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LBNL- XXXXE 
RESOURCES FOR OUTDOOR WATER USE 
DETERMINATION 
Moya Melody, Hannah Stratton, Alison Williams, and Camilla Dunham Whitehead 
Environmental Energy Technologies Division  
Lawrence Berkeley National Laboratory 
1 Cyclotron Road 
Berkeley, CA  94720 
May 1, 2014 
This work was supported by the U.S. Environmental Protection Agency, Climate Protection Partnerships Division, 
Office of Air and Radiation, under U.S. Department of Energy Contract No. DE-AC02-05CH11231. 
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TABLE OF CONTENTS 
ii 
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1.
LANDSCAPES ..............................................................................................................1
1.1
Evapotranspiration .........................................................................................................1
1.1.1
Estimation of Evapotranspiration across the Conterminous United 
States Using a Regression with Climate and Land-Cover Data ................. 1
1.1.2
Reference Evapotranspiration Zones .......................................................... 2
1.1.3
Model Water Efficient Landscape Ordinance: Appendix A ....................... 2
1.1.4
Draft Weather-Based Irrigation Controller Technical and Market 
Research Report .......................................................................................... 2
1.1.5
Standardized Reference Evapotranspiration: A New Procedure for 
Estimating Reference Evapotranspiration in Arizona................................. 3
1.1.6
ASCE Standardized Reference Evapotranspiration Equation .................... 3
1.1.7
Basics of Evaporation and Evapotranspiration ........................................... 4
1.2
Estimates of Landscape Water Use—National and Regional ........................................4
1.2.1
The USGS Water Science School: Irrigation Water Use ............................ 4
1.2.2
Status and Trends of Land Change in the Western United States 
1973–2000................................................................................................... 5
1.2.3
Analysis of Water Use in New Single Family Homes: Final Report ......... 5
1.2.4
California Single-Family Water Use Efficiency Study .............................. 6
1.2.5
California Embedded Energy in Water Studies: Study 3—End-Use 
Water Demand Profiles ............................................................................... 6
1.2.6
East Cherry Creek Valley Water and Sanitation District: Irrigation 
Demand Study ............................................................................................. 7
1.2.7
1999 Residential End Uses of Water Study (REUWS) .............................. 7
1.2.8
Urban Water Use in California ................................................................... 8
1.2.9
Residential Irrigation Uniformity and Efficiency in Florida ...................... 8
1.3
Water Needs of Individual Landscapes .........................................................................9
1.3.1
Home Water Works website ....................................................................... 9
1.3.2
Revised Draft Water-Efficient Single-Family New Home 
Specification: Water Budget Tool, Version 1.01 ........................................ 9
1.3.3
Residential Benchmarks for Minimal Landscape Water Use ..................... 9
1.3.4
Water Budget Workbook, Beta Version 1.01 Calculator ......................... 10
1.3.5
WaterSense Water Budget Approach, Version 1.0 ................................... 10
1.3.6
Quantifying Effective Rain in Landscape Irrigation Water 
Management .............................................................................................. 10
1.3.7
Turfgrass Irrigation Requirements Simulation in Florida ......................... 11
1.3.8
Landscape Irrigation Scheduling and Water Management: Draft ............ 11
1.3.9
A Guide to Estimating Irrigation Water Needs of Landscape 
Plantings in California: the Landscape Coefficient Method and 
WUCOLS III ............................................................................................. 12
1.3.10
Appendix E in Urban Water Use in California ......................................... 12
1.3.11
CIMIS GOES Dish and Receiver Installation .......................................... 12
1.3.12
City of San Diego Landscape Watering Calculator .................................. 13
1.3.13
Irrigation Association Tools and Calculators ........................................... 13
1.3.14
Irrigation Tutorials .................................................................................... 13
1.3.15
Landscape Water Budget Worksheets ...................................................... 13
iii 
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1.3.16
The Pacific Northwest Landscape Network ............................................. 14
1.3.17
Run Time Scheduler and Irrigation Water Budgets .................................. 14
1.3.18
Saving Water Partnership ......................................................................... 14
1.3.19
Texas ET Network .................................................................................... 15
1.3.20
Watering Index and Calculator ................................................................. 15
1.3.21
WATERIGHT website.............................................................................. 15
1.4
Landscaping Water Use Ordinances, Programs, and Guidelines ................................16
1.4.1
WaterSense Final Specification for Single-Family New Homes, 
