SWAT（Soil and Water Assessment Tool）是由美国农业部（USDA）的农业研究中心Jeff Arnold博士1994年开发的。模型开发的最初目的是为了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模型是在SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins)模型基础上发展起来的，融合了ARS几个模型的特点。模型自开发以来，已经在北美、欧洲等地取得了广泛的应用验证，并在应用中不断的改进。SWAT模型几经修改补充，已历经了许多个版本。部分研究认为，SWAT模型是在以农业和森林为主的流域具有连续模拟能力的最有前途的非点源污染模拟模型。

SWAT模型的产生

SWAT模型的最直接前身是SWRRB模型。而SWRRB模型则起始于20世纪70年代美国农业部农业研究中心开发的CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)模型。此时的SWRRB模型还是一个仅能够模拟土地利用对田间水分、泥沙、农业化学物质流失影响、具有物理机制的田间尺度非点源污染模型。为了解决水质评价问题，SWRRB模型于20世纪80年代后期引进了重点描述地下水中化学物质、农药对农业生态系统影响的GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)模型的杀虫剂部分。同时，为了研究土壤侵蚀对作物生产力的影响，引进作物生长模型EPIC(Erosion- Productivity Impact Calculator)。至此，SWRRB模型已可模拟评价复杂农业管理措施下的小流域尺度非点源污染，但于较大尺度流域的模拟尚不可靠，最大仅能用于500km2的流域范围内。

20世纪80年代晚期，美国印第安事务局（the Bureau of Indian Affairs）急需一个适于数千平方公里的模型来评价亚利桑那州和新墨西哥州的印第安保留土地区的水资源管理措施对下游流域的影响。为在几千平方公里大流域内应用SWRRB模型，必须将该流域划分成若干个面积约为几百平方公里的子流域。然而SWRRB模型仅能将子流域划分为10个，且各子流域排出的径流量和泥沙量直接通过流域出口。由于SWARRB模型在模拟较大尺度的流域时存在的这些不足，又开发了ROTO(Routing Output to Outlet)，该模型接受SWRRB模型的输出结果，通过河道和水库的汇流计算汇集到整个流域的出口，有效克服了SWRRB模型子流域数量的限制，但还存在输入输出文件量大烦琐，计算存储空间所需大等缺点。20世纪90年代，为解决上述问题，提高计算效率，在Aronld主持下将SWRRB与ROTO整合在一起成为SWAT模型，实现了模型的统一。

SWAT模型的发展

自SWAT模型建立后又经历了多次修改，各个版本的主要修改内容如下：

SWAT94.2：引入多水文响应单元（Multy Hydrologic Response Units）。水文响应单元的引入让更多的空间物理特性得到考虑，使模型能够反映不同土地利用和土壤类型的蒸发、产流、入渗等水文过程，从而提高了产出预测的精度。

SWAT96.2：在管理措施中增加了自动施肥和自动灌溉；增加了植物冠层截留；在作物生长模型中引进了CO2部分用来分析气候变化的影响；增加了Penman-Monteith潜在蒸腾方程式；增加了基于动力波的土壤中侧向流动的计算模块；增加了河道中营养成分的水质方程以及对杀虫剂迁移的模拟。

SWAT98.1：改进了融雪模块、河道中水质计算模块；扩展了营养成分循环模块；在管理措施中增加了放牧、施肥等选项；模型得以改进为适用于南半球。

SWAT99.2：修改了营养成分、水稻及湿地模块。年份表示由二位改为四位。增加了由于沉淀作用引起的水库、池塘、湿地中养分减少的计算；增加了城区污染物的累积和冲刷计算。

SWAT2000：增加了细菌迁移模块，Green-Ampt入渗模块，马斯京根法汇流计算；改进了天气生成器；允许太阳辐射、相对湿度、风速、潜在的ET值等直接读入或生成；改进了高程处理过程，为适用于热带地区对休眠部分的计算进行了修改。

AVSWAT2000：将SWAT2000作为一个扩展模块结合到ArcView GIS中，具备了很强的空间分析与处理功能。

AVSWAT2005：集成了敏感性分析和自动校准与不确定性分析模块。并且增加了日以下步长的降水量生成器和允许用户定义天气预测期。前者为SWAT模型的短期预报打下了基础；后者允许用户在模拟降水时，预测期之前降水采用多年平均值而预测期降水采用预测期平均值来模拟，这种改进对评价流域内预测天气的影响非常有用，如预测暴雨的影响可以提早对水库进行合理的调控。

