La región de las cabeceras de los Tres Ríos (TRHR) sirve como la cuna de los tres principales ríos de China: el Yangtsé, el Amarillo y el Lancang, lo que hace que su capacidad de conservación de agua (WC) sea esencialmente significativa para la seguridad de los recursos hídricos en Asia. Este estudio integró el modelo InVEST y el modelo de bosque aleatorio para elucidarse holísticamente las características espaciotemporales y los factores que influyen en la WC en el TRHR desde 1980 hasta 2018. Los resultados revelaron que la tasa de crecimiento de la WC fue de 5.65 mm/10a en el TRHR durante el período de estudio, sin embargo, se observaron disparidades regionales pronunciadas entre diferentes cuencas, especialmente con la Cuenca del Río Lancang (LRB), que mostró una disminución a una tasa de 5.08 mm por década a pesar de tener la WC más alta. A través del análisis de tendencias de Theil-Sen, la prueba de cambio abrupto de Mann-Kendall y el método de desviación acumulativa, se identificaron cambios abruptos en la meteorología, la vegetación y el uso del suelo alrededor del año 2000 como los principales impulsores del aumento abrupto en la WC dentro del TRHR. Además, la precipitación y el índice de aridez fueron las variables clave que afectaron la WC. Sin embargo, también se reveló una transición positiva en los patrones de uso del suelo después de 2000, y su efecto favorable en la WC no fue tan significativo como los cambios climáticos abruptos. Este estudio ofrece nuevas perspectivas sobre la gestión de datos espaciotemporales multidimensionales y contribuye a sentar las bases para aplicaciones de aprendizaje automático en la conservación del agua. Además, potencialmente proporciona referencias útiles para los procesos de toma de decisiones relacionados con la seguridad de los ecosistemas.