Version 1.1 ................................................................................................ 16
1.4.2
WaterSense at Work: Best Management Practices for Commercial 
and Institutional Facilities: Chapter 5, Outdoor Water Use ...................... 16
1.4.3
Status of Adoption of Water Efficient Landscape Ordinances 
Pursuant to California AB 1881, Section 65597 ....................................... 17
1.4.4
LEED for Homes Rating System .............................................................. 17
1.4.5
Research Report on Turfgrass Allowance ................................................ 18
1.4.6
Model Water Efficient Landscape Ordinance ........................................... 18
1.4.7
The California Water Smart Irrigation Controller Project—Results 
and Perspective on a Large Field Study of an Important Emerging 
Technology ............................................................................................... 19
1.4.8
Index of Model Water-Efficient Landscape Ordinance Documents ......... 19
1.4.9
Landscape Sizing in Santa Ana Heights—A Model to Efficiently 
Size Landscape Area for any Community ................................................ 20
1.4.10
Water Right—Conserving our Water– Preserving our Environment ....... 20
1.4.11
BMP Category: Programmatic Landscape ................................................ 20
1.4.12
The Pacific Northwest Landscape Network ............................................. 21
2
IRRIGATION DEVICES ............................................................................................21
2.1
Controllers....................................................................................................................22
2.1.1
WaterSense-Labeled Irrigation Controllers .............................................. 22
2.1.2
Soil Moisture Sensor Technical and Market Research Report ................. 23
2.1.3
Efficient Irrigation: Services & Products .................................................. 23
2.1.4
Weather- and Soil Moisture-Based Landscape Irrigation 
Scheduling Devices: Technical Review Report—4th Edition .................. 23
2.1.5
WaterSense Specification for Weather-Based Irrigation 
Controllers, Version 1.0 ............................................................................ 24
2.1.6
Supplemental Guidance for WaterSense Certification and Labeling 
of Weather-Based Irrigation Controllers .................................................. 24
2.1.7
Draft Weather-Based Irrigation Controller Technical and Market 
Research Report ........................................................................................ 25
2.2
Satellite Technology ....................................................................................................25
2.2.1
ET Data Protocol....................................................................................... 25
2.2.2
Automating Landscape Sprinkler Control Using Weather Data 
Broadcast to Unlimited Properties ............................................................ 26
2.2.3
Water Conservation Using Satellite Technology for Irrigation 
Scheduling................................................................................................. 26
2.3
Controller Savings .......................................................................................................27
iv 
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2.3.1
Year 1 of Implementing Smart Irrigation Controllers in Orange 
County ....................................................................................................... 27
2.3.2
Validation of Landscape Irrigation Reduction with Soil Moisture 
Sensor Irrigation Controllers ..................................................................... 27
2.3.3
Soil Moisture Sensor Landscape Irrigation Controllers: A Review 
of Multi-Study Results and Future Implications ....................................... 28
2.3.4
Final MWDOC Smart Timer Rebate Program Evaluation ....................... 28
2.3.5
City of Petaluma Smart Yard Program Will Save 45 Million 
Gallons of Water ....................................................................................... 29
2.3.6
Low-Cost Outdoor Irrigation Optimization Using the Spray 
Smart
TM
Valve .......................................................................................... 30
2.3.7
Water Conservation Potential of Landscape Irrigation Smart 
Controllers................................................................................................. 30
2.3.8
Landscape Irrigation with Evapotranspiration Controllers in a 
Humid Climate .......................................................................................... 30
2.3.9
Irrigation Scheduling Performance by Evapotranspiration-Based 
Controllers................................................................................................. 31
2.3.10
Pilot Implementation of Smart Timers: Water Conservation, Urban 
Runoff Reduction, and Water Quality ...................................................... 32
2.3.11
Sensor-Based Automation of Irrigation on Bermudagrass during 
Dry Weather Conditions ........................................................................... 32
2.3.12
Improving Urban Irrigation Efficiency by Capitalizing on the 
Conservation Potential of Weather-Based “Smart” Controllers ............... 33
2.3.13
Landscape Irrigation with Evapotranspiration Controllers in a 
Humid Climate .......................................................................................... 33
2.3.14
Water Conservation Potential of Smart Irrigation Controllers on St. 
