BTOPMC（Block-wise TOPmodel with Muskingum-Cunge method）模型以分块的方式应用TOPMODEL（TOPographic MODEL）进行流域产流计算,采用Muskingum-Cunge方法进行流域汇流计算,模型具有明确的物理基础,利用DEM（Digital Elevation Model）数据推求产、汇流计算所需要的流域地形信息,需要率定的参数较少、结构简单并具有较强的扩展性,在东南亚地区得到了广泛的应用。应用Shuttleworth-Wallace双源模型估算流域潜在蒸散发、改进河宽模型、基于SCE-UA全局最优化方法自动率定模型参数等等,完善了流域产、汇流过程的模拟,形成了一个相对完整的分布式流域水文模型,命名为BTOPMC/SCAU（South China Agricultural University）模型。为了便于进一步开发、扩展、推广和应用,迫切需要对BTOPMC/SCAU模型软件化和系统化。为此,本研究根据软件工程思想,结合计算机技术、网络技术、数据库技术和可视化技术,开发了BTOPMC/SCAU模型系统,并利用韩江流域数据对系统进行检验。系统操作简便、计算高效、模拟直观,具有以下特点:1)向导式导航菜单,简明操作界面,使用简单;2)按子流域集水面积由小到大的顺序,在子流域内基于网格集水面积分级进行的流域汇流并行计算,有效地提高了流域模拟计算效率;3)参数自动率定,省略了人工判读参数的困难和节省了判读时间;4)多层架构体系,层间解耦,便于后期维护和扩展;5)采用网络运行模式,支持多用户高并发访问。主要研究内容和结论如下:（1）根据流域水流拓扑关系,提出了按子流域集水面积由小到大的顺序,基于网格分级的并行计算方法。根据水文站点分布,大流域划分成若干子流域,子流域按其集流面积,由小到大排列,如最小的标识为子流域1,最大的标识为子流域m。在进行参数率定时（由于需要将不同参数代入到模型反复计算,耗时最多）,从最小的子流域开始,逐步进展到大的子流域。子流域之间要么处于并列关系,要么处于套合关系,当模型率定到一个套合了其他子流域的水文站点时,由于这些被套合的子流域集流面积一定小于目标水文站的集流面积,按照以上编码顺序,这些上游子流域都已经完成率定而无需重复,只需输出其率定流量过程到目标水文站的区间入流网点,使得参数率定只专注于区间网格。对于子流域内的网格,根据它的集水面积将其分级,如集水面积为1个网格的单元,一定是该子流域的源头网格,除其本身外不接收其他网格的汇水,划分为1级网格;集水面积为2个网格的单元,除其本身外还接受上游一个网格的汇流,划分为2级网格;依次类推可能有3级网格、4级网格、等等。同级网格因为没有水力联系,无需进行水量交换,可并行计算,如第i个子流域的1级网格数为N₁,系统可利用的线程为P₁,假如用户使用其中的s₁个线程（s₁≤N₁及s₁≤P₁）,则每个线程依次分配的网格数为N₁/s₁,待全部1级网格完成计算后,再根据该子流域2级网格的数目N₂和现时系统可利用的线程数P₂,决定使用其中的s₂个线程（s₂≤N₂及s₂≤P₂）,这时每个线程依次分配的网格数为N₂/s₂,2级网格计算完后推进到3级网格,依次推进完成该子流域的计算,之后再推进到下一个子流域,从而完成全部子流域的模拟计算。采用OpenMP（Open Multiprocessing）并行编程实现了以上并行计算算法并在韩江流域进行了实验验证,以1km的网格尺度对韩江流域9个水文站点进行模拟,在具有2个CPU共封装了8个内核的服务器上,使用其中4个核对流域进行汇流并行计算,效率提升2.8倍,在具有2个CPU共封装了24个内核的服务器上,使用其中20个核对流域进行汇流并行计算,效率提升近12倍。（2）在并行计算的基础上,基于SCE-UA全局最优随机搜索算法,实现了BTOPMC/SCAU模型的参数自动率定。自动率定无需人工干预,减少了系统对使用人员经验和水文专业知识的依赖,但是需要构造收敛速度快、收敛效果和结果理想的模拟结果评价目标函数,BTOPMC/SCAU模型系统提供了7种模型性能评价目标函数供用户选用,分别是简单最小二乘误差、时错最小误差、对数时错最小误差、平衡时错最小误差、异方差最大似然估计、时错异方差最大似然估计以及Nash效率系数与各水文过程水量平衡误差的几何平均。系统提供了SCE-UA算法默认参数值,亦为用户提供了参数的录入和修改界面。选用系统默认的参数值,并选用Nash效率系数与各水文过程水量平衡误差的几何平均评价函数,韩江流域水文模拟验证了参数自动率定功能。（3）BTOPMC/SCAU模型软件化、系统化。系统设计了多层架构体系,由下到上共分为5层:数据层、通信层、模型层、数据表达层和用户操作层。