Published December 23, 2013
| Version v1
Publication
Open
Modelling stream flow and quantifying blue water using modified STREAM model in the Upper Pangani River Basin, Eastern Africa
Creators
- 1. Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology
- 2. IHE Delft Institute for Water Education
- 3. Water Resources Commission of Ghana
- 4. Agricultural Research Corporation
- 5. Delft University of Technology
Description
Abstract. Effective management of all water uses in a river basin requires spatially distributed information of evaporative water use and the link towards the river flows. Physically based spatially distributed models are often used to generate this kind of information. These models require enormous amounts of data, if not sufficient would result in equifinality. In addition, hydrological models often focus on natural processes and fail to account for water usage. This study presents a spatially distributed hydrological model that has been developed for a heterogeneous, highly utilized and data scarce river basin in Eastern Africa. Using an innovative approach, remote sensing derived evapotranspiration and soil moisture variables for three years were incorporated as input data in the model conceptualization of the STREAM model (Spatial Tools for River basin Environmental Analysis and Management). To cater for the extensive irrigation water application, an additional blue water component was incorporated in the STREAM model to quantify irrigation water use (ETb(I)). To enhance model parameter identification and calibration, three hydrological landscapes (wetlands, hill-slope and snowmelt) were identified using field data. The model was calibrated against discharge data from five gauging stations and showed considerably good performance especially in the simulation of low flows where the Nash–Sutcliffe Efficiency of the natural logarithm (Eln) of discharge were greater than 0.6 in both calibration and validation periods. At the outlet, the Eln coefficient was even higher (0.90). During low flows, ETb(I) consumed nearly 50% of the river flow in the river basin. ETb(I) model result was comparable to the field based net irrigation estimates with less than 20% difference. These results show the great potential of developing spatially distributed models that can account for supplementary water use. Such information is important for water resources planning and management in heavily utilized catchment areas. Model flexibility offers the opportunity for continuous model improvement when more data become available.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الخلاصة: تتطلب الإدارة الفعالة لجميع استخدامات المياه في حوض النهر معلومات موزعة مكانيًا عن استخدام المياه التبخيرية والارتباط بتدفقات النهر. غالبًا ما تستخدم النماذج الموزعة مكانيًا على أساس مادي لتوليد هذا النوع من المعلومات. تتطلب هذه النماذج كميات هائلة من البيانات، إن لم تكن كافية ستؤدي إلى المساواة. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تركز النماذج الهيدرولوجية على العمليات الطبيعية وتفشل في حساب استخدام المياه. تقدم هذه الدراسة نموذجًا هيدرولوجيًا موزعًا مكانيًا تم تطويره لحوض نهر غير متجانس وعالي الاستخدام ونادر البيانات في شرق إفريقيا. باستخدام نهج مبتكر، تم دمج متغيرات التبخر والنتح ورطوبة التربة المستمدة من الاستشعار عن بعد لمدة ثلاث سنوات كبيانات مدخلات في تصور النموذج لنموذج التيار (الأدوات المكانية للتحليل والإدارة البيئية لحوض النهر). لتلبية الاستخدام المكثف لمياه الري، تم دمج مكون إضافي للمياه الزرقاء في نموذج التيار لقياس استخدام مياه الري (ETb(I)). لتعزيز تحديد معلمات النموذج ومعايرتها، تم تحديد ثلاثة مناظر طبيعية هيدرولوجية (الأراضي الرطبة ومنحدرات التلال وذوبان الثلوج) باستخدام البيانات الميدانية. تمت معايرة النموذج مقابل بيانات التفريغ من خمس محطات قياس وأظهر أداءً جيدًا بشكل كبير خاصة في محاكاة التدفقات المنخفضة حيث كانت كفاءة ناش سوتكليف في اللوغاريتم الطبيعي (ELN) للتفريغ أكبر من 0.6 في كل من فترات المعايرة والتحقق من الصحة. في المخرج، كان معامل Eln أعلى (0.90). خلال التدفقات المنخفضة، استهلكETb (I) ما يقرب من 50 ٪ من تدفق النهر في حوض النهر. كانت نتيجة نموذج ETb (I) قابلة للمقارنة مع تقديرات الري الصافي الميدانية بفارق أقل من 20 ٪. تُظهر هذه النتائج الإمكانات الكبيرة لتطوير نماذج موزعة مكانيًا يمكن أن تفسر الاستخدام التكميلي للمياه. هذه المعلومات مهمة لتخطيط الموارد المائية وإدارتها في مناطق مستجمعات المياه المستخدمة بكثافة. توفر مرونة النموذج الفرصة للتحسين المستمر للنموذج عندما تتوفر المزيد من البيانات.Translated Description (French)
Résumé. Une gestion efficace de toutes les utilisations de l'eau dans un bassin hydrographique nécessite des informations réparties dans l'espace sur l'utilisation de l'eau par évaporation et le lien vers les débits de la rivière. Des modèles spatialement distribués basés sur la physique sont souvent utilisés pour générer ce type d'information. Ces modèles nécessitent d'énormes quantités de données, si elles ne sont pas suffisantes, elles aboutiraient à l'équifinalité. En outre, les modèles hydrologiques se concentrent souvent sur les processus naturels et ne tiennent pas compte de l'utilisation de l'eau. Cette étude présente un modèle hydrologique réparti dans l'espace qui a été développé pour un bassin fluvial hétérogène, très utilisé et pauvre en données en Afrique de l'Est. À l'aide d'une approche innovante, des variables d'évapotranspiration et d'humidité du sol dérivées de la télédétection pendant trois ans ont été incorporées comme données d'entrée dans la conceptualisation du modèle de RUISSEAU (outils spatiaux pour l'analyse et la gestion environnementales des bassins hydrographiques). Pour répondre à l'application étendue d'eau d'irrigation, une composante supplémentaire d'eau bleue a été incorporée dans le modèle de COURS d'eau pour quantifier l'utilisation de l'eau d'irrigation (ETb(I)). Pour améliorer l'identification et l'étalonnage des paramètres du modèle, trois paysages hydrologiques (zones humides, pentes des collines et fonte des neiges) ont été identifiés à l'aide de données de terrain. Le modèle a été étalonné par rapport aux données de décharge de cinq stations de jaugeage et a montré de très bonnes performances, en particulier dans la simulation de faibles débits où l'efficacité de Nash–Sutcliffe du logarithme naturel (Eln) de décharge était supérieure à 0,6 dans les deux périodes d'étalonnage et de validation. A la sortie, le coefficient Eln était encore plus élevé (0,90). Pendant les faibles débits, ETb(I) a consommé près de 50% du débit de la rivière dans le bassin fluvial. Le résultat du modèle ETb(I) était comparable aux estimations de l'irrigation nette sur le terrain avec moins de 20% de différence. Ces résultats montrent le grand potentiel de développement de modèles distribués spatialement qui peuvent rendre compte de l'utilisation supplémentaire de l'eau. Ces informations sont importantes pour la planification et la gestion des ressources en eau dans les bassins versants fortement utilisés. La flexibilité du modèle offre la possibilité d'une amélioration continue du modèle lorsque davantage de données sont disponibles.Translated Description (Spanish)
Resumen. La gestión eficaz de todos los usos del agua en una cuenca fluvial requiere información distribuida espacialmente del uso del agua por evaporación y el vínculo hacia los caudales fluviales. Los modelos distribuidos espacialmente con base física a menudo se utilizan para generar este tipo de información. Estos modelos requieren enormes cantidades de datos, si no son suficientes, darían como resultado la equifinalidad. Además, los modelos hidrológicos a menudo se centran en los procesos naturales y no tienen en cuenta el uso del agua. Este estudio presenta un modelo hidrológico distribuido espacialmente que se ha desarrollado