~ 1 : » m a d a m « . . . h u m w w fl i fi ‘ 1 . , . . b . 5 5 3 ' } A B E F M x m ‘ . d i v a ( I t . i n 1 » . . . . r \ u . 1 F t . . n o \ . . . . r . w v h z r . . . ¢ . r m w s u fi w . . A . . 3 r a w » ; . d e u u m h w . k n . u K . 1 . , 3 L E . . u w d r w m é 8 3 w : . ’ 3 $ 5 3 9 3 : . 6 . . ” v a n fi w u . V f ‘ ‘ . A R I — M y . h r “ ! $ 9 . & & ? 0 1 . 9 . 3 . v . 4 2 . . . « 1 + 5 : . 5 . . . 6 . . . " . W m m m m n m m ‘ 1 3 2 . } - fi e fi i } ) t / W A T E U 3 1 0 2 1 9 7 0 1 T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d A S S E S S I N G A G E O G R A P H I C I N F O R M A T I O N S Y S T E M A N D A N N - A G N P S W A T E R Q U A L I T Y M O D E L : A C A S E S T U D Y p r e s e n t e d b y S c o t t E . N e e d h a m h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r P h . D . . R e s o u r c e D e v e l o p m e n t d e g r e e i n ‘ 9 a ; M a j o r p r o f e s s o r D a t e A u g u s t 2 , 1 9 9 4 M S U L s a n A f fi r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n 0 - 1 2 7 7 1 L I B R A R Y M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y P L A C E I i R E T U R N B O X t o m n o v o t h i l m u m y w r n o o r d . T O A V O I D F I N E S M u m o n o r M o r e d a t a d u o . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E M S U t u m m m w o m m i m W 1 A S S E S S I N G A G E O G R A P H I C I N F O R M A T I O N S Y S T E M A N D A N N - A G N P S W A T E R Q U A L I T Y M O D E L : A C A S E S T U D Y B y S c o t t E . N e e d h a m A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f R e s o u r c e D e v e l o p m e n t 1 9 9 4 A B S T R A C T A S S E S S I N G A G E O G R A P H I C I N F O R M A T I O N S Y S T E M A N D A N N - A G N P S W A T E R Q U A L I T Y M O D E L : A C A S E S T U D Y B y S c o t t E . N e e d h a m G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s ( G I S ) a n d n o n p o i n t s o u r c e ( N P S ) w a t e r q u a l i t y s i m u l a t i o n m o d e l s h a v e b e e n i d e n t i fi e d a s i m p o r t a n t t o o l s f o r s u p p o r t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f a g r i c u l t u r a l r e s o u r c e c o n s e r v a t i o n a n d w a t e r q u a l i t y m a n a g e m e n t p l a n s . I t i s a n t i c i p a t e d t h a t b y i n t e g r a t i n g t h e s e t w o t e c h n o l o g i e s , c o n s e r v a t i o n p l a n n e r s w i l l o p e r a t e m o r e e f fi c i e n t l y t o w a r d s m i t i g a t i n g t h e i m p a c t s o f a g r i c u l t u r a l N P S w a t e r p o l l u t i o n . T h e b a s i c g o a l o f t h i s r e s e a r c h i s t o a s s e s s t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e i n t e g r a t e d G I S / s i m u l a t i o n m o d e l c o m p u t e r t e c h n o l o g y p r i o r t o i t s a d o p t i o n i n t o m a i n s t r e a m a g r i c u l t u r a l w a t e r q u a l i t y p l a n n i n g a n d m a n a g e m e n t . T h e r e s e a r c h i s d i v i d e d i n t o t w o s e p a r a t e a r e a s . E a c h a r e a a d d r e s s e s o n e h a l f o f t h e i d e n t i fi e d t e c h n o l o g y : 6 1 8 , a n d t h e d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r g r i d - b a s e d N P S p o l l u t i o n s i m u l a t i o n m o d e l A N N - A G N P S . T h e fi r s t h a l f o f t h e r e s e a r c h f o c u s e s o n t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e G I S t o g e n e r a t e i n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e A N N - A G N P S m o d e l f r o m i d e n t i fi e d a v a i l a b l e d i g i t a l d a t a s o u r c e s , a s c o m p a r e d t o t y p i e a l l y u s e d m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y m e t h o d s . T h e e a p a b i l i t i e s o f 6 1 8 p a r a m e t e r g e n e r a t i o n w e r e f u r t h e r t e s t e d b y a s s e s s i n g m o d e l o u t p u t r e s u l t s , i n c l u d i n g h y d r o l o g y , s u s p e n d e d s e d i m e n t a n d s o l u b l e n i t r o g e n , f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . T h i s r e s e a r c h s h o w e d t h a t t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s p r o d u c e d s i g n i fi e a n t l y d i f f e r e n t m o d e l i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s f o r 4 0 - a n d l O - a c r e g r i d c e l l s i z e s . D i v e r g e n c e b e t w e e n t h e t w o s e t s o f p a r a m e t e r v a l u e s w e r e a t t r i b u t e d t o t h e i n a p p r o p r i a t e r e s o l u t i o n o f d i g i t a l e l e v a t i o n d a t a a n d t h e l i m i t a t i o n o f G I S t e r r a i n a n a l y s i s i n a fl a t a g r i c u l t u r a l w a t e r s h e d . H o w e v e r , t h e m o d e l o u t p u t r e s u l t s u s i n g t h e t w o s e t s o f i n p u t p a r a m e t e r s w e r e s h o w n t o b e s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r . T h e A N N - A G N P S m o d e l i s l e s s s e n s i t i v e t o v a r i a b l e t o p o g r a p h i c - b a s e d p a r a m e t e r s t h a n s o i l - a n d fi e l d m a n a g e m e n t - b a s e d p a r a m e t e r s , w h i c h w e r e t h e s a m e f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . T h e s e c o n d h a l f o f t h e r e s e a r c h f o c u s e d o n t h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f t h e A N N - A G N P S w a t e r m o d e l . T h e r e s e a r c h g o a l w a s t o d e t e r m i n e t h e t y p e o f N P S p o l l u t i o n c o n t r i b u t i o n d e s c r i p t i o n t h e m o d e l i s b e s t c a p a b l e o f p r o v i d i n g : a q u a n t i t a t i v e e s t i m a t i o n o f N P S p o l l u t i o n l o a d i n g , a r a n k i n g o f s u b - w a t e r s h e d l o a d i n g , o r t h e i d e n t i fi c a t i o n o f l a n d s c o n t r i b u t i n g s i g n i fi c a n t a m o u n t s o f N P S p o l l u t a n t s . T h e r e s e a r c h w a t e r s h e d w a s d i v i d e d i n t o s u b - w a t e r s h e d s w i t h g a u g i n g a n d s a m p l i n g e q u i p m e n t i n s t a l l e d t o r e c o r d h y d r o l o g i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d s a m p l e s u s p e n d e d s e d i m e n t a n d s o l u b l e n i t r o g e n . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e m o d e l c a n n o t a c c u r a t e l y p r e d i c t q u a n t i t a t i v e c o n t r i b u t i o n s o f i d e n t i fi e d N P S p o l l u t a n t s f o r r a i n s t o r m s d u r i n g t h e 1 9 9 2 g r o w i n g s e a s o n i n w e s t e r n M i n n e s o t a . T h e m o d e l , h o w e v e r , i s e a p a b l e o f r a n k i n g t h e o r d e r o f h y d r o l o g i c , s e d i m e n t a n d n u t r i e n t c o n t r i b u t i o n , a s w e l l a s i d e n t i f y i n g t h o s e s u b - w a t e r s h e d s w h i c h g e n e r a t e d m o r e t h a n 2 5 % o f t o t a l w a t e r s h e d l o a d i n g . T o m y w i f e a n d e d i t o r J o h a n n a , a n d m y s o n M a t t h i a s i v A C K N O W L E D G E M E N T S T h i s d i s s e r t a t i o n w a s n o t p o s s i b l e w i t h o u t t h e s u p p o r t , c o o p e r a t i o n , u r g i n g , a n d u n d e r s t a n d i n g o f a h o s t o f p e o p l e . F i r s t a n d f o r e m o s t I m u s t t h a n k m y w i f e J o h a n n a . W i t h o u t h e r s u p p o r t a n d h e l p t h i s e n d e a v o r w o u l d n o t h a v e b e e n p o s s i b l e . N e x t I w i s h t o t h a n k m y m a j o r a d v i s o r T o m E d e n s . H e n e v e r g a v e u p o n m e , a l t h o u g h a t t i m e s I c a m e c l o s e . I t h a n k B o b Y o u n g a t U S D A ’ s A g r i c u l t u r a l R e s e a r c h S t a t i o n i n M o r r i s , M i n n e s o t a f o r t h e o p p o r t u n i t i e s h e p r o v i d e d m e t o e a r r y o u t t h i s r e s e a r c h . I a l s o t