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This report was prepared for the NSW Environment Protection Authority by:
R.A. Letcher, A.J. Jakeman and W.S. Merritt (Integrated Assessment and
Management Centre, Australian National University, Canberra)
L.J. McKee and B.D. Eyre (Centre for Coastal Management, Southern Cross
University, Lismore) – Chapter 2
and B. Baginska (NSW EPA)
Preparation was supported by the National Pollutant Inventory Project funded by
Environment Australia. The report was reviewed by Steven Linforth (Sinclair Knight
Merz, Sydney), and Tim Pritchard, Daniel Large and Geoff Coade (NSW EPA).
For technical information about this report, contact Water Science Section, Environment
Protection Authority, phone (02) 9995 5000.
Published by:
Environment Protection Authority
59–61 Goulburn Street, Sydney
PO Box A290
Sydney South NSW 1232
Phone: (02) 9995 5000 (switch)
Phone: 131 555 (info & publications)
Fax: (02) 9995 5999
ISBN 0 7313 2709 8
EPA 99/73
October 1999
Printed on recycled paper
PREFACE
This Technical Report was commissioned by the NSW Environment Protection
Authority as part of its National Pollutant Inventory (NPI) Program funded by
Environment Australia. The NPI is a database designed to provide the community,
industry and government with information on the types and quantities of pollutants
emitted to air, land and water environments.
This Report—Review of Techniques to Estimate Catchment Exports—focuses on the
estimation of nutrient emissions from diffuse sources to waters. It consolidates a
contemporary understanding of generic catchment water quality models and estimation
techniques. A comprehensive listing of methods and estimation techniques is provided
together with information to identify their relative merits. The aim of this review was to
identify ‘best practices’ approaches for NPI assessments of aggregated catchment
emissions to water but it is anticipated that it will also be relevant to a much broader
audience.
This page has been left blank intentionally
i
TABLE OF CONTENTS
PREFACE
EXECUTIVE SUMMARY
LIST OF FIGURES
LIST OF TABLES
1
INTRODUCTION................................................................................................ 1
1.1
Sedimentary processes............................................................................... . 1
1.2
Nutrients...................................................................................................... 3
1.3
Sediment and nutrient load estimation techniques...................................... . 5
1.4
Erosion and sediment/nutrient transport modelling......................................6
1.5
Nutrient generation rates............................................................................. . 6
2
LOAD ESTIMATION TECHNIQUES................................................................... . 7
2.1
Load estimation using field data.................................................................. . 7
2.1.1
Methods............................................................................................... 8
2.1.1.1
Averaging..................................................................................... 8
2.1.1.2
Ratio estimators............................................................................ . 11
2.1.1.3
Regression estimators.................................................................. . 13
2.1.1.4
Discussion.................................................................................... 14
2.1.2
Results................................................................................................. 15
2.1.2.1
Test data set................................................................................. . 15
2.1.2.2
Averaging methods....................................................................... . 18
2.1.2.3
Arithmetic mean............................................................................ . 19
2.1.2.4
Interval concentration and discharge............................................ . 19
2.1.2.5
Flow-weighted mean concentration.............................................. . 19
2.1.2.6
Regression................................................................................... 20
2.2
Empirical models......................................................................................... . 22
2.2.1
Methods............................................................................................... 22
2.2.1.1
Population density as a predictor of nutrient loads....................... . 22
2.2.1.2
Fertiliser addition as a predictor of nutrient export........................ . 23
2.2.1.3
Relationships between nutrients and suspended sediment..........25
2.2.1.4
Land use and sediment and nutrient exports................................ . 26
2.2.1.5
Sediment yield and nutrients found in catchment soils................. . 27
2.2.1.6
Multi-factor empirical modelling approach..................................... . 27
2.2.1.7
Turbidity as a predictor of nutrient and sediment exports............. . 28
2.2.1.8
Sediment yield as a function of catchment area and slope...........30
2.2.2
Results................................................................................................. 30
2.3
Discussion................................................................................................... 32
2.3.1
Performance of the tested methods..................................................... . 32
2.3.2
Choosing the right method................................................................... . 34
ii
2.3.2.1
Stratified or flow-weighted data..................................................... . 34
2.3.2.2
Routine data with spot sampling................................................... . 34
2.3.2.3
Routine data................................................................................. . 35
2.3.2.4
No data......................................................................................... . 35
3
EROSION AND SEDIMENT/NUTRIENT TRANSPORT MODELLING.............. . 39
3.1
Types of models.......................................................................................... . 39
3.1.1
Empirical/metric models....................................................................... . 40
3.1.2
Conceptual models.............................................................................. . 41
3.1.3
Physics-based models......................................................................... . 42
3.2
Specific erosion and sediment/nutrient models........................................... . 43
3.2.1
AEAM.................................................................................................. 43
3.2.2
AGNPS................................................................................................ 44
3.2.3
ANSWERS........................................................................................... 46
3.2.4
AQUALM.............................................................................................. 48
3.2.5
CMSS.................................................................................................. 49
3.2.6
CREAMS............................................................................................. 51
3.2.7
HSPF................................................................................................... 52
3.2.8
HYDRA................................................................................................ 54
