Trong thời kỳ đầu (khoảng năm 1960-1975), các phương pháp dự báo mưa-dòng chảy chủ yếu dựa trên các phân tích diễn biến lịch sử, đường cong lũy tích chu kỳ nguồn nước, phân tích xu thế.
Từ năm 1975, công tác dự báo đã có nhiều bước tiến mới, ứng dụng các kỹ thuật máy tính phát triển các phương trình đơn lẻ phân tích thống kê các phương trình hồi quy tương quan dòng chảy với mưa và với các đặc trưng dòng chảy theo thời gian….Trong giai đoạn này, Sử dụng một số phương pháp dự báo biến động dòng chảy như:
Mô hình thống kê đa biến,
Mô hình nhận dạng,
Sử dụng hàm điều hòa,
Phân tích chuỗi thời gian như mô hình ARIMA,
Mô hình mạng thần kinh nhân tạo ANN…lập tương quan dòng chảy với dự báo dòng chảy tháng trong cả mùa lũ và mùa cạn đã được sử dụng trên các lưu vực sông.
Từ năm 1990, các mô hình toán thủy văn mưa rào dòng chảy, mô hình thủy lực được ứng dụng nhiều. Ban đầu, các mô hình này được sử dụng dự báo dòng chảy hạn ngắn sau đó phát triển dần thành các mô hình dự báo hạn vừa 5-10 ngày và dự báo hạn tháng với đầu vào là các trường mưa dự báo hạn vừa và hạn dài. Cụ thể, các mô hình thủy văn thông số tập trung như:
Mô hình TANK (Nhật Bản),Lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi các bể chứa xếp theo tầng và cột phù hợp với hình dạng lưu vực, cấu trúc thổ nhưỡng, địa chất,…Mưa trên lưu vực được xem như lượng vào của bể chứa trên cùng. Mỗi bề chứa đều có một cửa ra ở đáy. Mô hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn: 4 bể trên một cột. Phù hợp cho các lưu vực nhỏ có độ ẩm cao. Mô hình phức tạp hơn là mô hình TANK kép gồm một số cột bể mô phỏng quátrình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể mô tả quá trình truyền sóng lũ trong sông.
Mô hình NAM (Đan Mạch) Dựa trên nguyên tắc mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy bằng chuỗi các bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng và các bể chứa tuyến tính (tương tự như TANK). Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, các thông số và các biến là các giá trị trung bình hoá đại diện cho toàn lưu vực .Mô hình tính quá trình dòng chảy theo lượng ẩm trong các bể chứa có tương tác lẫn nhau. Mô hình được sử dụng để tính toán khôi phục dòng chảy từ mưa; tuy nhiên, chỉ thích hợp với lưu vực vừa và nhỏ khi tác dụng điều tiết của sườn dốc có thể được xét thông qua các bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng. Mô hình NAM có số lượng tham số vừa phải (16 thông số), dễ sử dụng hơn TANK.
Mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE (Pháp). Mô hình dựa trên phương trình Saint-Vernant, tính toán dự báo quá trình lưu lượng tại các tuyến hạ lưu. Mô hình MARINE đòi hỏi phải có số liệu địa hình, thổ nhưỡng, lớp phủ, mạng lưới trạm KTTV đủ dày, đặc biệt phải dự báo được mưa với độ phân giải cao. Lưu vực được chia theo lưới ô vuông. Phương trình liên tục được sử dụng để tính giá trị mực nuớc trong mỗi ô. Tốc độ dòng chảy mặt trên lưu vực được xác định bằng phương trình sóng khuyếch tán (bỏ thành phần gia tốc địa phương và gia tốc đối lưu chỉ giữ lại thành phần áp lực, trọng lực, ma sát trong phương trình Saint-Venant). Hệ số thấm là hàm số phụ thuộc vào mực nước trong từng ô. Dòng chảy trong sông được xác định bằng hệ phương trình Saint-Vernant đầy đủ với các hàm Q gia nhập khu giữa được xác định từ các lưu vực liền kề.
Mô hình WETSPA (Bỉ) là một mô hình thủy văn phân bố dựa trên quy luật tự nhiên dùng cho dự báo trao đổi nước và nhiệt giữa đất, thảm phủ thực vật, khí quyển trong phạm vi một vùng, một lưu vực, theo bước thời gian ngày.
Hiện nay Trung tâm dự báo khí tượng thuỷ văn Trung ương đang sử dụng các mô hình TANK, NAM, MIKE dự báo lũ lớn, hạn thủy văn và điều tiết hồ chứa cho hầu hết các lưu vực sông trên toàn quốc hạn ngắn đến hạn vừa.
