This study is to assess the application of SWAT-CUP(Soil and Water Assessment Tool-Calibration Uncertainty Programs) and to extend daily flow data from 8-day interval flow data which has been measured by Korean Ministry of Environment(MOE). Model sensitivity analysis and calibration were performed with sequential uncertainty fitting(SUIF-2), which is one of the programs interfaced with SWAT, in the package SWAT-CUP. The most sensitive parameters were SOL_K.sol, CH_N2.rte, CN2.mgt, SOL_BD.sol, ALPHA_BF.gw, ALPHA_BNK.rte, SOL_AWC.sol, CH_K2.rte, SFTMP.bsn, GW_DELAY.gw. Following the sensitivity analysis, SWAT-CUP calibration was carried out using 8-day interval flow data from January 2008 to December 2010. The results were then assessed based on the visual agreement and simulated flow plots and the performance statistics generated $R^2$ and NSE which are 0.71 and 0.61 respectively. Results of these statistics indicated that there was a good agreement between the observed and simulated flow. To extend daily flow data from 8-day interval flow data, parameters, which were estimated by SWAT-CUP, re-entered for SWAT model. As a result, the observed flow data were found to reflect the trend of simulated flow data. From these results, it is thought that this method could be used to provide daily flow data using 8-day interval flow data.
Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model has been widely used in estimation of flow and water quality at various watersheds worldwide, and it has an auto-calibration tool that could calibrate the flow and water quality data automatically from thousands of simulations. However, only continuous measured day flow/water quality data could be used in the current SWAT auto-calibration tool. Therefore, 8-day interval flow and water quality data measured nationwide by Korean Ministry of Environment (MOE) could not be used in SWAT auto-calibration even though long-term flow and water quality data in the Korean Total Maximum Daily Load (TMDL) watersheds available. In this study, current SWAT auto-calibration was modified to calibrate flow and water quality using 8-day interval flow and water quality data. As a result of this study, the Nash and Sutcliffe Efficiency (NSE) values for flow estimation using auto-calibration are 0.77 (calibration period) and 0.68 (validation period), and NSE value for water quality (T-P load) estimation (using the 8-day interval water quality data) is 0.80. The enhanced SWAT auto-calibration could be used in the estimation of continuous flow and water quality data at the outlet of TMDL watersheds and ungaged point of watersheds. In the next study, the enhanced SWAT auto-calibration will be integrated with Web based Load Duration Curve (LDC) system, and it could be suggested as methods of appraisal of TMDL in South Korea.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.54
no.6
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pp.111-119
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2012
Applicability of 8 day interval flow data for the calibration of hydrologic model was evaluated using Hydrological Simulation Program-Fortran (HSPF) at Kyungan watershed. The 8 day interval flow monitored by Ministry of Environment located at upstream was calibrated and periodically validated during 2004-2008. And continuous daily flow monitored by Ministry of Construction & Transportation (MOCT) and located at the mouth was compared with daily simulated data during 2004-2007 as spatial validation. Automatic calibration tool which is Model-Independent Parameter Estimation & Uncertainty Analysis (PEST) was applied for HSPF calibration procedure. The model efficiencies for calibration and periodic validation were 0.63 and 0.88, and model performances were fair and very good, respectively, based on criteria of calibration tolerances. Continuous daily stream flow at the mouth of Kyungan watershed were good agreement with observed continuous daily stream flow with showing 0.63 NS value. The PEST program is very useful tool for HSPF hydrologic calibration using non-continuous daily stream flow as well as continuous daily stream flow. The 8 day interval flow data monitored by MOE could be used to calibrate hydrologic model if the continuous daily stream flow is unavailable.
Kim, Sangdan;Kang, Du Kee;Kim, Moon Su;Shin, Hyun Suk
Journal of Korean Society on Water Environment
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v.23
no.1
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pp.64-71
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2007
In this study daily flow data is constructed from 8-day intervals flow data which has been measured by Nakdong River Water Environmental Laboratory. TANK model is used to expand 8-day intervals flow data into daily flow data. Using the Sequential quadratic programing, TANK model is auto-calibrated with daily precipitation and 8-day interval flow data. Generated and measured daily surface flow, ground water flow data and ground water recharge are shown to be in a good agreement. From this result, it is thought that this method has the potential to provide daily flow data for calibrating an watershed model such as SWAT.
It is very difficult to apply stream flow data directly to the management of Total Maximum Daily Loads because there are some differences between the unit watershed and the stream flow monitoring network in their characteristics such as monitoring locations and its intervals. Flow duration curve can be developed by linking the daily flow data of stream monitoring network to 8 day interval flow data of the unit watershed. This study investigated the current operating conditions of the stream flow monitoring network and the flow relationships between the unit watershed and the stream flow monitoring network. Criteria such as missing and zero value data, and correlation coefficients were applied to select the stream flow reference sites. The reference sites were selected in 112 areas out of 142 unit watersheds in 4 river basins, where the stream flow observations were carried out in relatively normal operating conditions. These reference sites could be utilized in various ways such as flow variation analysis, flow duration curve development and so on for the management of Total Maximum Daily Loads.
In this study, it was proposed that extension techniques of 8 day interval recorded stream-flow data which has been produced at the mouth of unit watersheds for TMDLs to daily one. The concept of this method was that the missing data at partial recording station was filled by using the daily data at a nearby, hydrologically similar streamgaging station. First, same day stream-flow was extracted from the daily stream-flow. Then, the extension equation was developed based on the sample data when the same day stream-flow from daily data and the partially recorded stream-flow was deeply related each other. The missing data was interpolated or extrapolated by the equation. Especially the maintenance of variance extension (MOVE) technique was used to derive the equation and was validated. Finally the 8-day interval recorded stream-flow at the mouth of unit watersheds in Han River Basin for TMDLs was extended to continuously daily data by using the method proposed in this study. And the low flow at each unit watershed was evaluated according to the flow-duration curve.
In recent years, there has been demand for precise estimations of pollutant loads on nationwide scale for the development of appropriate site specific (watershed specific) policies to reduce the negative impact of pollutant loads. River flow data and water quality data that were previously collected by various research institutes and universities for specific research purposes for a limited period was utilized in this study. However, only TMDL 8-day interval flow and water quality data were available in national scale. Three watersheds were selected and pollutant loads were calculated by two methods i.e., Numeric Integration (NI) method and Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Subsequently, the results were compared to determine the appropriate method for monitoring nonpoint source networks nationwide. The SWAT model was calibrated and its estimated daily flow data were used in the NI method with estimated sediment data for 8-day monitoring data for three watersheds. The results indicated that the quantity of pollutant loads estimated with the NI and SWAT are different to some degrees especially during the summer season for all the three study watersheds. Thus, more frequent sampling of water quality is needed for nonpoint source pollutant estimation.
It is necessary to develop flow duration curve (FDC) on each unit watershed in order to analyze flow conditions in the stream for the management of Total Maximum Daily Loads (TMDLs). This study investigated a simple method to develop FDC for the general use of the curve. A simple equation for daily flow estimation was derived from the regression analysis between the 8-day interval flow data of a unit watershed and the daily flow monitoring data of an adjacent upstream region. FDC can be prepared with the calculation of daily flow by the equation for each unit watershed. An annual and a full-period FDC were drawn for each unit watershed in Guem river basin. Standard flow such as low and ordinary flow can be obtained from the annual FDC. Major percentile of flow such as 10, 25, 50, 75 or 90% can be obtained from the full-period FDC. It is considered that this simple method of developing FDC can be utilized more widely for the calculation of standard flow and the assessment of water quality in the process of TMDLs.
Flow duration curve (FDC) can be developed by linking the daily flow data of stream flow monitoring network to 8-day interval flow data of the unit watersheds for the management of Total Maximum Daily Loads. This study investigated the applicable method for the development of long term FDC with the selection of the stream flow reference sites, and suggested the development of the FDC in 4 river basins. Out of 142 unit watersheds in 4 river basins, 107 unit watersheds were shown to estimate daily flow data for the unit watersheds from 2006 to 2010. Short term FDC could be developed in 64 unit watersheds (45%) and long term FDC in 43 unit watersheds (30%), while other 35 unit watersheds (25%) were revealed to have difficulties in the development of FDC itself. Limits in the development of the long term FDC includes no stream monitoring sites in certain unit watersheds, short duration of stream flow data set and missing data by abnormal water level measurements on the stream flow monitoring sites. To improve these limits, it is necessary to install new monitoring sites in the required areas, to keep up continuous monitoring and make normal water level observations on the stream flow monitoring sites, and to build up a special management system to enhance data reliability. The development of long term FDC for the unit watersheds can be established appropriately with the normal and durable measurement on the selected reference sites in the stream flow monitoring network.
In South Korea, Total Maximum Daily Load (TMDL) has been enforced since 2004 to restore and manage water quality in the watersheds. However, the appraisal of TMDL in South Korea has lots of weaknesses to establish the plan for recovery of water quality because it just evaluates the target water quality during the particular flow duration interval. In the United States, Load Duration Curve (LDC) method bas been widely used in the TMDL to evaluate the water quality and pollutant loads considering variation of stream flow. In a recent study, web-based Load Duration Curve system was developed to create the LDC automatically and provide the convenience of use. In this study, web-based Load Duration Curve system was applied in the Gapyeongcheon watershed using the daily flow and 8-day interval water quality data, and Q-L Rating Curve was used to evaluate the water quality and pollutant load in the watershed, also. As a result of study, water quality and pollutant load in Gapyeongcheon watershed were met with water quality standard and allocated load in the all flow durations. Web-based Load Duration Curve system could be applied to the appraisal of South Korean TMDL because it can be used to judge the impaired flow duration and build up the plan of load reduction, and it could enhance the publicity. But, web-based Load Duration Curve system should be enhanced through addition of load assessment tools such as Q-L rating curve to evaluate water quality and pollutant load objectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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