3.2.9
IHACRES............................................................................................. 54
3.2.10 IQQM................................................................................................... . 54
3.2.11 LASCAM.............................................................................................. . 55
3.2.12 LISEM.................................................................................................. . 56
3.2.13 MIKE-11............................................................................................... . 57
3.2.14 PERFECT............................................................................................ 58
3.2.15 STARS and IHACRES......................................................................... . 60
3.2.16 THALES............................................................................................... . 62
3.2.17 USLE and modifications....................................................................... . 63
3.2.18 WEPP
................................................................................................. 65
4
IMPLEMENTATION OF MODELLING APPROACHES..................................... . 69
4.1
Calibration acceptance criteria.................................................................... . 69
4.1.1
Mean and standard deviation............................................................... . 70
4.1.2
Coefficient of determination................................................................. . 70
4.1.3
Coefficient of efficiency........................................................................ . 70
4.1.4
Least squares criteria........................................................................... . 71
4.1.5
Absolute mean deviations.................................................................... . 71
4.1.6
Transformed deviations........................................................................ . 72
4.1.7
Model bias.......................................................................................... . 72
4.1.8
Serial correlation coefficient................................................................. . 73
4.1.9
Sign tests............................................................................................. . 73
4.1.10 Maximum range of the residual mass curve.........................................73
4.1.11 Residual mass curve coefficient...........................................................74
4.1.12 Average relative parameter error........................................................ . 74
4.1.13 Summary........................................................................................... . 74
iii
4.2
Predictive capacity...................................................................................... . 75
4.2.1
Model complexity and ease of use....................................................... . 75
4.2.2
Hardware requirements....................................................................... . 76
4.2.3
Accuracy and validity of model predictions........................................... . 77
4.2.4
Model assumptions.............................................................................. . 77
4.2.5
Topographic effects and spatial and temporal variability...................... . 78
4.2.6
Model components............................................................................... . 79
4.2.7
Objectives of the model user................................................................ . 80
4.2.8
Synthesis............................................................................................ 81
REFERENCES
APPENDIXES
APPENDIX I I NUTRIENT GENERATION RATES
I.1
NEXSYS
I.2
The CMSS Nutrient Generation Handbook
I.3
Recent literature on nutrient export rates
I.4 Nutrient generation rates—literature summaries
APPENDIX II I MODELLING GROUPS IN AUSTRALIA
II.1
Centre for Catchment and In-Stream Research
II.2
Centre for Integrated Resource Management (CIRM)
II.3
Centre for Resource and Environmental Studies (CRES)
II.4
Centre for Water Research (CWR)
II.5
CSIRO Land and Water
II.6
CRC Catchment Hydrology
II.7
Department of Land and Water Conservation, NSW
II.8
Griffith University and CSIRO Land and Water
II.9
Hydrotech Research Pty Ltd
II.10 Integrated Catchment Assessment and Management Centre (ICAM)
II.11 International Association on Water Quality (IAWQ)
II.12 Modelling and Simulation Society of Australia and New Zealand Inc.(MSSANZ)
II.13 Sinclair Knight Merz (SKM)
II.14 Unisearch Water Research Laboratory (UWRL)
II.15 University of Melbourne
II.16 WBM Oceanics
II.17 Waters and Rivers Commission, WA
iv
LIST OF FIGURES
Figure 1.1: Estimated nutrient budgets for Australia (CSIRO 1992)..................................4
Figure 2.1: Discharge, total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), suspended sediment
(SS), and turbidity data for a subcatchment of the Richmond River
catchment hereafter denoted the test catchment.........................................18
Figure 2.2: Regression analysis of the Richmond River ‘test’ data in log–log space......22
Figure 2.3: The relationships between the population density in a catchment and nutrient
export in rivers and streams..........................................................................24
Figure 2.4: The relationships between catchment fertiliser use and nutrient export in
rivers and streams........................................................................................25
Figure 2.5: The relationships between the export of nitrogen, phosphorus, and
suspended sediment exports in rivers..........................................................26
Figure 2.6: The relationships between turbidity, discharge, nitrogen, phosphorus and
suspended sediment concentration in the Richmond River test catchment31
Figure 2.7: A comparison of nutrient and sediment loads generated using a range of
methods for the Richmond River test catchment.........................................35
v
LIST OF TABLES
Table 2.1: Averaging techniques for the determination of annual riverine loads...........10
Table 2.2: Ratio estimators for the determination of annual riverine loads....................12
Table 2.3: Regression techniques for the determination of annual riverine loads.........14
Table 2.4: Comparison of the nutrient and sediment export in the test catchment for a
range of mathematical methods....................................................................18
Table 2.5: Nutrient generation rates (kg/ha/yr) used to estimate nutrient exports from
the Richmond River test catchment..............................................................26
Table 2.6: Regression relationships between catchment area, runoff, and sediment
yield for each topographic category (Milliman and Syvitski 1992).................30
Table 2.7: A comparison of estimated nutrient and suspended sediment exports in the
test catchment generated using empirical models and the real exports
calculated by linear interpolation...................................................................31
Table 2.8: Comparisons of modelled nutrient and sediment loads with loads generated
using field data collection and discharge......................................................38
Table 4.1: Erosion/Sediment Transport Models............................................................83
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