h a n k S t e v e G l o s s , d i r e c t o r o f t h e W y o m i n g W a t e r R e s o u r c e s C e n t e r , w h o a l l o w e d m e t o fi n i s h m y d i s s e r t a t i o n w h i l e w o r k i n g . T h e r e a r e , o f c o u r s e , m a n y o t h e r s w h o a i d e d m e d i r e c t l y o r i n d i r e c t l y i n m y r e s e a r c h . F i r s t I w o u l d l i k e t o t h a n k t h e r e m a i n i n g m e m b e r s o f m y c o m m i t t e e ; B a x t e r V i e u x , J o n B a r t h o l i c a n d S t u a r t G a g e . T h e i r i n p u t a n d p a t i e n c e w a s a p p r e c i a t e d . S e c o n d I w i s h t o t h a n k t h e t e c h n i c a l s t a f f a t t h e A R S l a b i n M o r r i s , i n c l u d i n g J i m E c k l a n d , A l a n W i l t s , J o h n W i t t e , M i k e K a h l e r a n d B a s i l M e y e r . F i n a l l y I w a n t t o t h a n k J e f f H a m e r l i n c k a n d C h r i s A r n e s o n a t t h e W y o m i n g W a t e r R e s o u r c e s C e n t e r ’ s G I S l a b f o r fi l l i n g i n w h e n I w a s b u s y . T A B L E O F C O N T E N T S P a g e L I S T O F T A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i L I S T O F F I G U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v C H A P T E R 1 : I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 P r o b l e m S e t t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 . 1 T h e S e v e r i t y o f N P S P o l l u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 . 2 N e w N P S P o l l u t i o n P o l i c y D i r e c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 . 1 . 3 T o o l s f o r N P S P o l l u t i o n A b a t e m e n t S t r a t e g i e s . . . . . . . . . 4 1 . 2 R e s e a r c h Q u e s t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 . 3 R e s e a r c h H y p o t h e s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 . 4 R e s e a r c h A p p r o a c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 . 5 T h e s i s O r g a n i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 C H A P T E R 2 : L I T E R A T U R E R E V I E W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 . 1 M o d e l i n g A g r i c u l t u r a l N P S P o l l u t a n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 . 1 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 . 1 . 2 D i s t r i b u t e d P a r a m e t e r M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 2 . 1 . 2 . 1 G r i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 2 . 1 . 2 . 2 P l a n e s / C h a n n e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 v 1 2 . 1 . 2 . 3 T r i a n g u l a r I r r e g u l a r N e t w o r k . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 . 1 . 2 . 4 H y d r o l o g i c R e s p o n s e U n i t . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 . 1 . 2 . 5 S u b - W a t e r s h e d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 . 1 . 2 . 6 C o n t o u r - b a s e d E l e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 . 1 . 3 H y d r o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 . 1 . 3 . 1 I n fi l t r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 A . E m p i r i c a l I n fi l t r a t i o n M o d e l s . . . . . . . . . . . 2 7 a . H o l t o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 b . S C S C u r v e N u m b e r ( C N ) M e t h o d . . . . 2 8 B . P h y s i c a l - b a s e d I n fi l t r a t i o n M o d e l s . . . . . . . . 2 9 a . G r e e n a n d A m p t . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 b . P h i l i p T w o T e r m . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 c . S m i t h a n d P a r l a n g e . . . . . . . . . . . . . . 3 3 C . P a r a m e t e r E s t i m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 2 . 1 . 3 . 2 S u r f a c e R u n o f f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 A . E m p i r i c a l F l o w M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 a . S C S C u r v e N u m b e r ( C N ) M e t h o d . . . . 3 7 b . R a t i o n a l F o r m u l a . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 c . G e o m o r p h i c P e a k E q u a t i o n . . . . . . . . . 3 9 B . P h y s i e a l - b a s e d F l o w M o d e l s . . . . . ‘ . . . . . . . . 4 0 a . K i n e m a t i c W a v e . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 b . D i f f u s i o n W a v e . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 v i i 2 . 1 . 4 S o i l E r o s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 A . E m p i r i c a l E r o s i o n M o d e l s . . . . . . . . . . . . . 4 4 a . U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n . . . . . . . 4 4 b . R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n . . 4 6 c . D e l i v e r y R a t i o s . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 d . N e g e v . . . . . . V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 B . P h y s i c a l - b a s e d E r o s i o n M o d e l s . . . . . . . . . . 5 9 a . C R E A M S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 b . A N S W E R S . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 c . A G N P S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 d . W E P P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 e . K I N E R O S . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 2 . 1 . 5 N u t r i e n t F a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8 2 . 1 . 5 . 1 D i s s o l v e d N u t r i e n t T r a n s p o r t . . . . . . . . . . . . . 7 0 A . E x t r a c t i o n C o e f fi c i e n t s . . . . . . . . . . . . . . . 7 0 B . K i n e t i c D e s o r p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 2 . 1 . 5 . 2 S e d i m e n t B o u n d N u t r i e n t T r a n s p o r t . . . . . . . . . 7 3 A . N u t r i e n t E n r i c h m e n t R a t i o . . . . . . . . . . . . . 7 4 B . E r o s i o n / S e d i m e n t T r a n s p o r t . . . . . . . . . . . . 7 5 2 . 2 G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d H y d r o l o g i c M o d e l i n g . . . . . . 7 6 2 . 2 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 2 . 2 . 2 H y d r o l o g i c A s s e s s m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8 v i i i 2 . 2 . 3 H y d r o l o g i c P a r a m e t e r D e t e r m i n a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . 8 0 2 . 2 . 4 L i n k i n g G I S a n d H y d r o l o g i c M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . 8 1 2 . 2 . 5 H y d r o l o g i c M o d e l i n g I n s i d e G I S . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 2 . 2 . 6 O b j e c t - O r i e n t e d l i n k a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 2 . 2 . 7 R e q u i r e d H y d r o l o g i c / N P S P a r a m e t e r D a t a . . . . . . . . . . . 8 4 2 . 2 . 7 . 1 S o i l s C o v e r a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4 2 . 2 . 7 . 2 T o p o g r a p h i c C o v e r a g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5 2 . 2 . 7 . 3 L a n d U s e / L a n d C o v e r C o v e r a g e s . . . . . . . . . . . 8 7 2 . 2 . 7 . 4 C h a n n e l c o v e r a g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 2 . 2 . 7 . 5 G r i d C e l l R e p r e s e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0 C H A P T E R 3 : W A T E R S H E D D E S C R I P T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 C H A P T E R 4 : R E S E A R C H M E T H O D S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 4 . 1 M o d e l P a r a m e t e r D a t a C o l l e c t i o n a n d G e n e r a t i o n . . . . . . . . . . . . 1 0 2 4 . 1 . 1 M a p I n t e r p r e t a t i o n a n d R e c o n n a i s s a n c e F i e l d S u r v e y i n g . . 1 0 2 4 . 1 . 2 G I S - I n t e r f a c e P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 4 . 