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随着GIS (Geographical Information System)、遥感和计算机等技术的发展，分布式水文模型在水资源开发利用、防洪减灾、城市规划、土地利用变化的水文过程响应等很多方面都有了广泛的应用。本论文通过将TOPMODEL模型与地理信息系统（GIS）结合，对流域径流过程进行模拟，从而实现为流域的洪水预报以及流域规划管理提供技术支持。本文主要研究了GIS辅助下的TOPMODEL水文模型在流域径流模拟中的应用。TOPMDEL水文模型因为结构简单，参数个数少而被广泛应用于许多流域。基于数据的易于获取性，本文主要是采用TOPMODEL模型，结合GIS分析工具，对美国宾州Pocono流域的径流过程进行了模拟研究，主要的研究成果如下：（1）完成了对流域地形地貌信息参数的提取。主要是利用GIS工具从分辨率10 m的流域数字高程模型（DEM）中提取流域地形地貌信息。流域信息包括流域的水流流向、汇流方向、汇流累积量、汇流长度和坡度等。同时利用VisualC语言对TOPMODEL模型中输入模块进行了改进，实现了模型输入文件的格式化，提高了模型的运算效率。（2）在分析TOPMODEL水文模型的结构、原理和基本方程的基础上，对TOPMODEL的核心——地形指数的定义和计算方法进行了研究，并对地形指数计算的三种方法——单流向法、多流向法和改进多流向法进行了比较。此外，本文中还采用模型子模块计算法和ARCGIS10计算法两种不同的方法对流域的地形指数进行计算，并且对结果进行了对比分析。（3）研究了不同尺度下的DEM对TOPMODEL模型模拟精度的影响，解决了输入数据快速格式化的问题，全面分析了水文模型中的不确定性概念、GLUE方法的原理和分析步骤，同时以TOPMODEL在Pocono流域的应用为例，根据经验给出的参数先验分布，随机产生参数来运行TOPMODEL模型。使用设定好参数的TOPMODEL模型对流域的径流进行模拟，将模拟输出的结果与实测进行对比，确定性系数在86%，模拟结果符合水文模拟精度要求，从而验证了在研究流域采用TOPMODEL的合理性。