Two-Way Calibration-Validation of SWAT Model for a Small Prairie Watershed with Short Observed Record

Abstract

The Soil Water Assessment Tool (SWAT) model was calibrated for a small watershed with extensive irrigation, low runoff, and a short (2004-2007) period of record in the semi-arid region of the Canadian prairies. The watershed is located on a segment of a river. The net flow between the upstream (inlet) and downstream (outlet) locations of the reach comprises only a fraction of the streamflow at the outlet. This type of watershed is rarely investigated and generally different from the pear shaped single outlet watersheds presented in SWAT literature. The objectives of this study were to determine if SWAT could be calibrated and validated on this unique watershed using one- and two-way calibration-validation methods, and to determine the effect of a variable climatic record on calibrated and validated parameters. To study the effect of a variable climatic record on the calibrated parameters for this watershed a two-way calibration verification scheme that involved two scenarios was used. Scenario 1 involved calibration using 2004 (average precipitation) and 2005 (above average precipitation) and validation on 2006 and 2007 (both below average precipitation). For scenario 2, the calibration and validation periods were reversed. A third scenario utilized the period of 20042006 for calibration and reserved the 2007 data for validation. The objective criteria used to evaluate model performance included decomposition of the Root Mean Square Error (RMSE) into systematic and unsystematic error, the Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (EF) and the coefficient of determination (R2) as model best fit objective functions. The calibration results were satisfactory for scenarios 1 and 3. The calibration of scenario 2 and the validation results for all three scenarios were unsatisfactory. The objective criteria calculated separately for each year in the calibration records showed the calibration results were satisfactory for 2005 only, which is the only wet year in the observed record with above average precipitation. Thus, calibrated parameters were mainly influenced by the 2005 wet season. Therefore, SWAT model calibration on a mixed record of wet and dry conditions will reflect the hydrological processes dominant during wet conditions rather than those observed during dry ones. Although we conclude that the SWAT model could not be successfully validated on this unique watershed, a longer record may result in successful calibration and validation.

Le modle Soil and Water Assessment Tool (SWAT) (outil d'valuation de l'eau et du sol) a t talonn pour un petit bassin hydrographique caractris par une irrigation grande chelle, un faible ruissellement et une courte priode d'enregistrements (de 2004 2007) dans la rgion semi-aride des Prairies canadiennes. Le bassin est situ sur un segment d'une rivire. L'coulement net entre l'amont (entre d'eau) et l'aval (sortie d'eau) du tronon reprsente seulement une fraction de l'coulement fluvial l'exutoire. Ce type de bassin hydrographique fait rarement l'objet d'tudes et diffre en gnral des bassins exutoire unique en forme de poire dont fait tat la documentation SWAT. Les objectifs de la prsente tude consistaient d'une part dterminer si le modle SWAT pouvait tre talonn et valid pour ce bassin hydrographique unique l'aide de mthodes d'talonnage et de validation unilatrales et bilatrales et, d'autre part, dterminer l'effet de l'enregistrement de la variabilit climatique sur les paramtres talonns et valids. Pour tudier l'effet d'un enregistrement de variables climatiques sur les paramtres talonns pour ce bassin hydrographique, un plan d'talonnage et de vrification bilatral qui impliquait deux scnarios a t utilis. Le scnario 1 prvoyait l'talonnage des donnes de prcipitations moyennes de 2004 et de prcipitations suprieures la moyenne de 2005 et la validation des donnes de prcipitations infrieures la moyenne de 2006 et de 2007. Dans le cas du scnario 2, les priodes d'talonnage et de validation ont t inverses. Un troisime scnario consistait utiliser la priode de 2004 2006 pour l'talonnage et rserver les donnes de 2007 des fins de validation. Les critres objectifs qui ont servi valuer le rendement du modle englobaient la dcomposition de l'cart-type en une erreur systmatique et en une erreur non-systmatique, le coefficient d'efficience de Nash et Sutcliffe (CE) et le coefficient de dtermination (R2), car le modle correspond le mieux aux fonctions objectives. Les rsultats de l'talonnage ont t satisfaisants dans le cas des scnarios 1 et 3. L'talonnage du scnario 2 et les rsultats de la validation pour l'ensemble des trois scnarios ont t jugs insatisfaisants. Les critres objectifs calculs sparment pour chaque anne dans les enregistrements d'talonnage ont rvl que les rsultats de l'talonnage se sont avrs satisfaisants pour 2005 uniquement, la seule anne humide de l'enregistrement au cours de laquelle des prcipitations suprieures la moyenne avaient t observes. Donc, la saison humide de 2005 est le principal facteur ayant influ sur les paramtres talonns. Par consquent, l'talonnage du modle SWAT en fonction d'un enregistrement mixte de conditions humides et sches refltera les processus hydrologiques dominants pendant les priodes humides plutt que ceux observs pendant les priodes sches. Bien que nous en arrivions la conclusion que le modle SWAT n'a pas pu tre valid avec succs dans le cas de ce bassin hydrographique unique, il se pourrait qu'un enregistrement plus long se traduise par un talonnage et une validation couronns de succs.

Acknowledgements

This study was made possible by funding from the Watershed Evaluation of Beneficial Management Practices program (WEBs) of Agriculture and Agri-Food Canada. We thank the Alberta Agriculture and Rural Development for providing the stream flow data and Dwayne Rogness of the County of Lethbridge for collecting the land use information from the producers in the watershed.