产流产沙模型是深刻理解和模拟流域产流产沙过程的关键所在,是定量研究流域内径流泥沙的有效手段,是流域综合治理规划的需要。流域产流产沙取决于流域的地形地貌、土壤、植被、气象、气候以及人类活动等多种因素。由于自然因素的时空变异性和不均一性以及人类活动的不确定性,因此产流产沙是一个复杂的非线性过程。元胞自动机(Cellular Automata, CA)是研究复杂现象的一个典型方法,CA模型具有“自下而上”的研究思路、强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力以及鲜明的时空耦合特征,因此它特别适合于地理空间系统的动态模拟研究,为分布式流域产流产沙模型的研制提供一种新的研究方法,具有重要的理论与实践意义。回顾基于地理信息系统(Geographical Information System, GIS)的产流产沙模型以及CA在水文泥沙模型中的应用的基础上,对流域产流产沙影响因素进行深入的分析,结合产流产沙模型与CA模型基本理论,构建基于CA的流域产流产沙模型,并在GIS技术的支持下,实现模型与GIS的紧密集成,开发模型信息系统,并选择黄土高原岔巴沟流域为试验区,进行模型的模拟应用。本研究主要有以下内容:(1)产流产沙模型的构建,采用面向对象的方法,定义模型,扩展传统CA的结构,包括元胞状态集、转换规则与时间步长等;(2)模型与GIS的集成,模型所需的数据通过GIS读取、存储、处理与输出,在ArcEngine组件的支持下,实现模型与GIS的耦合;(3)模型在试验区的应用,选择试验区的地形、土地利用、植被覆盖度以及水文泥沙数据,对模型进行参数率定与验证分析,并人工设计模拟情景,分析土地利用与植被覆盖度变化对流域产流产沙的影响。通过模型在试验区的模拟应用,得到以下结论:(1)流域产流产沙具有明显的非线性特征,CA方法是一种可以有效地模拟流域产流产沙复杂过程的非线性方法;(2)传统的分布式模型相当复杂,模型参数多,而该模型参数少,减轻了参数率定的繁琐工作量,模型结构简单,降低了模型设计的难度;(3)将CA原理与产流产沙计算原理相结合,建立模型,开发模型信息系统,不但可以对次降雨的产流量与产沙量进行模拟,而且可以动态显示径流和泥沙的空间变化过程,通过模型的循环运算可以模拟出较满意结果。