洪水灾害是当今社会危害经济发展和人口安全的主要自然灾害之一。受国土地貌、气候等条件影响,我国洪水灾害问题十分突出,防洪减灾始终是水利工作的主要目标之一。洪水预报作为防洪决策的重要参考,理论研究和生产应用一直是水利科学研究的重点。如何准确的模拟流域洪水传播和淹没情况,是洪水预报工作的重要课题。水文模型和水力模型是洪水预报系统的核心组成。本研究实现了以扩散波方程为核心的分布式物理水文模型,可以描述降雨-下渗-坡面汇流的水循环运动;实现了以浅水方程为核心的水力模型,数值格式稳定,计算准确。以水力模型数值计算中的特征波传播理论为基础,首次提出新的耦合方法,实现与水文模型的动态双向耦合。有别于单向耦合方法中两种模型各自独立计算以及边界固定引发的问题,动态双向耦合方法以耦合边界的流量计算为核心目标,方法遵循质量、动量守恒定律,可以根据流态变化自行调整计算模型和两种模型的使用区域,提高模型整体的预测精度和计算效率,高效、准确的模拟降雨洪水在不同阶段的演进变化,对洪水模拟更符合真实情况。为解决耦合模型应用中两种模型计算尺度可能不一致的问题,建立自适应四叉树网格生成算法,计算效率高,可以兼容不同尺度的计算单元,准确描述地形和流场的变化。网格生成过程分别以网格编码和尺寸作为检索条件,实现全局单向检索,避免对网格的重复检查。研究利用数值算例和物理实验对模型各项性能进行验证,检验数值格式的稳定性、计算精度;对比动态双向耦合模型与单向耦合模型,验证了动态双向耦合方法对于流场的模拟更贴近真实流动;对比模型基于四叉树网格与正交网格的计算结果,验证了自适应网格的质量能够保证计算精度;将模型应用于龙溪河流域的洪水预报中,以不同频次的设计降雨和洪水验证模型能够准确模拟小流域降雨洪水的演进情况,为防洪工作提供参考依据。