Augustinegrass .......................................................................................... 34
2.3.15
Evaluation of California Weather-Based “Smart” Irrigation 
Controller Programs .................................................................................. 34
2.3.16
Evaluation of Sensor-Based Residential Irrigation Water 
Application on Homes in Florida .............................................................. 35
2.3.17
Landscape Irrigation by Evapotranspiration-Based Irrigation 
Controllers under Dry Conditions in Southwest Florida .......................... 35
2.3.18
Irrigation by Evapotranspiration-Based Irrigation Controllers in 
Florida ....................................................................................................... 36
2.3.19
Effectiveness of Runoff-Reducing Weather-Based Irrigation 
Controllers (SmarTimers) ......................................................................... 36
2.3.20
Evaluation of Evapotranspiration-Based and Soil-Moisture-Based 
Irrigation Control in Turf .......................................................................... 37
2.3.21
Summary of Smart Controller Water Savings Studies: Literature 
Review of Water Savings Studies for Weather and Soil Moisture 
Based Landscape Irrigation Control Devices ........................................... 37
2.3.22
Pilot Implementation of Smart Timers: Water Conservation, Urban 
Runoff Reduction, and Water Quality ...................................................... 38
2.3.23
Sensor-Based Automation of Irrigation on Bermudagrass, During 
Wet Weather Conditions ........................................................................... 38
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2.3.24
Residential Water Savings Associated with Satellite-Based ET 
Irrigation Controllers ................................................................................ 38
2.3.25
Expanding Disk Rain Sensor Performance and Potential Irrigation 
Water Savings ........................................................................................... 39
2.3.26
Residential Irrigation Water Use in Central Florida ................................. 39
2.3.27
Evaluation of Evapotranspiration and Soil Moisture-based 
Irrigation Control on Turfgrass ................................................................. 40
2.3.28
Evaluation of Soil Moisture-Based and ET-Based Irrigation 
Control in Turf .......................................................................................... 40
2.3.29
Precise Irrigation Scheduling for Turfgrass Using a Subsurface 
Electromagnetic Soil Moisture Sensor...................................................... 41
2.3.30
LADWP Weather-Based Irrigation Controller Pilot Study: 
Executive Summary .................................................................................. 42
2.3.31
The Residential Runoff Reduction Study ................................................. 42
2.3.32
Evaluation of Weather-Sensing Landscape Irrigation Controllers, 
January through December 2003 .............................................................. 43
2.3.33
Santa Barbara County ET Controller Distribution and Installation 
Program Final Report ................................................................................ 44
2.3.34
Final Report—Evaluation of a Soil Moisture Sensor to Reduce 
Water and Nutrient Leaching in Turf ........................................................ 45
2.3.35
Residential Landscape Irrigation Study Using Aqua ET Controllers ....... 45
2.3.36
Water Efficient Irrigation Study: Final Report ......................................... 45
2.3.37
Report on Performance of ET-Based Irrigation Controller: 
Analysis of Operation of WeatherTRAK™ Controller in Field 
Conditions During 2002 ............................................................................ 46
2.3.38
Irvine Ranch Water District's Application of Signal Paging to ET 
Controllers for Medium-Size Commercial Landscapes ............................ 46
2.3.39
Performance Evaluation of WeatherTRAK
TM
Irrigation Controllers 
in Colorado................................................................................................ 47
2.3.40
Residential Weather-Based Irrigation Scheduling: Evidence from 
the Irvine “ET Controller” Study .............................................................. 47
2.3.41
Soil Moisture Sensors for Urban Landscape Irrigation: 
Effectiveness and Reliability .................................................................... 48
2.3.42
Demonstration of Potential for Residential Water Savings Using a 
Soil Moisture Controlled Irrigation Monitor: Project Completion 
Report ........................................................................................................ 48
2.3.43
Performance of Soil Moisture Sensors During Field Operations: 
Update ....................................................................................................... 49
2.3.44
Performance of Soil Moisture Sensors During Two Years of Field 
Operations ................................................................................................. 49
2.4
Evaluation and Testing ................................................................................................50
2.4.1
