模型包括8个基本模块，即水文过程模拟模块、气象数据生成模块、泥沙过程模拟模块、土壤温度模块、作物生长模拟模块、营养物质和杀虫剂循环模块以及农业管理模块。
3.2.1.1 水文过程模拟原理
水文过程模拟包括地表径流、洪峰流量计算、土壤中渗流计算、浅层地下水和深层地下水计算、蒸发量计算等，该过程基于基本的土壤水量平衡方程：
式中：SWt为土壤最终含水量；SW为土壤前期含水量；t为时间步长；Ri为第i日降水量；Qi为第i日的地表径流；ETi为第i日的蒸发量；Pi为第i日土壤剖面地层的渗透量和侧流量；QRi为第i日的基流量。
地表径流基于日尺度进行计算，模型提供两种产流模式，一种是改进的SCS产流模型，另一种是Green&Ampt超渗产流模型。其中，SCS产流模型易与土地利用/覆被变化建立联系，计算时段为日及以上，其径流量根据美国农业部土壤保持研究所（USDA Soil Conservation Service）改进的SCS曲线数值CN计算，计算公式如下：
式中：Q为日地表径流量；S为流域最大雨水滞留量，是后损的上限；P为日降水量；θS为降雨初损量，其中θ为常数，美国农业部土壤保持研究所提出的最佳值为0.12；CN为反映降雨前土壤蓄水特征的一个综合参数，与流域土壤渗透性、前期土壤湿润程度AMC、子流域坡度、植被类型、土壤类型和土地利用状况等因素有关，可以根据土地利用类型、土壤性质、植被覆盖、土壤前期湿润条件等查表得出。
Green&Ampt模型通过计算入渗量来求得地表径流量，其计算公式如下：
式中：Ft、Ft-1分别为时段t及其前一时段t-1时段的渗漏量；Ke为土壤有效水力传导度，mm/h，它是饱和水力传导度Ks和SCS曲线数值CN的函数；ψ为潜在湿润面（wetting front matric potential），它是土壤空隙率、土壤砂、黏土含量的函数，公式详见有关文献；Δθv为通过湿润面的体积含水量改变值。
潜在蒸发量计算有Hargreaves-Samani模型、泰勒公式（Priestley-Taylor）和彭曼-蒙蒂斯公式（Penman-Monteith）三种方法，彭曼公式需要风速、日辐射、相对湿度等参数，如果相关信息缺少，利用其他两个公式计算潜在蒸散发量结果比较理想。Hargreaves模型具有一定的物理基础，所需输入数据仅为气温，易与RS相结合。
模型中土壤水蒸发量是土壤深度和含水率的指数函数，土壤最大日蒸发量用公式（3.5）计算，实际每层土壤的蒸发量用公式（3.6）计算：
式中：Es为土壤最大日蒸发量，mm/d；E0为潜在蒸发能力，mm/d；Econ为冠层截留量，mm/d；CV是地面生物量和残留量，kg/hm2；Es，z为一定深度的土壤层日最大蒸发量，mm/d；z为土壤层厚度，mm。
土壤水渗透量利用储蓄演算方法计算，见公式（3.7）：(www.xing528.com)
式中：Qi为第i层土壤日渗透量，mm/h；SWqi为第i层土壤上一日土壤水含量，mm；Δt为时间间隔，24h；Hi为土壤水力传导度，mm/h；SWi为第i层土壤的含水量；FCi为第i层土壤的田间持水量减去凋萎系数，mm。
融雪量是温度的线性函数，见公式（3.8），坑塘储水量是库容、日入流量、出流量、渗漏和蒸发量的函数，见公式（3.9）。
式中：SNOmlt是日融雪量，mm；snocov是水文响应单元中积雪覆盖百分数；Tsnow、Tmx、Tmlt分别是当日雪堆温度、最大日气温和融雪温度，℃；bmlt6、bmlt12分别是6月21日和12月21日的融雪因子，mm/（d·℃），因子变化范围在耕作区域为1.4～6.9mm/（d·℃），城镇为3～8mm/（d·℃），沥青等不透水地面为1.7～6.5mm/（d·℃）；dn为一年中的日期顺序数，1月1日为1，12月31日为365或366。
式中：V、Vstored、Vflowin、Vflowout、Vpcp、Vevap、Vseep分别为坑塘水量、上一时段坑塘水储蓄量、入流量、出流量、降水量、蒸发量和渗漏量。
3.2.1.2 气象模块原理
气象数据，如降雨、气温、太阳辐射、风速和相对湿度等，是决定流域水平衡和水文循环的重要输入参数。这些数据可通过文件导入，也可利用模型气象发生器生成日值数据或填补缺失数据，但必要条件是已知月降雨和月气温基本资料。模型先独立计算日降雨，其他数据根据是否有降雨而生成。日降雨发生器是修改的马尔科夫链偏态模型或马尔科夫链指数模型，一级马尔科夫链比较模型生成的0～1随机数和用户输入的月值资料后，根据前一日的降水定义该日的阴晴，如果被确定为阴（0.1mm及以上雨量），则降水量根据偏斜分布模型产生；反之降水量则根据修改的指数分布模型计算。日最大、最小气温和日辐射量的变化利用基于弱稳定过程的连续方程计算，然后由正态分布函数根据阴晴条件产生，当天气为阴时下调最大气温和日辐射量，反之上调。模型利用修改的指数函数生成日平均风速，根据月相对湿度利用三角分布函数生成日相对湿度均值，并根据天气阴晴作上下调整。
3.2.1.3 土壤温度模块原理
土壤年温度变化遵循正弦函数曲线，并且振幅随深度增加而减小，土壤温度是土壤水运动和土壤残余物腐蚀速度的重要影响因素，土壤温度的季节变化根据改进的Carslaw和Jaeger等式计算，其中土壤温度是前天的土壤温度、年平均气温、土壤剖面深度和当日土壤表层温度的函数，地表温度与植被覆盖、积雪/裸地温度以及前日地表温度有关，土层温度有地表温度、平均年气温和衰减深度等因素有关。
3.2.1.4 作物生长模块原理
SWAT模型的植被数据库提供了多种植被类型的生理生态参数，模型使用EPIC模型中的作物生长模块来模拟植被生长和营养物质循环，并用来计算植被耗水量。利用累计温度作为控制条件，按照能量理论划分植被生长周期。作物生长基于日累积热量，当每种植被生长的适宜温度、开始生长的最低、最高温度确定后，当天的平均气温超过植被的最小生长温度、低于最高温度时，超过1℃计作一个热量单位，否则不计，认为其处于未种植或“休眠”状态。模型能够把多年生和一年生作物分开，一年生作物计算其从播种到收割这段时间内累积的热量；多年生作物热量累积计算方法相同，低于基本温度时不计。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
