SWAT（soil and water assessment tool）（Arnold et al.，1998）模型是美国农业部（United States Department of Agriculture，USDA）农业研究中心（Agricultural Research Service，ARS）开发的流域尺度的分布式水文模型，旨在模拟和研究复杂流域内的水土资源管理措施对水、泥沙和化学污染物的影响。该模型自20世纪90年代早期推出以来，经历了SWAT94.2、SWAT96.2、SWAT99.2、SWAT2000、SWAT2003、SWAT2005共7个版本的发展，形成了Visual Basic、GRASS和Arc View 3种界面，目前已广泛应用于流域管理和水资源决策等领域。
SWAT模型对水文过程的模拟可分为陆面水循环和水面水循环两个部分，前者主要是指坡面产流和汇流阶段，涉及水文响应单元（hydrologic research units，HRU）和子流域（sub-basin）内水量、泥沙、营养物质和化学物质流向主河道的水分循环过程；后者主要是指河道汇流阶段，即水分、泥沙等物质等从河道向流域出口的输移运动。此外，SWAT模型也能模拟河流、河床中化学物质的转化和迁移。该模型所考虑的陆面水文过程如图4.2所示，SWAT模型陆面水文模块构成如图4.3所示。
图4.2 SWAT模型陆面水文过程图（Neitsch et al.，2005）
图4.3 SWAT模型水文模块构成
SWAT模型所模拟的水循环过程遵循水量平衡方程
式中：SWt为第i天的最终含水量，mm；SW0为第i天的初始含水量，mm；t为以天来计的时间步长；Rday、Qsurf和Ea分别为第i天的降水量、地表径流量和蒸发蒸腾量，mm；ωseep为第i天由土壤表面入渗到非饱和带的水量（渗透量和侧流量），mm；Qgw为第i天地下水回归流量，mm。
SWAT模型的主要组成部分包括：气象、水文、泥沙、土壤温度、植被生长、营养成分、农药/杀虫剂、土地管理、产流演算和汇流演算等（郝芳华，2006）。各部分的计算原理如下。
（1）气象。SWAT需要的气象数据为逐日降水量、最高气温、最低气温、太阳辐射、风速和相对湿度。模型可直接读入实测气象数据，也可由天气发生器填补缺测的数据。
（2）水文。SWAT对任一HRU上的水分运动模拟包括：冠层截留、入渗、土壤水再分配、蒸发（腾）、土壤水分侧向流、地表径流、基流等。
（3）泥沙。SWAT模型采用修正的土壤侵蚀方程（modified universal soil loss equation，MUSLE）模拟侵蚀量和泥沙负荷量。(www.xing528.com)
（4）土壤温度。土壤温度分为土壤表面温度和土壤层中心温度，前者为地表覆盖的积雪、植物、残留物、裸露土壤表面温度和前一天土壤表面温度的函数，后者通过平均气温、距离表层土的深度、土壤阻尼深度等来计算。
（5）植被生长。SWAT模型用单一的植被生长模型模拟所有的植被覆盖类型，该模型以温度为主要控制条件，区分单年生或多年生植物，并模拟水分和养分从根系层的迁移转化、蒸腾及生物的生物量等。
（6）营养成分。SWAT模型可模拟不同形态的氮元素和磷元素的迁移和变化，其中，氮元素的模拟分为溶解态氮和吸附态氮，磷元素的模拟分为溶解态磷和吸附态磷。
（7）农药/杀虫剂和土地管理。SWAT模型中的GLEAMS模型可用于农药或杀虫剂的模拟，土地管理则以HRU为单位，涉及的管理措施有：植被生长周期、化肥农药的施用量和时间、耕作时间等。
（8）产汇流计算。水文循环产流阶段的计算包括地表径流、土壤水、地下水、蒸散发量4个方面；水文循环汇流阶段的计算包括子流域汇流和水库汇流2个方面，相关公式见表4.1。
表4.1 SWAT模型产汇流过程计算公式
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