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受全球环境变化和经济快速发展的影响，我国水短缺、水污染、水生态、水灾害、水管理五方面问题复杂交叉，直接涉及国家多方面的安全，是一个复杂的水系统问题。在深入研究以流域水循环为纽带的水系统各部分联系与反馈机制的基础上，构建以多要素、多过程、多尺度流域水循环综合模拟为核心技术支撑，探讨良性水循环维持的途径。因此，在当前全过程、多要素的现代水资源综合管理中，流域水循环模型是一个关键的核心支撑技术。流域水循环模型很多，其中SWAT（the Soil and Water Assessment Tool）是一类比较典型的分布式模型，在水资源、水利工程和相关学科的研究、规划和生产过程中，具有广阔的开发利用和应用前景。
SWAT模型是由美国农业部的农业研究中心研发，开发的初衷为预测在大流域复杂多变的土壤类型、土地利用方式和管理措施条件下，土地管理对水分、泥沙和化学物质的长期影响。SWAT模型以日为时间尺度，是一种基于GIS数据的分布式流域水文模型，用于模拟多种不同的水文物理、化学过程，如水量、水质以及杀虫剂的输移与转化过程。SWAT模型包含降水、径流、土壤水、地下水、蒸散发以及河道汇流等参数，在径流模拟、面源污染计算、农业管理措施制订方面具有广泛应用。当前，SWAT模型在我国湿润半湿润、干旱半干旱以及高寒区都得到了广泛的应用，涉及水质、泥沙、营养物和径流等方面的模拟和预测。
SWAT模型集成了RS、GIS和DEM技术，能有效模拟和预测长期连续时间段内流域的径流、泥沙和污染物运移过程。SWAT模型集水量和水质、径流模拟的流域水文和面源污染模拟模型于一体，能预测不同土壤类型、土地利用/覆被变化等条件下土地管理措施对大尺度复杂流域径流、泥沙、水质和农业的影响。模型主要由水文径流模拟和流域水质模拟两部分构成，水文径流模拟为污染物的产生、入河、运移过程提供了水动力和物质载体，是进行面源污染控制的基础。
SWAT模型水文模拟由子流域水文循环系统、河道演算系统、水库模拟系统三部分构成。
（1）子流域水文循环系统。子流域水文循环系统控制进入每个子水系主河道的水量、泥沙量、营养物和杀虫剂量等。子流域水文循环系统包括8个模块，即水文过程、气候、产沙、土壤温度、作物生长、营养物质、杀虫剂和农业管理，其中前4个模块与水文模拟相关。SWAT水文循环结构框图见图2-3。
图2-3 SWAT水文循环结构框图
（2）河道演算系统。河道演算系统决定水、泥沙、营养物质等从河网向流域出口的输移运动方式。河道径流演算部分包括洪水径流演算、泥沙径流、营养物质和杀虫剂运移过程。
（3）水库模拟系统。水库模拟系统包括水库入流、出流、蒸发、渗漏、表面降雨、引水和回流。SWAT模型提供3种水库出流量的计算方法供用户选用。
SWAT模型中整个水分循环系统遵循水量平衡规律，具体计算公式为
式中：SW t 为最终土壤含水量，mm；SW 0 为初始土壤含水量，mm； t 为时间，d； R day 为第 i 天的降雨量，mm； Q surf 为第 i 天的地表径流量，mm； E a 为第 i 天的蒸发量，mm； W seep 为从土壤表面入渗到非饱和带的水量，mm； Q gw 为第 i 天的地下水回归流量，mm。
SWAT模型提供了SCS与Green-Ampt两种模拟地表径流模型，提供了Penman-Monteith、Priestley-Taylor和Hargreaves这3种计算潜在蒸发能力的方法。
流域SWAT模型构建主要包括基础数据库构建和模型模拟方法设置两部分。具体过程见图2-4。
图2-4 流域径流模拟SWAT模型构建过程
研究借助SWAT模型集成的数字地形分析软件包，获得河流的坡度、坡长、流域面积等参数值。模型模拟时，首先根据DEM把流域划分为若干子流域，然后依据土地利用类型、土壤类型、坡度类型等数据进一步划分为水文响应单元（Hydrologic Response Unit，HRU）。
HRU是SWAT模型模拟的最小研究单元，每类HRU具有独立的土地利用类型、土壤类型和坡度数据。ArcSWAT模型软件提供3种HRU划分方式：唯一土地利用类型/土壤类型/坡度（Dominant Land Use、Soils、Slope）、唯一HRU（Dominant HRU）、多种HRU（Multiple HRUs）。为尽可能接近实际水文过程，研究模拟采用Multiple HRUs划分方式。设置模拟的土地利用类型、土壤类型、坡度类型面积最小阈值比均定为10%，即如果子流域中某种土地利用类型、土壤类型和坡度类型的面积比小于该阈值，则在模拟中不予考虑，剩下的土地利用类型、土壤类型和坡度类型的面积重新按比例计算，以确保整个子流域的面积都能参与水文模拟。
模型模拟时蒸发模型选用Penman/Monteith，产流模型选用Daily Rain/CN/Daily Route方法，汇流模型选用马斯京根法，降水数据空间插值展布采用Skewed Normal方法。
污染负荷子模型主要用来模拟营养物质的负荷强度。SWAT模型利用自身的水文过程的子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型模拟面源污染物的产生负荷。水文循环过程中的侵蚀和营养物质产生量测算模块涉及一定的氮磷污染物的输入量，该过程为估算模拟地表径流中的磷损失量提供依据。
SWAT模型主要模拟氮磷循环的过程，其循环过程伴随水文循环和土壤侵蚀过程而发生，且与二元水循环过程密切相关。对于子流域的营养物，SWAT模型采用自备的EPIC模型进行模拟计算，对其中N、P两种营养元素进行独立模拟。氮被分为矿物氮和有机氮两大类，包含在硝酸盐中，通过水量和平均聚集度来计算。
氮循环模拟：氮循环过程分为有机氮、作物氮以及硝酸盐氮3种化学状态的循环，SWAT模型模拟径流、侧流和入渗条件下各种形态氮的迁移转化过程，主要包括氮的生物固定作用、有机氮向无机氮的转化、溶解性氮随壤中流的迁移以及氨态氮挥发等过程。
磷循环模拟：磷循环过程分为溶解态磷和吸附态磷，对磷素的流失计算考虑了表层土壤聚集、径流量和状态划分因子等因素，同时考虑作物的生长吸收。SWAT模型模拟磷在肥料、土壤与植物中迁移转化的过程，主要包括：地表淋溶、径流冲蚀以及无机吸收等的物理过程，有机磷矿化、磷酸盐的固定等的化学过程，以及农作物的吸收与收割等生物过程。
除对污染物产生量进行模拟外，SWAT模型还可对多年生植物的轮作进行模拟，且不受年数限制，年内最多可以模拟三季轮作，可以输入灌溉、施肥、农药和杀虫剂的使用情况（日期、用量）来预测BMPs管理措施的影响。