2 O b s e r v a t i o n D a t a f o r M o d e l V e r i fi e a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7 4 . 2 . 1 S u b - w a t e r s h e d D e l i n e a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7 4 . 2 . 2 R e c o r d i n g E q u i p m e n t a n d C h a n n e l D i m e n s i o n s . . . . . . . 1 4 0 4 . 2 . 3 R a i n f a l l R e c o r d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 4 . 2 . 4 O v e r l a n d R u n o f f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 3 4 . 2 . 5 S e d i m e n t L o a d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 7 4 . 2 . 6 N u t r i e n t L o a d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 i x 4 . 3 T h e A N N - A G N P S M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 9 4 . 3 . 1 P l a n t G r o w t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 3 4 . 3 . 2 P e r c o l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 8 4 . 3 . 3 R e s i d u e D e c a y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 9 4 . 3 . 4 S o i l S u r f a c e R o u g h n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 4 . 3 . 5 S o i l A p p r o x i m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3 4 . 3 . 6 S o i l T e m p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 7 4 . 3 . 7 E v a p o t r a n s p i r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 9 4 . 3 . 8 N u t r i e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 4 . 3 . 9 C N M o d i fi c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 6 4 . 4 A n a l y t i c T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7 4 . 4 . 1 T e s t i n g H y p o t h e s i s 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 8 4 . 4 . 2 T e s t i n g H y p o t h e s i s 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 9 C H A P T E R 5 : R E S U L T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 1 5 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 1 5 . 2 H y p o t h e s i s 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 3 5 . 2 . 1 D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 8 5 . 2 . 1 . 1 C h a n n e l P a r a m e t e r G e n e r a t i o n . . . . . . . . . . . . 1 8 8 5 . 2 . 1 . 2 O v e r l a n d P a r a m e t e r G e n e r a t i o n . . . . . . . . . . . 1 9 1 5 . 2 . 1 . 3 O u t p u t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 5 . 3 H y p o t h e s i s 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 7 5 . 3 . 1 Q u a n t i t a t i v e D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 7 5 . 3 . 2 R a n k i n g D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 5 . 3 . 3 I d e n t i fi c a t i o n D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 5 . 3 . 4 D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 5 . 3 . 4 . 1 Q u a n t i t a t i v e D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 5 . 3 . 4 . 2 R a n k i n g D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 6 5 . 3 . 4 . 3 S e l e c t i o n D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 7 C H A P T E R 6 : C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 8 6 . 1 H y p o t h e s i s 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 9 6 . 1 . 1 I m p l i c a t i o n s o f H y p o t h e s i s 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 1 6 . 2 H y p o t h e s i s 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 6 . 2 . 1 I m p l i c a t i o n s o f H y p o t h e s i s 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3 6 . 3 F u t u r e R e s e a r c h N e e d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 5 A p p e n d i x A : M e y e r W a t e r s h e d S o i l M a p p i n g U n i t D a t a . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 8 A p p e n d i x B : 1 9 9 1 a n d 1 9 9 2 F i e l d M a n a g e m e n t D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 0 A p p e n d i x C : M o d e l I n p u t P a r a m t e r V a l u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 A p p e n d i x D : G a u g e S i t e C h a n n e l C r o s s S e c t i o n M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . 2 4 6 A p p e n d i x E : 1 9 9 2 G r o w i n g S e a s o n W e a t h e r R e c o r d s . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 0 B i b l i o g r a p h y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 7 x i T a b l e 2 . 1 2 . 2 3 . 1 3 . 2 4 . 1 4 . 2 4 . 3 4 . 4 4 . 5 4 . 6 4 . 7 4 . 8 4 . 9 4 . 1 0 4 . 1 1 4 . 1 2 4 . 1 3 L I S T O F T A B L E S P a g e N P S a n d H y d r o l o g i c M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 / 2 0 R U S L E C h a n g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 S o i l M a p p i n g U n i t s i n M e y e r W a t e r s h e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 6 C l i m a t e S u m m a r i e s f o r M o r r i s , M N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7 I n f o r m a t i o n S o u r c e s f o r A N N - A G N P S P a r a m e t e r s . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 S o i l s A c r e a g e D i f f e r e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 C o r p A c r e a g e D i f f e r e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4 P e r c e n t S l o p e A c r e a g e D i f f e r e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4 S u b - w a t e r s h e d A c r e a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 9 S t o r m E v e n t 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 S t o r m E v e n t 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 R u n o f f S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 3 R u n o f f S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 4 4 S e d i m e n t L o a d i n g S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 7 S e d i m e n t L o a d i n g S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 9 x i i 5 . 1 5 . 2 5 . 3 5 . 4 5 . 5 5 . 6 5 . 7 a 5 . 7 b 5 . 8 a 5 . 8 b 5 . 9 a 5 . 9 b ' 5 . 1 0 a 5 . 1 0 b 5 . 1 1 5 . 1 2 a 5 . 1 2 b 5 . 1 3 a 5 . 1 3 b 5 . 1 4 s 5 . 1 4 b 5 . 1 5 a 4 0 - A c r e G r i d C e l l . I n p u t P a r a m e t e r . T S t a t i s t i c . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 4 l O - A c r e G r i d C e l l . I n p u t P a r a m e t e r . T S t a t i s t i c . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 4 4 0 - A c r e G r i d C e l l . S t o r m 1 & 2 O u t p u t R e s u l t s . T S t a t i s t i c . . . . . . . 1 8 6 l O - A c r e G r i d C e l l . S t o r m 1 & 2 O u t p u t R e s u l t s . T S t a t i s t i c . . . . . . . 1 8 6 4 0 - A c r e G r i d C e l l G a u g e S i t e s . S t o r m 1 8 L 2 O u t p u t R e s u l t s T S t a t i s t i c 1 8 7 l O - A c r e G r i d C e l l G a u g e S i t e s . S t o r m 1 & 2 O u t p u t R e s u l t s T S t a t i s t i c 1 8 7 R u n o f f ( i n ) . S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 9 R u n o f f ( i n ) . S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 9 P e a k F l o w ( c f s ) . S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 P e a k F l o w ( c f s ) . S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 S e d i m e n t L o a d ( t o n s ) . S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 1 S e d i m e n t L o a d ( t o n s ) . S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 1 T o t a l - N i t r o g e n L o a d ( l b s ) . S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2 T o t a l - N i t r o g e n L o a d ( l b s ) . S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2 C o r r e l a t i o n S t a t i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 4 S e d i m e n t L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 S e d i m e n t L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 S e d i m e n t L o a d i n g C o n t r i b u t i o n I d e n t i fi e a t i o n . S t o r m 1 . . . . . . . . . . 