para una cuenca fluvial heterogénea, altamente utilizada y con datos escasos en África Oriental. Utilizando un enfoque innovador, la evapotranspiración derivada de la teledetección y las variables de humedad del suelo durante tres años se incorporaron como datos de entrada en la conceptualización del modelo del modelo STREAM (Spatial Tools for River Basin Environmental Analysis and Management). Para atender la aplicación extensiva de agua de riego, se incorporó un componente adicional de agua azul en el modelo de ARROYO para cuantificar el uso de agua de riego (ETb (I)). Para mejorar la identificación y calibración de los parámetros del modelo, se identificaron tres paisajes hidrológicos (humedales, laderas y deshielo) utilizando datos de campo. El modelo se calibró contra los datos de descarga de cinco estaciones de calibración y mostró un rendimiento considerablemente bueno, especialmente en la simulación de flujos bajos, donde la eficiencia de Nash–Sutcliffe del logaritmo natural (Eln) de la descarga fue superior a 0,6 en los períodos de calibración y validación. En la salida, el coeficiente Eln fue aún mayor (0,90). Durante los caudales bajos, ETb(I) consumió casi el 50% del caudal del río en la cuenca hidrográfica. El resultado del modelo ETb (I) fue comparable a las estimaciones de riego neto basadas en el campo con menos del 20% de diferencia. Estos resultados muestran el gran potencial de desarrollar modelos distribuidos espacialmente que puedan dar cuenta del uso suplementario del agua. Dicha información es importante para la planificación y gestión de los recursos hídricos en zonas de captación muy utilizadas. La flexibilidad del modelo ofrece la oportunidad de mejorarlo continuamente cuando haya más datos disponibles.Files
hess-18-2287-2014.pdf.pdf
Files
(1.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:5b1b1bd806e1974d6e0cec6cbd77e969
|
1.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نمذجة تدفق التيار وقياس كمية المياه الزرقاء باستخدام نموذج التيار المعدل في حوض نهر بانجاني العلوي، شرق أفريقيا
- Translated title (French)
- Modélisation du débit des cours d'eau et quantification de l'eau bleue à l'aide d'UN modèle de COURS D'EAU modifié dans le bassin supérieur de la rivière Pangani, en Afrique de l'Est
- Translated title (Spanish)
- Modelar el flujo del arroyo y cuantificar el agua azul utilizando un modelo de ARROYO modificado en la cuenca alta del río Pangani, África oriental
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2098314970
- DOI
- 10.5194/hessd-10-15771-2013
References
- https://openalex.org/W1597481488
- https://openalex.org/W1660616715
- https://openalex.org/W1964267439
- https://openalex.org/W1966901701
- https://openalex.org/W1970017639
- https://openalex.org/W1973995336
- https://openalex.org/W1980173764
- https://openalex.org/W1980320347
- https://openalex.org/W1981218621
- https://openalex.org/W1984283042
- https://openalex.org/W2011095271
- https://openalex.org/W2018318189
- https://openalex.org/W2018933996
- https://openalex.org/W2033904036
- https://openalex.org/W2041307865
- https://openalex.org/W2061003790
- https://openalex.org/W2074983427
- https://openalex.org/W2075414534
- https://openalex.org/W2084744129
- https://openalex.org/W2088733802
- https://openalex.org/W2095965451
- https://openalex.org/W2099200204
- https://openalex.org/W2099357046
- https://openalex.org/W2104224464
- https://openalex.org/W2113827633
- https://openalex.org/W2116594166
- https://openalex.org/W2129983289
- https://openalex.org/W2131435516
- https://openalex.org/W2141895127
- https://openalex.org/W2142094982
- https://openalex.org/W2144240762
- https://openalex.org/W2147408478
- https://openalex.org/W2147611675
- https://openalex.org/W2147655187
- https://openalex.org/W2151009404
- https://openalex.org/W2163244228
- https://openalex.org/W2171074980