上层依赖下层,下层支持上层,使得系统易于扩展。数据层位于系统最底层,负责组织和管理所有数据,数据分为结构化数据和非结构化数据两种,非结构化数据包括地形、土壤、植被、遥感气象等输入数据以及模型在运行过程中产生的数据,以文件的形式组织与管理;结构化数据主要是实测的降雨、气象和径流数据,由关系型数据库组织管理。模型层主要负责计算工作,完成地形子模型、潜在蒸散发估算子模型、产流子模型、汇流子模型等核心模块的计算工作,采用模块化编程思想用C语言编程实现。通信层是各层间的沟通桥梁,主要负责完成异构系统间的消息传递和用户操作层、数据表达层与数据库之间数据的传输,前者基于Socket机制,采用C和Java编程实现;后者采用JDBC（Java Data Base Connectivity）驱动程序。数据表达层以图形、报表的形式可视化展示各种数据,采用Java编程实现。用户操作层采用向导式菜单和人机交互界面简化流域的水文模拟过程,采用Java编程实现。系统设计了BTOPMC/SCAU模型系统的网络运行模式,数据表达层和用户操作层代码部署在客户端,数据层和模型层代码部署在服务端,客户端与服务端由通信层完成消息传递。（4）为了使模型适应网络运行模式和充分利用服务器高速计算、大容量存储的强大功能,采用半同步/半异步（Half-Synchronize/Half-Asynchronize）模式设计了高并发服务器信息处理模型,信息处理模型在架构上分为3层,由下到上分别是异步层、队列层和同步层。为了达到既可以快速应答客户端连接请求,又能按照时序正确处理所有客户端请求的水文模拟业务,将服务器的通信功能与模型业务功能相分离,异步层负责通信,同步层负责业务。异步层负责快速响应客户请求,不处理模型业务,把所有通信任务集中在主进程自身处理,最大程度避免了复杂的多线程及同步问题,节省了多线程/进程之间频繁切换所带来的巨大系统开销;主进程聚合了多路复用器,采用异步通信模式,可以同时并发处理成百上千个客户端连接。队列层居于异步层和同步层之间,基于先进先出的原则设计成环状缓冲队列,在队列上定义2个信号量:空闲资源信号量和可用资源信号量,空闲资源信号量记录工作队列的剩余空间数量,初始值等于队列长度,当同步层从队列头部取走1个任务对象时,空闲资源信号量的值加1;可用资源信号量记录队列中待处理任务对象的数量,初始值为0,异步层每将1个任务对象推入队列尾部末端,可用资源信号量的值自增1。队列中的每个任务对象都与信号量资源进行了关联,有效地保证了任务对象的完整性,杜绝了任务对象漏处理的异常情况。同步层执行高层次水文模型业务（创建文件夹、文件传输/读写、地形预处理、产汇流计算等）,采用动态线程池模型,由池管理器、工作线程和预测线程组成。池管理器负责线程调度,为了减低池管理器搜索空闲线程的时间复杂度,设计了空闲线程队列和忙碌线程队列,当工作队列不为空时,池管理器唤醒空闲线程队列头部的线程,并把队列层头部的任务对象交由它处理,同时将线程移至忙碌线程队列,任务处理完毕,线程自行返回到空闲线程队列,此设计把搜索线程的时间复杂度由O（n）降为O（1）。为了避免资源浪费,线程池的大小可动态调整,预测线程根据用户请求概率分布情况提前预测需要的线程数量,池管理器根据预测值创建/销毁线程。（5）将BTOPMC/SCAU模型系统应用在韩江流域,韩江流域是广东省第二大流域,流域总面积30112km²,高程自20m¹500m不等,模型所需的DEM、土地覆被、土壤分类、卫星遥感、地面气象数据都下载于互联网,收集了193个雨量站1981-1988的降雨数据和9个水文站的流量数据,其中1981-1984的数据用于参数率定,1985-1988的数据用于模型校验。根据9个水文站的集水面积,由小到大把韩江流域划分为9个子流域:观音桥、宝坑,杨家坊、上杭,水口、溪口、横山和潮安,其中观音桥、宝坑,杨家坊、河口为源头子流域,上杭子流域套合了观音桥和杨家坊子流域,水口子流域套合河口子流域,溪口子流域套合了上杭子流域,横山子流域套合了水口子流域,而流域出口的潮安子流域又套合了宝坑、溪口和横山子流域。根据韩江流域的地势选择流域水流的总体方位,如“西北流向东南”,采用最小高程法确定每个网格的水流方向,采用钟向宁河宽模型,默认采用泰森多边形法对降雨数据进行空间展布,应用SCE-UA参数全局寻优方法对产汇流参数自动率定,收敛目标函数采用几何误差（Nash效率系数与各水文过程水量平衡误差的几何平均）;根据流域的气候特征,无需启用土壤冻融模型和积雪融雪模型;在系统提供的向导式菜单和用户交互界面导航下,用户可以轻松完成模型设置,并用图表直观地展示了流域水文模拟过程和结果;应用结果验证了系统设计结构层次的合理性、数据存取的安全性、用户操作的简便性、模拟运行的稳定性和结果显示的直观性。