2 0 7 S e d i m e n t L o a d i n g C o n t r i b u t i o n I d e n t i fi c a t i o n . S t o r m 2 . . . . . . . . . . 2 0 8 T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g C o n t r i b u t i o n I d e n t i fi c a t i o n . S t o r m 1 . . . . . . . 2 0 8 x i i i 5 . 1 5 b T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g C o n t r i b u t i o n I d e n t i fi c a t i o n . S t o r m 2 . . . . . . . 2 0 8 x i v 1 . 1 2 . 1 3 . 1 a 3 . 1 b 3 . 2 a 3 . 2 b 4 . 1 a 4 . 1 b 4 . 2 a 4 . 2 b 4 . 3 a 4 . 3 b 4 . 4 a 4 . 4 b 4 . 5 a 4 . 5 b 4 . 6 a L I S T O F F I G U R E S P a g e M e y e r W a t e r s h e d , S u b - W a t e r s h e d s a n d G a u g i n g S t a t i o n s . . . . . . . . . . 1 2 D i s t r i b u t e d P a r a m e t e r R e p r e s e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 P e r c e n t S l o p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 C o n c e n t r a t e d F l o w P a t h s a n d C o n t o u r E l e v a t i o n L i n e s . . . . . . . . . . . . 9 4 S o i l M a p p i n g U n i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8 1 9 9 2 C r o p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8 4 0 A c r e I n t e r p r e t e d W a t e r s h e d G r i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 4 1 0 A c r e I n t e r p r e t e d W a t e r s h e d G r i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 4 4 0 A c r e G r i d a n d S o i l M a p p i n g U n i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 1 0 A c r e G r i d a n d S o i l M a p p i n g U n i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 4 0 A c r e G r i d a n d A e r i a l P h o t o g r a p h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 9 1 0 A c r e G r i d a n d A e r i a l P h o t o g r a p h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 9 4 0 A c r e G r i d a n d T o p o g r a p h i c Q u a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0 1 0 A c r e G r i d a n d T o p o g r a p h i c Q u a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0 P e r c e n t S l o p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 C o n c e n t r a t e d F l o w P a t h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 S o i l M a p p i n g U n i t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6 4 . 6 b 4 . 7 a 4 . 7 b 4 . 8 4 . 9 4 . 1 0 4 . 1 1 4 . 1 2 4 . 1 3 4 . 1 4 4 . 1 5 4 . 1 6 4 . 1 7 4 . 1 8 4 . 1 9 a 4 . 1 9 b 4 . 2 0 4 . 2 1 4 . 2 2 4 . 2 3 5 . 1 a 5 . 1 b 1 9 9 2 C r o p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6 4 0 A c r e G I S - D e l i n e a t e d W a t e r s h e d G r i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 8 1 0 A c r e G I S - D e l i n e a t e d W a t e r s h e d G r i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 8 S o i l s M a p p i n g U n i t P a r a m e t e r I n p u t a n d E d i t S c r e e n . . . . . . . . . . . 1 1 9 F i e l d S e l e c t i o n a n d I d e n t i fi c a t i o n S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1 C o n s e r v a t i o n P r a c t i c e a n d C r o p S e l e c t i o n S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 T i l l a g e I m p l e m e n t S e l e c t i o n S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 4 C a l e n d a r D a t e s S e l e c t i o n S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 5 F e r t i l i z e r S e l e c t i o n S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 6 H a r v e s t Y i e l d S e l e c t i o n S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 O p e r a t i o n E d i t S e l e c t i o n S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 8 H i l l S l o p e D i s p l a y a n d E d i t S c r e e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 3 C h a n n e l D i s p l a y a n d E d i t S c r e e n . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 F l o w D i r e c t i o n I R e c e i v i n g C e l l D i s p l a y a n d E d i t S c r e e n . . . . . . . . . 1 3 6 I n t e r p r e t e d S u b - W a t e r s h e d D e l i n e a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8 D E M - b a s e d S u b - W a t e r s h e d D e l i n e a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8 S t o r m 1 H y d r o g r a p h s . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 5 S t o r m 2 H y d r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 6 O v e r l a n d G r i d C e l l R o u t i n e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1 C h a n n e l R o u t i n e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 4 0 - A c r e C h a n n e l C e l l s : I n t e r p r e t a t i o n M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5 4 0 - A c r e C h a n n e l C e l l s : 6 1 8 M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5 x v i 5 . 2 a 5 . 2 b 5 . 3 a 5 . 3 b 5 . 3 c 5 . 3 d l O - A c r e C h a n n e l C e l l s : I n t e r p r e t a t i o n M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 6 l O - A c r e C h a n n e l C e l l s : 6 1 8 M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 6 R u n o f f ( i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 P e a k F l o w ( c f s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 S e d i m e n t L o a d i n g ( t o n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g ( l b s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 x v i i C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N W W 1 . 1 . 1 T h e S e v e r i t y o f N P S P o l l u t i o n N o n p o i n t S o u r c e ( N P S ) w a t e r p o l l u t i o n h a s b e e n r e c o g n i z e d a s t h e m a j o r r e m a i n i n g o b s t a c l e i n o b t a i n i n g w a t e r q u a l i t y g o a l s e s p o u s e d i n t h e N a t i o n a l “ C l e a n W a t e r A c t “ ( C W A ) ( U S E P A , 1 9 8 8 ) . C o n s i d e r a b l e g o v e r n m e n t a l a n d p r i v a t e r e s o u r c e s h a v e b e e n i n v e s t e d i n r e d u c i n g p o i n t s o u r c e e f fl u e n c e . H o w e v e r , d e c r e a s e s i n p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n h a v e n o t s i g n i fi c a n t l y i m p r o v e d o v e r a l l n a t i o n a l w a t e r q u a l i t y . I n f a c t , t h e l a s t 2 0 y e a r s o f p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n a b a t e m e n t p r o g r a m s h a v e r e s u l t e d i n a n o v e r a l l m a i n t e n a n c e o f w a t e r q u a l i t y ( L a t t e n m a i e r e t a l . , 1 9 9 1 ; U S E P A , 1 9 8 8 ) . A c h i e v i n g t h e w a t e r q u a l i t y s t a n d a r d s d e fi n e d i n t h e C W A r e q u i r e s a c o m p r e h e n s i v e a n d c o o r d i n a t e d e f f o r t t o r e d u c e N P S p o l l u t a n t s , s i m i l a r t o t h a t e x p e n d e d o n p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n . O f a l l a c t i v i t i e s t h a t c r e a t e N P S w a t e r p o l l u t i o n , a g r i c u l t u r e g e n e r a t e s b y f a r t h e l a r g e s t s h a r e . U S E P A ( 1 9 8 6 ) e s t i m a t e d t h a t 5 0 % t o 7 0 % o f t h e n a t i o n ’ s a s s e s s e d s u r f a c e w a t e r s a r e “ a d v e r s e l y i m p a c t e d “ b y a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t a n t s . I n t h e i n t e n s e l y c u l t i v a t e d u p p e r m i d w e s t o v e r 9 0 % o f t h e b a s i n s a r e i m p a i r e d ( B r a d e n , 1 9 8 5 ) . R e s e a r c h h a s d e m o n s t r a t e d t h a t b e t w e e n 3 3 % a n d 5 0 % o f t h e n i t r o g e n a n d 1 0 % o f t h e p e s t i c i d e s a p p l i e d t o c r o p l a n d s fi n d t h e i r w a y t o s u r f a c e w a t e r s o r i n t o 1 2 a q u i f e r s i n s t a t e s w h e r e N P S p o l l u t i o n i s r e c o g n i z e d a s a s e r i o u s p r o b l e m ( C r o w d e r e t a l . , 1 9 8 8 ) . C h e m i c a l s a r e n o t t h e o n l y a g r i c u l t u r a l N P S c o n t a m i n a n t s . C l a r k ( 1 9 8 5 ) e s t i m a t e s t h a t b e t w e e n 2 5 % a n d 4 0 % o f t h e s e d i m e n t s t h a t r u n o f f fi e l d s e n d u p i n s u r f a c e w a t e r s . 