水文实验室依据一定的任务，设计制造模型，对人为控制下再现的某种水文现象进行观测研究。水文实验室不受自然界水文周期长或某些水文极值复现概率少等条件限制，是补充和辅助野外水文实验研究的重要手段和途径。水文实验室中一般进行专项水文模型实验和流域模型实验两类。

应用较广泛的有：①坡面流模型实验，多为可调节控制的不同坡度和长度的单一坡面，采用不透水材料或一定土层作坡面，以研究坡面水流的特性；②土柱入渗模型实验，可做各种土壤组成和降水特性的土壤水动态实验；③河道模型实验，一般用水工试验方法研究水文特性；④专门为仪器性能和测验方法而进行的实验，如在恒定非均匀流条件下，为研究流速仪测流误差而进行的模型实验，为研究推移质采样器效率而进行的水槽率定实验等。

以自然流域为原型，按一定比例缩尺制作相似模型。也可用于实验流域内各项治理措施对暴雨洪水的影响效应等课题。流域模型一般多制作与流域地表几何形态相似的模型，表面用不透水材料，不能用于研究降水径流关系，只适用于实验地表汇流。除模型体外，水文实验室应设计、配备相应的实验用水系统和模型的水流测量装置。对于流域、坡面和土柱等不同水平面积的模型，需要设计专门的人工模拟降雨装置。模型上还应布设一定的雨量计，测定人工降雨的雨强。实验时可控制雨强变化，这种操作也可利用计算机，实现按任一预置雨型进行自动化的人工模拟降雨实验。实验室进行流域模型实验的用水，一般均由蓄水池、水泵机组和输水管道等组成的水源循环系统提供。模型的水流测验仪器的精度要求较高，流量一般需用体积法测量并记录全过程。水位需用静水器做高精度测量和记录。当常规小流速仪不适用时，应设计制作专门的测速装置。为观察模型水流动态，如流域、坡面汇流的迹线和速度，河流交汇段和河口区不同水流界面的渗透和混匀等现象，可投放染料做定性或定量的判断和观测。对于土壤入渗锋面移动和土壤水分数量和能量状况等特性，需有专门的器具或应用核技术等近代测量技术进行。