از روش شبکه عصبی مصنوعی استفاده شد. وجود داده های پرت به روش گرابز-بک بررسی شد و سپس از بین هفت توزیع آماری با کمک معیارهای تصمیم گیری شامل معیار اطلاعاتی آکائیک (aic)، معیار اطلاعاتی آکائیک اصلاح شده (aicc)، معیار اطلاعاتی بیزین (bic) و معیار اندرسون- دارلینگ (adc) بهترین توزیع آماری انتخاب گردید. بر اساس توزیع انتخاب شده مقادیر آبدهی سالانه و دبی سیلابی در دوره بازگشت های مختلف محاسبه شد. در این تحقیق 22 پارامتر فیزیوگرافی و زمین شناسی و 5 پارامتر اقلیمی در رابطه با دبی سیلابی و میزان آبدهی سالانه مورد بررسی قرار گرفتند. با استفاده از روش تجزیه به مولفه های اصلی (pca)، پارامترهای اصلی تعیین و با انجام تجزیه و تحلیل خوشه ای سلسله مراتبی، گروه های همگن مشخص شدند. به منظور بررسی همگنی منطقه ای گروه های مشخص شده، آزمون هاسکینگ و والیس مورد استفاده قرار گرفت که با توجه به نتایج خوشه بندی و آزمون همگنی منطقه ای، می توان بیان داشت سری های زمانی آبدهی سالانه و دبی سیلابی، هر کدام از یک مدل منطقه ای واحد تبعیت می کند. با توجه به روش ها و معیارهای ارزیابی معادلات رگرسیونی، مدل های ارائه شده توانایی قابل قبولی در برآورد مقادیر دبی سیلابی و آبدهی سالانه را دارا هستند و از آن جایی که روش به کار رفته در این تحقیق مبتنی بر داده های ثبت شده و روش های آماری می باشد استفاده از نتایج این تحقیق می تواند در حوضه های فاقد آمار استان خراسان رضوی مورد استفاده سازمان ها و بخش های اجرایی-تحقیقاتی ذیربط قرار گیرد.