1 . 1 . 2 N e w N P S P o l l u t i o n P o l i c y D i r e c t i o n s A n e w p a r a d i g m i n a g r i c u l t u r a l r e s o u r c e m a n a g e m e n t f o r r e d u c i n g N P S p o l l u t a n t s i s c u r r e n t l y b e i n g f o r m u l a t e d . T h i s n e w d i r e c t i o n i s r e p l a c i n g fi e l d - b a s e d e r o s i o n c o n t r o l w i t h a m o r e h o l i s t i c w a t e r s h e d m a n a g e m e n t a p p r o a c h . T w o r e c e n t p i e c e s o f l e g i s l a t i o n h a v e a d o p t e d a w a t e r s h e d - b a s e d s t r a t e g y f o r i m p l e m e n t i n g N P S a b a t e m e n t p r o g r a m s ; t h e 1 9 9 0 F o o d , A g r i c u l t u r e , C o n s e r v a t i o n a n d T r a d e A c t ( F A C T A ) , a n d t h e 1 9 9 0 a m e n d m e n t t o t h e C o a s t a l Z o n e M a n a g e m e n t A c t ( C Z M A ) , t h e C o a s t a l Z o n e A c t R e - a u t h o r i z a t i o n A m e n d m e n t s ( C Z A R A ) . F A C T A ’ s p r i m a r y v e h i c l e i s f o u n d i n t h e n e w W a t e r Q u a l i t y I n i t i a t i v e P r o g r a m ( W Q I P ) . W Q I P c a l l s f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d i m p l e m e n t a t i o n o f w a t e r q u a l i t y p r o t e c t i o n p l a n s o n 1 0 m i l l i o n N P S p o l l u t i o n g e n e r a t i n g o r i m p a c t e d a g r i c u l t u r a l a c r e s . C o m p e n s a t i o n f o r i n s t a l l i n g n e w m a n a g e m e n t p r a c t i c e s w i l l c o m e f r o m f e d e r a l c o s t s h a r i n g o f u p t o $ 2 5 0 0 p e r y e a r p e r f a r m f o r t h e 3 - t o 5 - y e a r l i f e - s p a n o f t h e p r o g r a m . Q u a l i fi c a t i o n f o r c o s t s h a r i n g w i l l b e b a s e d u p o n t h e l o c a t i o n o f f a r m a c r e a g e i n " c r i t i c a l c r o p l a n d " a r e a s . C r i t i c a l a r e a s a r e d e fi n e d i n t h e b i l l ( s e c t i o n 1 2 3 8 C ) a s “ l a n d s l o c a t e d w i t h i n h y d r o l o g i c u n i t s , i d e n t i fi e d b y t h e s t a t e u n d e r s e c t i o n 3 1 9 o f t h e F e d e r a l W a t e r P o l l u t i o n C o n t r o l A c t , t h a t c o n t r i b u t e t o a n i d e n t i fi a b l e w a t e r q u a l i t y p r o b l e m “ ( C e n t e r f o r R e s o u r c e E c o n o m i c s , 1 9 9 0 , p . 2 4 7 ) . 3 T h e r e - a u t h o r i z a t i o n o f t h e C Z M A r e q u i r e s t h a t s t a t e s i m p l e m e n t m a n a g e m e n t p r a c t i c e s f o r e a c h c a t e g o r y o f l a n d u s e t h a t i n d i v i d u a l l y o r c u m u l a t i v e l y c o n t r i b u t e s t o t h e d e g r a d a t i o n o f c o a s t a l w a t e r s ( U S E P A , 1 9 9 1 a ) . U s i n g t h e m o s t c u r r e n t l a n d u s e i n f o r m a t i o n , t h e l a n d a r e a i n t h e w a t e r s h e d t h a t t h r e a t e n s a w a t e r b o d y m u s t b e i d e n t i fi e d . M a n a g e m e n t m e a s u r e s t h a t a r e e c o n o m i c a l l y a c h i e v a b l e f o r t h e c o n t r o l o f p o l l u t i o n m u s t h a v e q u a n t i t a t i v e e s t i m a t e s o f t h e p o l l u t i o n r e d u c t i o n e f f e c t a n d c o s t m e a s u r e s . T h e i m p l e m e n t a t i o n o f a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n p r o g r a m s i s o c c u r r i n g s i m u l t a n e o u s l y w i t h a n e m e r g i n g t r e n d o f r e s t r u c t u r i n g a n d d o w n s i z i n g w i t h i n U S D A . T h e S e c r e t a r y o f A g r i c u l t u r e h a s p r o p o s e d c o m b i n i n g f o u r e x i s t i n g f a r m s u p p o r t a g e n c i e s , t h e S o i l C o n s e r v a t i o n S e r v i c e ( S C S ) , t h e A g r i c u l t u r a l S t a b i l i z a t i o n a n d C o n s e r v a t i o n S e r v i c e ( A S C S ) , t h e F a r m H o m e A d m i n i s t r a t i o n ( F H A ) , a n d t h e F e d e r a l C r o p I n s u r a n c e P r o g r a m ( F C I P ) , i n t o o n e c o n s u m e r - b a s e d s e r v i c e a g e n c y t o p r o v i d e e d u c a t i o n a l , t e c h n i c a l a n d fi n a n c i a l r e s o u r c e s r e q u i r e d b y t h e f a r m c o m m u n i t y ( A s s o c i a t e d P r e s s , 1 9 9 3 ) . T h e c o n s o l i d a t i o n o f a g e n c i e s i s a n a t t e m p t t o s t r e a m l i n e a n d c o o r d i n a t e a m u l t i t u d e o f f a r m s u p p o r t a n d c o n s e r v a t i o n p r o g r a m s p r e s e n t l y o c c u r r i n g w i t h i n a n d a c r o s s s e r v i c e s . T h e g o a l s o f a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n a b a t e m e n t a r t i c u l a t e d i n r e c e n t l e g i s l a t i o n a r e n o t n e c e s s a r i l y a t o d d s w i t h t h e c h a n g e s i n f a r m c o n s e r v a t i o n a g e n c y s t r u c t u r e . A c h i e v i n g t h e p o l i c y g o a l s d e fi n e d i n t h e W Q I P a n d C Z A R A a n d o p e r a t i n g w i t h i n t h e n e w U S D A i n s t i t u t i o n a l e n v i r o n m e n t r e q u i r e s d e v e l o p i n g p r o g r a m s t h a t a r e m i n r e d u c i n g N P S p o l l u t i o n l o a d i n g a n d c o s t e f fi c i e n t f o r f a r m e r s , f a r m 4 c o m m u n i t y a n d g o v e r n m e n t a g e n c i e s . F i r s t , t h e p r o g r a m m u s t b e c a p a b l e o f r e d u c i n g a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n l o a d i n g o f s e d i m e n t , n u t r i e n t s a n d p e s t i c i d e s t o a n a t u r a l l y a s s i m i l a t i v e l e v e l . E P A ’ s d e s i g n a t i o n o f T o t a l D a i l y M a x i m u m L o a d ( T D M L ) i s o n e d e fi n i t i o n o f a t a r g e t l e v e l f o r d e t e r m i n i n g e f f e c t i v e r e d u c t i o n s i n l o a d i n g ( U S E P A , 1 9 9 1 b ) . S e c o n d , t h e p r o g r a m m u s t a c h i e v e e c o n o m i c e f fi c i e n c y b y t a r g e t i n g a n d c o o p e r a t i n g w i t h o n l y t h o s e l a n d o w n e r s a n d o p e r a t o r s w h o c o n t r i b u t e s i g n i fi c a n t a m o u n t s o f p o l l u t a n t s t o w a t e r b o d i e s . T a r g e t i n g o f c o n t r i b u t i n g l a n d s m i n i m i z e s fi n a n c i a l c o s t s t r a fi n g a s w e l l a s t h e t e c h n i c a l a n d e d u c a t i o n a l s u p p o r t r e q u i r e d o f t h e f e d e r a l , s t a t e a n d l o c a l c o n s e r v a t i o n a g e n c i e s . F u r t h e r , a n y i n d i v i d u a l c o s t s o f i m p l e m e n t i n g b e s t m a n a g e m e n t p r a c t i c e s ( B M P s ) a r e b o r n e o n l y b y t h o s e d e s i g n a t e d l a n d o w n e r s w h o s e p r a c t i c e s a n d / o r l o c a t i o n w i t h i n t h e w a t e r s h e d l e a d t o s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t i o n o f N P S p o l l u t a n t s . F i n a l l y , t h e c o s t t o l o c a l a g r i c u l t u r a l - b a s e d b u s i n e s s e s f r o m l a r g e - s c a l e r e d u c t i o n i n c o m m o d i t y p r o d u c t i o n i s a l l e v i a t e d . 1 . 1 . 3 T o o l s f o r N P S P o l l u t i o n A b a t e m e n t S t r a t e g i e s N u m e r o u s m e t h o d s , p r o c e d u r e s a n d t o o l s a r e a v a i l a b l e t o c o n s e r v a t i o n a g e n t s f o r i d e n t i f y i n g l a n d s a n d p r a c t i c e s g e n e r a t i n g s i g n i fi c a n t l e v e l s o f N P S p o l l u t a n t s . M e t h o d s e n l i s t e d o v e r t h e y e a r s i n c l u d e : e s t a b l i s h i n g a w a t e r q u a l i t y m o n i t o r i n g n e t w o r k , a p p l y i n g b a s i c “ r u l e s o f t h u m b “ a n d e x p e r t o p i n i o n , i n t e r p r e t i n g a n d m e a s u r i n g m a p p e d i n f o r m a t i o n , a n d e n l i s t i n g m a t h e m a t i c a l c o m p u t e r m o d e l s . T h e m e t h o d w h i c h h a s r e c e n t l y g a i n e d c o n s i d e r a b l e a t t e n t i o n i s t h e u s e o f c o m p u t e r m o d e l s . I n f a c t , t h e S C S h a s c o m m i t t e d i t s e l f t o t h e u s e o f c o m p u t e r m o d e l s t o a s s i s t c o n s e r v a t i o n p l a n n e r s i n r e s o u r c e m a n a g e m e n t d e c i s i o n m a k i n g ( S h a w , 1 9 9 1 ) . 