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A hydropedological approach to simulate streamflow and soil water contents with SWAT+
Hydrological Processes ( IF 2.8 ) Pub Date : 2021-05-14 , DOI: 10.1002/hyp.14242 Johan Tol 1 , Katrin Bieger 2 , Jeffrey G. Arnold 3
Hydrological Processes ( IF 2.8 ) Pub Date : 2021-05-14 , DOI: 10.1002/hyp.14242 Johan Tol 1 , Katrin Bieger 2 , Jeffrey G. Arnold 3
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Reflecting internal catchment hydrological processes in hydrological models is important for accurate predictions of the impact of climate and land-use change on water resources. Characterizing these processes is however difficult and expensive due to their dynamic nature and spatio-temporal variability. Hydropedology is a relatively new discipline focusing on the synergistic integration of hydrology, soil physics and pedology. Hydropedological interpretations of soils and soil distribution can be used to characterize key hydrological processes, especially in areas with no or limited hydrometric measurements. Here we applied a hydropedological approach to reflect flowpaths through detailed routing in SWAT+ for a 157 ha catchment (Weatherley) in South Africa. We compared the hydropedological approach and a standard (no routing) approach against measured streamflow (two weirs) and soil water contents (13 locations). The catchment was treated as ‘ungauged’ and the model was not calibrated against hydrometric measurements in order to determine the direct contribution of hydropedology on modelling efficiency. Streamflow was predicted well without calibration (NSE > 0.8; R2 > 0.82) for both approaches at both weirs. The standard approach yielded slightly better streamflow predictions. The hydropedological approach resulted in considerable improvements in the simulation of soil water contents (R2 increased from 0.40 to 0.49 and PBIAS decreased from 40% to 20%). The routing capacity of SWAT+ as employed in the hydropedological approach reduced the underestimation of wetland water regimes drastically and resulted in a more accurate representation of the dominant hydrological processes in this catchment. We concluded that hydropedology can be a valuable source of ‘soft data’ to reflect internal catchment structure and processes and, potentially, for realistic calibrations in other studies, especially those conducted in areas with limited hydrometric measurements.
中文翻译：
使用 SWAT+ 模拟水流和土壤含水量的水土学方法
在水文模型中反映内部流域水文过程对于准确预测气候和土地利用变化对水资源的影响非常重要。然而，由于它们的动态特性和时空可变性，表征这些过程既困难又昂贵。水文土壤学是一门相对较新的学科，侧重于水文学、土壤物理学和土壤学的协同整合。土壤和土壤分布的水文解释可用于表征关键的水文过程，特别是在没有或有限水文测量的地区。在这里，我们应用了一种水文方法，通过 SWAT+ 中的详细路线来反映南非 157 公顷集水区（Weatherley）的水流路径。我们将水文方法和标准（无路由）方法与测量的流量（两个堰）和土壤含水量（13 个位置）进行了比较。集水区被视为“未测量”，并且该模型未针对水文测量值进行校准，以确定水文地质学对建模效率的直接贡献。无需校准即可很好地预测水流（NSE > 0.8；R 2 > 0.82) 对于两个堰的两种方法。标准方法产生了稍微更好的流量预测。水文方法大大改进了土壤含水量的模拟 ( R 2从 0.40 增加到 0.49，PBIAS 从 40% 减少到 20%）。在水文方法中采用的 SWAT+ 的演算能力大大减少了对湿地水情的低估，并导致更准确地表示该流域中的主要水文过程。我们得出的结论是，水文地质学可以成为反映内部流域结构和过程的“软数据”的宝贵来源，并有可能用于其他研究中的实际校准，尤其是那些在水文测量有限的地区进行的研究。
更新日期：2021-06-08
中文翻译：
使用 SWAT+ 模拟水流和土壤含水量的水土学方法
在水文模型中反映内部流域水文过程对于准确预测气候和土地利用变化对水资源的影响非常重要。然而，由于它们的动态特性和时空可变性，表征这些过程既困难又昂贵。水文土壤学是一门相对较新的学科，侧重于水文学、土壤物理学和土壤学的协同整合。土壤和土壤分布的水文解释可用于表征关键的水文过程，特别是在没有或有限水文测量的地区。在这里，我们应用了一种水文方法，通过 SWAT+ 中的详细路线来反映南非 157 公顷集水区（Weatherley）的水流路径。我们将水文方法和标准（无路由）方法与测量的流量（两个堰）和土壤含水量（13 个位置）进行了比较。集水区被视为“未测量”，并且该模型未针对水文测量值进行校准，以确定水文地质学对建模效率的直接贡献。无需校准即可很好地预测水流（NSE > 0.8；R 2 > 0.82) 对于两个堰的两种方法。标准方法产生了稍微更好的流量预测。水文方法大大改进了土壤含水量的模拟 ( R 2从 0.40 增加到 0.49，PBIAS 从 40% 减少到 20%）。在水文方法中采用的 SWAT+ 的演算能力大大减少了对湿地水情的低估，并导致更准确地表示该流域中的主要水文过程。我们得出的结论是，水文地质学可以成为反映内部流域结构和过程的“软数据”的宝贵来源，并有可能用于其他研究中的实际校准，尤其是那些在水文测量有限的地区进行的研究。
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