Innovative Conservation Program (ICP) .................................................. 50
2.4.2
Evaluation of Smart Irrigation Controllers: Year 2012 Results ................ 50
2.4.3
Long Term Expanding-Disk Rain Sensor Accuracy ................................ 51
2.4.4
Smart Water Application Technologies: 2012 Update ............................. 51
vi 
JPEG to PDF Converter | Convert JPEG to PDF, Convert PDF to JPEG
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PDF to WORD Converter | Convert PDF to Word, Convert Word to PDF
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2.4.5
Examination of SWAT Protocol Utilizing a Performance Analysis 
of Weather-Based Irrigation Controllers: Update with Extended 
Data ........................................................................................................... 52
2.4.6
Maximizing Effective Agronomics in Landscapes with Soil 
Moisture Sensors ....................................................................................... 52
2.4.7
Examination of SWAT Protocol Utilizing a Performance Analysis 
of Weather-Based Irrigation Controllers: Final Report ............................ 52
2.4.8
Irrigation Association Smart Water Application Technologies 
Scores & Water Conservation Potential ................................................... 53
2.4.9
Monitoring & Control of Smart Irrigation Systems .................................. 53
2.4.10
How to Design, Implement, and Evaluate a Smart Controller 
System ....................................................................................................... 54
2.4.11
The Irrigation Association Smart Water Application Technologies 
(SWAT)..................................................................................................... 54
2.5
Shipments .....................................................................................................................54
2.5.1
Irrigation Controller Manufacturer Annual Reporting 2013 .......................................54
2.6
Marketing and Market Penetration ..............................................................................55
2.6.1
Soil Moisture Sensor Technical and Market Research Report ................. 55
2.6.2
Water Use Efficiency and Market Transformation: Smart Irrigation 
Timer Case Study ...................................................................................... 55
2.6.3
2006 Residential Water Conservation Benchmarking Survey and 
Attribution/Consumption Analysis: Final Report ..................................... 56
2.6.4
Statewide Market Survey: Landscape Water Use Efficiency ................... 57
2.6.5
Draft Weather-Based Irrigation Controller Technical and Market 
Research Report ........................................................................................ 57
2.6.6
Water Conservation Market Penetration Study ........................................ 57
2.6.7
SmartWater Forum/SWAT survey ........................................................... 58
2.7
Lifetime, Payback Period, and Cost-Effectiveness ......................................................58
2.7.1
Soil Moisture Sensor Technical and Market Research Report ................. 59
2.7.2
Soil Moisture Sensor Landscape Irrigation Controllers: A Review 
of Multi-Study Results and Future Implications ....................................... 59
2.7.3
Final MWDOC Smart Timer Rebate Program Evaluation ....................... 59
2.7.4
Evaluation of California Weather-Based “Smart” Irrigation 
Controller Programs .................................................................................. 60
2.7.5
Expanding Disk Rain Sensor Performance and Potential Irrigation 
Water Savings ........................................................................................... 61
2.7.6
Draft Weather-Based Irrigation Controller Technical and Market 
Research Report ........................................................................................ 61
2.7.7
Los Angeles Department of Water and Power (LADWP) Weather-
Based Irrigation Controller Pilot Study: Executive Summary .................. 61
3
ANALYTICAL AND MODELING EFFORTS ..........................................................62
3.2.1
Chapter 5, Research Methods, and Chapter 9, Models of Water 
Use, Outdoor Models ................................................................................ 63
3.2.2
National Water Savings Models for (1) Residential and (2) 
Commercial and Institutional Sectors ....................................................... 64
3.2.3
Appendix G, Water Savings Simulation Program .................................... 64
vii 
viii 
RESOURCES
FOR
OUTDOOR 
WATER
USE
DETERMINATION
In support of efforts by the U.S. Environmental Agency's (EPA's) WaterSense program to 
develop a spreadsheet model for calculating the national water and financial savings attributable 
to WaterSense certification and labeling of weather-based irrigation controllers, Lawrence 
Berkeley National Laboratory reviewed reports, technical data, and other information related to 
outdoor water use and irrigation controllers. In this document we categorize and describe the 
reviewed references, highlighting pertinent data. We relied on these references when developing 
model parameters and calculating controller savings.  