5 N P S w a t e r p o l l u t i o n c o m p u t e r m o d e l s s i m u l a t e , w i t h q u a n t i t a t i v e a n a l y t i c t e c h n i q u e s , t h e e f f e c t o f h y d r o l o g i c p r o c e s s e s o n s t a t e v a r i a b l e s s u c h a s s o i l , a p p l i e d n u t r i e n t s a n d p e s t i c i d e s . D i s t r i b u t e d p a r a m e t e r p h y s i c a l - b a s e d m o d e l s a r e c a p a b l e o f g e n e r a t i n g t h i s i n f o r r n a t i c n f o r a p a r t i c u l a r t i m e a n d s p a c e w i t h i n a g i v e n w a t e r s h e d . A g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n m o d e l s c a n t h u s b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e a m o u n t o f s e d i m e n t e r o d e d , a n d s u b s e q u e n t l y t h e a m o u n t t r a n s p o r t e d a n d d e p o s i t e d a l o n g fl o w p a t h s . F u r t h e r , c h a n g e s i n t h e c o n c e n t r a t i o n o f n u t r i e n t s , p e s t i c i d e s a n d b a c t e r i a c a n b e e s t i m a t e d a s t h e s e c o n s t i t u e n t s a r e t r a n s p o r t e d o f f t h e fi e l d s a n d f e e d l o t s , t h e n r o u t e d d o w n t h r o u g h t h e w a t e r s h e d ’ s c h a n n e l n e t w o r k . G i v e n t h i s s i m u l a t e d i n f o r m a t i o n p r o v i d e d b y t h e m o d e l , t h e c o n s e r v a t i o n a g e n t c a n d r a w a n u m b e r o f c o n c l u s i o n s a b o u t N P S p o l l u t i o n g e n e r a t i o n w i t h i n t h e w a t e r s h e d . F i r s t , i t c a n b e d e t e r m i n e d w h i c h fi e l d s a r e g e n e r a t i n g s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t i o n s o f s e d i m e n t s , n u t r i e n t s a n d p e s t i c i d e s : W d e s c r i p t i o n . S e c o n d , fi e l d s i n t h e w a t e r s h e d c a n b e r a n k e d r e l a t i v e t o e a c h o t h e r b a s e d u p o n t h e c o n t r i b u t i o n o f p o l l u t a n t s : W . T h i r d , t h e a m o u n t o f l o a d i n g b e i n g g e n e r a t e d f r o m t h e v a r i o u s fi e l d s w i t h i n t h e w a t e r s h e d c a n b e t i m e d : W W W S i m u l a t i o n m o d e l s c a n a l s o b e u s e d a s p r o a c t i v e p l a n n i n g t o o l s , t e s t i n g a l t e r n a t i v e fi e l d m a n a g e m e n t p r a c t i c e s a p r i o r i . T h e c o n s e r v a t i o n p l a n n e r i n t e r a c t s w i t h a c o m p u t e r m o d e l , m o d i f y i n g p a r a m e t e r i n p u t v a l u e s r e p r e s e n t i n g c h a n g e s i n m a n a g e m e n t p r a c t i c e s w i t h i n t h e f a r m fi e l d , a l o n g fl o w p a t h s b e t w e e n fi e l d s a n d c h a n n e l s , o r w i t h i n c h a n n e l s . A l t e r n a t i v e B M P s c e n a r i o s c a n t h u s b e c r e a t e d a n d 6 m o d e l l e d t o c o m p a r e a n d c o n t r a s t t h e i r p o t e n t i a l i m p a c t s o n w a t e r q u a l i t y . A G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m ( G I S ) i s a c o m p u t e r t o o l t h a t c a n g r e a t l y f a c i l i t a t e d e c i s i o n m a k i n g i n a g r i c u l t u r a l r e s o u r c e c o n s e r v a t i o n a n d w a t e r q u a l i t y p l a n n i n g a n d m a n a g e m e n t . T h e S C S h a s i d e n t i fi e d 6 1 8 a s t h e ” w a v e o f t h e f u t u r e ' , a ” f u n d a m e n t a l t e c h n o l o g y f o r a l l f a c e t s o f S C S w o r k " ( S h a w , 1 9 9 1 , p . 4 0 7 ) . A 6 1 8 i s c a p a b l e o f s p a t i a l d a t a c a p t u r e , m a n a g e m e n t , m a n i p u l a t i o n , a n a l y s i s a n d o u t p u t . T h e s p a t i a l d a t a p r o c e s s i n g c a p a b i l i t i e s o f t h e 6 1 8 c a n e n a b l e t h e c o n s e r v a t i o n p l a n n e r t o a n a l y z e a n d a s s e s s c o n s i d e r a b l y l a r g e r l a n d a r e a s t h a n c o n v e n t i o n a l m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d r e c o n n a i s s a n c e s u r v e y s . T h e 6 1 8 h a s p r o v e n u s e f u l i n p r o v i d i n g p a r a m e t e r i n p u t t o p h y s i c a l - b a s e d d i s t r i b u t e d p r o c e s s m o d e l s . H y d r o l o g i c a n d r e l a t e d a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n w a t e r q u a l i t y m o d e l s a r e o n e s u b s e t o f d i s t r i b u t e d p r o c e s s m o d e l s i n t o w h i c h G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s h a v e b e e n i n c o r p o r a t e d i n r e c e n t y e a r s . T h i s i s e v i d e n t i n t h e n u m b e r o f G I S - w a t e r q u a l i t y m o d e l i n g p r o j e c t s a n d p a p e r p r e s e n t a t i o n s ( H a r l i n a n d L a n f e a r , 1 9 9 3 ; M o o r e e t a l . , 1 9 9 3 ) . D i g i t a l s p a t i a l d a t a r e q u i r e d f o r G I S - g e n e r a t i o n o f N P S p o l l u t i o n m o d e l i n p u t p a r a m e t e r s a r e b e c o m i n g m o r e a v a i l a b l e t o c o n s e r v a t i o n p l a n n e r s . D i g i t a l d a t a t h a t c a n b e u s e d i n N P S p o l l u t i o n w a t e r q u a l i t y m o d e l i n g i n c l u d e : S C S 1 : 2 4 , 0 0 0 s c a l e S S U R G O c o u n t y - w i d e s o i l s s u r v e y d a t a , U S G S 1 : 2 4 . 0 0 0 s c a l e D i g i t a l L i n e G r a p h ( D L G ) f e a t u r e fi l e s f o r h y d r o g r a p h y , t r a n s p o r t a t i o n a n d p o l i t i c a l b o u n d a r i e s , U S G S 1 : 2 4 , 0 0 0 s c a l e D i g i t a l E l e v a t i o n M o d u l e ( D E M ) t o p o g r a p h i c d a t a , a n d S C S / U S G S 1 : 2 4 , 0 0 0 s c a l e d i g i t a l o r t h o p h o t o q u a d . a e r i a l p h o t o g r a p h y . 7 L L R c t h m t i n n s F u n d a m e n t a l q u e s t i o n s c o n c e r n i n g t h e u s e o f t h e s e N P S m o d e l i n g t o o l s m u s t b e a n s w e r e d b e f o r e t h e y a r e i m p l e m e n t e d . T h e m o s t b a s i c q u e s t i o n s a r e : H o w w e l l w i l l t h i s i n t e g r a t e d t e c h n o l o g y a n d d a t a p e r f o r m ? H a s t h e r e b e e n a d e q u a t e t e s t i n g t o d e t e r m i n e c a p a b i l i t i e s a n d l i m i t a t i o n s ? B y u s i n g t h e s e m e t h o d s , a r e N P S p r o g r a m s m o r e c a p a b l e o f a c h i e v i n g t h e a b o v e - m e n t i o n e d g o a l s o f e f f e c t i v e n e s s a n d e f fi c i e n c y w i t h i n a s m a l l e r f a r m / c o n s e r v a t i o n s e r v i c e a g e n c y ? T h i s r e s e a r c h d e a l s w i t h t w o s e p a r a t e y e t r e l a t e d r e s e a r c h q u e s t i o n s e v o l v i n g f r o m t h e s e g e n e r a l c o n c e r n s , e a c h r e l a t i n g t o t h e t w o t e c h n o l o g i e s t h a t w i l l e v e n t u a l l y b e u t i l i z e d i n N P S p o l l u t i o n a b a t e m e n t p r o g r a m s , c o m p u t e r m o d e l s a n d 6 1 8 . T h e fi r s t q u e s t i o n r e l a t e s t o t h e c a p a b i l i t i e s o f a G I S t o m a n a g e a n d m a n i p u l a t e t h e a b o v e - m e n t i o n e d s p a t i a l d a t a s e t s f o r u s e a s i n p u t p a r a m e t e r s t o a d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r N P S p o l l u t i o n m o d e l . I n p u t v a l u e s f o r a