SWAT2009：改进了细菌运移模块；增加了天气预测情景模拟，日以下时间步长.的降水量生成器；逐日CN计算中用到的滞留参数可能是土壤含水量或植被蒸散发的函数；更新了植被过滤带模型；改善了硝态氮和铵态氮干湿沉降的计算；增加了对当地污水系统的建模。

SWAT是一个物理基础的模型，可以进行连续时间序列的模拟。SWAT模拟的流域水文过程分为水文循环的陆地阶段（即产流和坡面汇流部分）和水文循环的汇流阶段（即河道汇流部分）。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。整个水分循环系统遵循水量平衡规律。

一、水文循环陆地阶段：

SWAT模拟的水文循环基于水量平衡方程：

式中SWt为土壤最终含水量，mm；SW0为第i天的土壤初始含水量，mm；t表示时间，d；Rday表示第i天的降水量，mm；Qsurf表示第i天的地表径流量，mm；Ea表示第i天的蒸散发量，mm；Wseep表示第i天从土壤剖面进入包气带的水量，mm；Qgw表示第i天回归流的水量，mm。

流域的气候提供了水文循环的水分和能量输入，控制着水量平衡，决定了水文循环不同要素的相对重要性。SWAT所需的气候变量包括日降水量、最高/最低气温、太阳辐射、风速和相对湿度，它们可以以实测数据记录方式输入或在模拟过程中由模型生成。

降水过程中，水分或被冠层截留或到达土壤表面。到达土壤表面的水分渗入土壤剖面或形成地表径流，地表径流很快汇入河道，形成短期水文响应。下渗水流可能存留于土壤中，随后发生蒸散发，或由地下通道慢慢汇入地表水系统。

SWAT利用单一植物生长模型来模拟所有类型的土地覆盖。在模型中分为一年生与多年生植物。一年生植物的生长期从播种到收获，或累积热单位直至等于植物潜在热单位。多年生植物全年供养其根系生长，冬季进入冬眠，当日均气温超过其所需最低气温或基温时恢复生长。植物生长模型可用于评估根区水分和营养物质的迁移、植物的蒸散发和生物量。

各HRU内的侵蚀量和产沙量通过MUSLE公式（modified unibersal soil loss equation）来估测。模型提供了径流量和最大流速的估计，用于计算子流域面积上的径流侵蚀能力。

SWAT可模拟流域内多种形式的N/P运移和转化、杀虫剂的迁移。营养物可以进入干流河道，或者通过地表径流和壤中流向下游迁移。

可以在SWAT中安排各HRU上的管理措施，如生长季的开始与结束、施肥时间和施肥量、喷洒杀虫剂时间、灌溉时间以及耕作时间。在生长季末，HRU上的生物量以产量去除，或以残留物的形式留在地表。除以上基本管理措施外，也可进行放牧、自动施肥和自动灌溉等操作，以及各种可能的用水方式组合。

二、水文循环汇流阶段：

确定了迁移到主河道的泥沙、水流、营养物和杀虫剂负荷后，运用类似于HYMO的指令结构，就可以演算流域整个河网中的相应负荷量。除了记录河道中的物质流，SWAT还模拟河流和河床中的化学物质转换。

主河道中的演算可以分成

1、用特征河长法或马斯京根法来进行洪水演算；

2、用河流功率计算冲刷量以进行泥沙演算；

3、用QUAL2E方程来进行营养物演算；

4、模拟沉降、掩埋、再悬浮、挥发、扩散和转化过程来进行河道杀虫剂演算。

水库的水量平衡包括入流量、出流量、水库表面降水量、蒸发量、水库底部渗漏量以及调水量。

SWAT模型所需的数据有地形、土壤、土地利用、气象、水文、营养物质等，根据研究目的不同可以选择建立不同的数据库，模型本身带有Land Cover/Plant Growth Database、Urban Database数据库。除此之外，还需要结合研究区域的特点和研究目的，建立用户数据库，其中包括耕作数据库、杀虫剂数据库、营养物质数据库、土壤数据库。