We grouped resources into three major categories: landscapes (section 1); irrigation 
devices (section 2); and analytical and modeling efforts (section 3). Each category is subdivided 
further as described in its section. References are listed in order of date of publication, most 
recent first. 
1.  LANDSCAPES 
This category contains references that pertain to the range of landscapes in the United States and 
to the range of landscape requirements for water. The category encompasses: 
1.  evapotranspiration; 
2.  estimates of landscape water use (national, regional, or per home/business); 
3.  calculating water use of individual landscapes (e.g., water budgets); and 
4.  landscaping water use ordinances, programs, or guidelines. 
References in each of the four categories are described below. 
1.1 Evapotranspiration 
This section presents resources related to measuring or calculating evapotranspiration (ET) based 
on climatic and landscape characteristics or zones.  
1.1.1  Estimation of Evapotranspiration across the Conterminous United States 
Using a Regression with Climate and Land-Cover Data 
By W.E. Sanford and D.L. Selnick. 
Journal of the American Water Resources Association, Vol. 49, No. 1, 13 
pages with maps. 
February 2013.  
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jawr.12010/pdf 
This study used a water-balance method and a climate and land-cover regression equation to 
estimate evapotranspiration (ET) across the conterminous United States. To develop long-term 
1
estimates of ET, the authors compiled precipitation (P) and stream flow records from 1971 to 
2000 for 838 watersheds. The regression equation relates the ratio ET⁄P to climate and land
-
cover variables within the watersheds. The authors found that ET can be predicted well at a 
watershed or county scale based on climate variables alone; land-cover data improve the 
predictions.  
Applying the climate and land-cover data at a scale of 800 m, then averaging to a county 
scale, the authors created maps showing estimated ET and 
ET⁄P for the conterminous United 
States. Maps include mean annual precipitation; mean annual daily and diurnal range in air 
temperatures; fraction of land classified as agricultural, forest, grassland, or shrubland; estimated 
percent of precipitation lost to ET during 1971–2000; and estimated mean actual annual 
evapotranspiration in centimeters for 1971–2000. 
1.1.2  Reference Evapotranspiration Zones 
By California Department of Water Resources (DWR), California Irrigation 
Management Information System (CIMIS). 
Map prepared by D.W. Jones, 1999, and developed as a cooperative project 
between the Department of Land, Air and Water Resources, UC Davis, and 
the Office of Water Use Efficiency, California DWR. 4 pages. 
January 2010.  
http://wwwcimis.water.ca.gov/cimis/pdf/CimisRefEvapZones.pdf 
This publication’s map and table shows the reference evapotranspiration zones in California. The 
zones are numbered according to land type (e.g., zone 1 = coastal plains, heavy fog belt). 
1.1.3  Model Water Efficient Landscape Ordinance: Appendix A 
California Code of Regulations, Title 23, Waters, Division 2. 
DWR, Chapter 2.7, Appendix A. 8 pages. 
September 2009.  
http://www.water.ca.gov/wateruseefficiency/docs/MWELO09-10-09.pdf 
California's statewide ordinance for major landscape installations provides monthly and annual 
values of ETo for every county and major city in California. ETo is the evapotranspiration rate 
from a reference surface or reference crop. The reference surface is a hypothetical grass crop 
having specific characteristics.  
1.1.4  Draft Weather-Based Irrigation Controller Technical and Market Research 
Report 
By Eastern Research Group, Inc. (ERG) for the U.S. EPA Municipal Support 
Division Office of Wastewater Management under Contract No. GS-10F-
125P, Work Assignment BPA-05-02/TO 8. 75 pages. 
May 2007.  
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