d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r N P S p o l l u t i o n w a t e r q u a l i t y m o d e l w i l l b y n a t u r e c o n t a i n i n h e r e n t e r r o r . M o d e l p a r a m e t e r e r r o r c a n o r i g i n a t e f r o m t w o d i s t i n c t s o u r c e s : d a t a c o m p i l a t i o n a n d d a t a r e p r e s e n t a t i o n . D a t a c o m p i l a t i o n e r r o r o c c u r s b e c a u s e o f t h e i n a b i l i t y t o c o l l e c t p h y s i c a l l a n d s c a p e i n f o r m a t i o n c o n t i n u o u s l y t h r o u g h o u t a w a t e r s h e d . M o s t r e s o u r c e m a n a g e m e n t m o d e l i n g t o o l s u s e s e c o n d a r y d a t a s o u r c e s , s u c h a s s o i l s u r v e y m a p s a n d c o n t o u r e l e v a t i o n m a p s . T h e s e m a p s h a v e b e e n c r e a t e d u s i n g s p a t i a l i n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e s t o a s s i g n v a l u e s t o a r e a s b e t w e e n d a t a c o l l e c t i o n p o i n t s . D a t a r e p r e s e n t a t i o n e r r o r r e s u l t s w h e n t h e l a n d s c a p e i s d e l i n e a t e d i n t o c o m p u t a t i o n a l e l e m e n t s f o r c o l l e c t i n g a n d t h e n i n p u t t i n g p a r a m e t e r d a t a t o a d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r 8 m o d e l ( B e v e n , 1 9 8 9 ) . T h e c o m m o n l y u s e d g r i d c e l l e l e m e n t i m p o s e s a r t i fi c i a l ' s t r a i g h t - l i n e " b o u n d a r i e s t o r e p r e s e n t l a n d s c a p e f e a t u r e s . W i t h i n t h e g r i d c e l l , s p a t i a l c o m p l e x i t y o f p h y s i c a l o r a g r o n o m i c l a n d f e a t u r e s i s r e p l a c e d w i t h e i t h e r a h o m o g e n e o u s a v e r a g e , w e i g h t e d a v e r a g e o r d o m i n a n t c h a r a c t e r i s t i c . Q u e s t i o n 1 : H o w m u c h e r r o r i s i n t r o d u c e d t o t h e i n p u t p a r a m e t e r s o f a d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r N P S w a t e r q u a l i t y m o d e l w h e n v a l u e s a r e g e n e r a t e d u s i n g a 6 1 8 a s c o m p a r e d t o a s t a n d a r d s e t o f i n p u t p a r a m e t e r s u t i l i z i n g m o r e c o s t l y a n d t i m e - c o n s u m i n g c o n v e n t i o n a l m e t h o d s o f m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d r e c o n n a i s s a n c e s u r v e y s ? H o w d o e s t h e e r r o r i n f l u e n c e N P S p o l l u t i o n m o d e l s i m u l a t i o n r e s u l t s ? T h e s c s h a s i d e n t i fi e d b o t h t h e s i n g l e r a i n f a l l e v e n t v e r s i o n A G N P S ( Y o u n g e t a l . , 1 9 8 7 ) a n d t h e e x p a n d e d c o n t i n u o u s s i m u l a t i o n m o d e l A N N - A G N P S ( N e e d h a m a n d Y o u n g , 1 9 9 3 ) , a s N P S p o l l u t i o n m o d e l s t h e y i n t e n d t o u s e a s p a r t o f t h e i r a g r i c u l t u r a l N P S p r o g r a m ( U S D A - S C S , 1 9 9 1 ) . T h e s e c o n d s e t o f r e s e a r c h q u e s t i o n s i s c o n c e r n e d w i t h t h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f A N N - A G N P S , a n d t h e i n f l u e n c e o f p o t e n t i a l G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r e r r o r o n s i m u l a t i o n r e s u l t s . Q u e s t i o n 2 : 9 H o w w e l l d o e s t h e A N N - A G N P S m o d e l p r e d i c t N P S p o l l u t i o n l o a d i n g f r o m a n a g r i c u l t u r a l w a t e r s h e d ? G i v e n t h e r e s u l t i n g l e v e l o f s i m u l a t i o n a c c u r a c y , w h a t k i n d o f d e s c r i p t i o n c a n b e m a d e c o n c e r n i n g N P S p o l l u t i o n l o a d i n g o u t o f a n a g r i c u l t u r a l w a t e r s h e d a s w e l l a s w i t h i n i t : ( 1 ) a t a r g e t i n g o r i d e n t i fi c a t i o n d e s c r i p t i o n , ( 2 ) a r a n l d n g d e s c r i p t i o n , o r ( 3 ) a q u a n t i t a t i v e e s t i m a t i o n d e s c r i p t i o n ? W T o g a i n i n s i g h t i n t o t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e s e t e c h n o l o g i e s a s w e l l a s a d d r e s s t h e r e s e a r c h q u e s t i o n s p o s e d , t h e f o l l o w i n g h y p o t h e s e s h a v e b e e n f o r w a r d e d t o f o r m a l l y f o c u s t h e r e s e a r c h . H y p o t h e s i s 1 : T h e i n p u t p a r a m e t e r e r r o r i n t r o d u c e d u s i n g G I S - b a s e d s p a t i a l d a t a m a n i p u l a t i o n m e t h o d s i s i n s i g n i fi c a n t a s c o m p a r e d t o m o d e l i n p u t d a t a v a l u e s g e n e r a t e d f r o m c o n v e n t i o n a l m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d r e c o n n a i s s a n c e fi e l d s u r v e y s . T h u s t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s u t i l i z i n g t h e t w o s e t s o f m o d e l i n p u t p a r a m e t e r s w i l l b e c o m p a r a b l e . T h i s fi r s t h y p o t h e s i s s t a t e s t h a t G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e A N N - A G N P S w a t e r q u a l i t y s i m u l a t i o n m o d e l , o n t h e w h o l e , w i l l n o t d i f f e r s i g n i fi c a n t l y f r o m p a r a m e t e r v a l u e s t h a t w o u l d b e g e n e r a t e d i f 6 1 8 t e c h n o l o g y w a s n o t a v a i l a b l e . T h e p a r a m e t e r s g e n e r a t e d f r o m m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d s u r v e y a r e t h e s t a n d a r d f o r c o m p a r i n g G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s . G I S - r e l a t e d e r r o r i s t h u s t h e 1 0 d i f f e r e n c e i n t h e t w o p a r a m e t e r v a l u e s . G i v e n t h e s i m i l a r i t i e s i n p a r a m e t e r s e t s , s i m u l a t i o n r e s u l t s f r o m A N N - A G N P S w i l l n o t s i g n i fi c a n t l y d i f f e r . H y p o t h e s i s 2 : T h e A N N - A G N P S m o d e l c a n n o t a c c u r a t e l y p r e d i c t q u a n t i t a t i v e c o n t r i b u t i o n s o f N P S p o l l u t a n t s f r o m s u b - w a t e r s h e d s w i t h i n a l a r g e r a g r i c u l t u r a l w a t e r s h e d . T h e m o d e l i s o n l y c a p a b l e o f p r o v i d i n g i d e n t i fi c a t i o n a n d r a n k i n g d e s c r i p t i o n . T h e s i n g l e r a i n s t o r m e v e n t a n d t h e c o n t i n u o u s A G N P S m o d e l w e r e d e v e l o p e d t o ' a n a l y z e n o n p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n a n d t o p n ' g m i z e p o t e n t i a l w a t e r q u a l i t y p r o b l e m s i n r u r a l a r e a s ” ( Y o u n g e t a l . , 1 9 8 9 ) . B e c a u s e o f t h e i r b a s i c a n a l y t i c a p p r o a c h , t h e A G N P S m o d e l s a r e l i m i t e d i n t h e a c c u r a c y o f p r e d i c t i o n s , a n d t h u s s h o u l d b e l i m i t e d t o t h e t y p e o f a p p l i e d u s e s . M o s t m a j o r p r o c e s s e s r e p r e s e n t e d i n t h e A G N P S m o d e l s a r e b a s e d o n e m p i r i c a l e q u a t i o n s d e v e l o p e d f r o m i n h e r e n t l y l i m i t e d s e t s o f o b s e r v a t i o n s . T h e m o d e l s a r e a l s o i n t e n d e d f o r u s e b y l o c a l c o n s e r v a t i o n p l a n n e r s i n u n g a u g e d w a t e r s h e d s a n d t h u s d o n o t a l l o w f o r c a l i b r a t i o n . Q u a n t i t a t i v e r e s u l t s p r o d u c e d b y t h e A G N P S m o d e l s s h o u l d t h u s o n l y b e u s e d i n i d e n t i f y i n g a n d r a t i n g c o n t r i b u t i n g l a n d s w i t h i n a w a t e r s h e d . L L R e s e a r c h A n a m a c h T h e t e s t i n g o f t h e r e s e a r c h h y p o t h e s e s w a s c a r r i e d o u t o n a n a g r i c u l t u r a l w a t e r s h e d i n W e s t - C e n t r a l M i n n e s o t a . T h e M o y e r w a t e r s h e d i s a s m a l l s u b - b a s i n t o t h e l a r g e r P o m m e d e T e r r e w a t e r s h e d s y s t e m , w h i c h i n t u r n i s a t r i b u t a r y t o t h e M i n n e s o t a R i v e r . T h e M i n n e s o t a R i v e r , t h r o u g h o u t i t s c o u r s e , f l o w s t h r o u g h i n t e n s e l y c u l t i v a t e d a g r i c u l t u r e l a n d s c a p e a n d e x p e r i e n c e s c o n s i d e r a b l e w a t e r q u a l i t y l l d e g r a d a t i o n f r o m a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n . T h e 1 0 7 6 - a c r e M e y e r w a t e r s h e d h a s b e e n s u b d i v i d e d i n t o s u b - w a t e r s h e d u n i t s n e s t e d h i e r a r c h i c a l l y t h r o u g h o u t t h e o v e r a l l w a t e r s h e d ( F i g u r e 1 . 1 ) . S t a g e r e c o r d e r a n d a u t o m a t e d w a t e r s a m p l e r s h a v e b e e n s e t u p a t t h e o u t l e t o f e a c h s u b - w a t e r s h e d . T h e s a m p l i n g d e s i g n e n a b l e s d e t e r m i n a t i o n o f p o l l u t a n t l o a d i n g f o r e a c h i n d i v i d u a l s u b r w a t e r s h e d , a n i n t e r m e d i a t e l o c a t i o n a n d t h e w a t e r s h e d o u t l e t . W a t e r s h e d m o d e l i n g t o e s t i m a t e a n d i s o l a t e c o n t r i b u t i n g a r e a s r e q u i r e s t h e d e l i n e a t i o n o f t h e w a t e r s h e d i n t o c o m p u t a t i o n a l a r e a s . A N N - A G N P S r e q u i r e s a s p a t i a l f r a m e w o r k f o r r e - s a m p l i n g r e a l - w o r l d p h y s i c a l a n d a g r o n o m i c i n f o r m a t i o n i n t o a h o m o g e n e o u s c o m p u t a t i o n a l u n i t . G r i d c e l l s i z e s o f 4 0 a n d 1 0 a c r e s w i l l b e u s e d f o r t e s t i n g p o t e n t i a l p a r a m e t e r e r r o r g e n e r a t i o n . T h i s r e s e a r c h d o e s n o t d i r e c t l y a d d r e s s t h e i s s u e o f d e t e r m i n i n g o p t i m a l g r i d c e l l s i z e . H o w e v e r , i t i n t e n d s t o a s s e s s t h e a b i l i t y o f t h e G I S t o g e n e r a t e p a r a m e t e r e r r o r f o r t h e s e r e s o l u t i o n s . A g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t a n t s e n c o m p a s s a w i d e r a n g e o f o r g a n i c , i n o r g a n i c , a n d w a t e r c h a r a c t e r i s t i c s c h a n g e s w h i c h d e g r a d e t h e q u a l i t y o f w a t e r r e l a t i v e t o a n e s t a b l i s h e d s t a n d a r d o r a p a r t i c u l a r u s e . S e d i m e n t s , n u t r i e n t s , p e s t i c i d e s a n d b a c t e r i a a r e N P S p o l l u t a n t s t y p i c a l l y a s s o c i a t e d w i t h a g r i c u l t u r a l a c t i v i t y , a n d c o n s t i t u t e t h e m a j o r i t y o f c o n t a m i n a n t s N P S p o l l u t i o n a b a t e m e n t p r o g r a m s a d d r e s s . T h i s r e s e a r c h o n l y a d d r e s s e s t w o o f t h e m a j o r N P S p o l l u t a n t s ; s u s p e n d e d s e d i m e n t s a n d s o l u b l e n i t r o g e n . T h e A N N - A G N P S m o d e l c a n p r e d i c t s o l u b l e p h o s p h o r u s a s w e l l a s s e d i m e n t - a b s o r b e d n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s , h o w e v e r o n l y s u s p e n d e d s e d i m e n t s a n d s o l u b l e n i t r o g e n w e r e c o l l e c t e d a n d a n a l y z e d . I t i s c l e a r l y r e c o g n i z e d t h a t o t h e r N P S ? s J J a T t I o I s e I n F n * y t i n F i M h u o C t f i w S s n o i t a t S g n i g u a G d n a s d e h s r e t a W — b u S , d e h s r e t a W r e y o M 1 . 1 e r u g i F L E I 1 2 1 3 p o l l u t a n t s a r e a l s o s e r i o u s a g r i c u l t u r e - g e n e r a t e d c o n s t i t u e n t s , a n d m u s t b e c o n s i d e r e d A i n a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n a b a t e m e n t p r o g r a m s . A G I S - b a s e d i n t e r f a c e p r o g r a m h a s b e e n c r e a t e d f o r a s s i s t i n g i n m o d e l p a r a m e t e r g e n e r a t i o n . T h e 6 1 8 p r o g r a m i s c a p a b l e o f m a n i p u l a t i n g t h e e n t e r e d s p a t i a l d a t a s e t s a s w e l l a s q u e r y i n g t h e u s e r f o r f a r m m a n a g e m e n t p r a c t i c e s i n g e n e r a t i n g a c o m p l e t e s e t o f p a r a m e t e r d a t a r e q u i r e d b y A N N - A G N P S . T h e 6 1 8 u s e d i s E S R I ’ s U N I X v e r s i o n o f A R C / I N F O v e r s i o n 6 . 1 ( E S R I , 1 9 9 1 ) . T h e s o u r c e c o d e f o r A N N - A G N P S h a s b e e n r e - c o m p i l e d w i t h i n t h e U N I X e n v i r o n m e n t w i t h m i n o r m o d i fi c a t i o n s m a d e t o t h e i n p u t / o u t p u t r o u t i n e s t o e n a b l e d i r e c t l i n k a g e w i t h t h e 6 1 8 . T h e fi n a l a n a l y s i s w i l l c o n s i s t o f c o m p a r i n g t h e G I S - g e n e r a t e d a n d t h e m a p i n t e r p r e t e d / fi e l d o b s e r v a t i o n i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s a n d t h e n o p e r a t i n g t h e A N N - A G N P S m o d e l w i t h t h e t w o s e t s o f m o d e l i n p u t p a r a m e t e r s a t t w o d i f f e r e n t c e l l r e s o l u t i o n s f o r t h e 1 9 9 2 g r o w i n g s e a s o n . T h e m o d e l i n p u t v a l u e s f o r t h e t w o p a m n e t e r s e t s a n d n v o c e u s i z e s u d n fi m t b e s t a fi s fi c a n y e v a l u a w d m d e t e r n u n e i f t h e r e a r e s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e t w o p a r a m e t e r s e t s . N e x t t h e A N N - A G N P S m o d e l w i l l b e o p e r a t e d f o r t h e t w o p a r a m e t e r s e t s f o r e a c h c e l l s i z e t o d e t e r m i n e i f t h e r e a r e s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n o u t p u t r e s u l t s . M o d e l o u t p u t s t o b e e v a l u a t e d i n c l u d e r u n o f f v o l u m e , p e a k fl o w r a t e , s u s p e n d e d s e d i m e n t l o a d a n d s o l u b l e T o t a l - N i t r o g e n l o a d f o r e a c h i n d i v i d u a l c e l l a n d a t e a c h o f t h e s a m p l i n g s i t e s f o r t w o r u n o f f e v e n t s . F i n a l l y , m o d e l o u t p u t r e s u l t s w i l l b e c o m p a r e d u s i n g m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s t o d e t e r m i n e w h a t t y p e o f 1 4 c o n t r i b u t i n g l a n d d e s c r i p t i o n c a n a c c u r a t e l y b e a s c r i b e d : ( 1 ) a t a r g e t i n g o r i d e n t i fi c a t i o n d e s c r i p t i o n , ( 2 ) a m a k i n g d e s c r i p t i o n , o r ( 3 ) a q u a n t i t a t i v e e s t i m a t i o n d e s c r i p t i o n . 1 5 I ] . Q . . T h e t h e s i s i s d i v i d e d i n t o fi v e f u r t h e r c h a p t e r s ; ( 2 ) a r e v i e w o f t h e l i t e r a t u r e , ( 3 ) a d e s c r i p t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l w a t e r s h e d , ( 4 ) a d e s c r i p t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n a n d s t a t i s t i c a l t e c h n i q u e s , ( 5 ) a p r e s e n t a t i o n a n d e x p l a n a t i o n o f r e s u l t s , a n d ( 6 ) a d i s c u s s i o n o f t h e s i g n i fi c a n c e o f t h o s e r e s u l t s r e l a t i v e t o t h e s t a t e d h y p o t h e s e s a n d r e s e a r c h q u e s t i o n s , a s w e l l a s fi n a l c o n c l u s i o n s . T h e l i t e r a t u r e r e v i e w c h a p t e r ( 2 ) i s f u r t h e r d i v i d e d i n t o t w o s e c t i o n s . T h e fi r s t s e c t i o n r e v i e w s r e s e a r c h a n d a p p l i e d h y d r o l o g i c a n d N P S p o l l u t i o n m o d e l s p r e s e n t e d i n t h e l i t e r a t u r e . I t i d e n t i fi e s a n d t h e n d i s c u s s e s t h e m a j o r p r o c e d u r e s f o r m a t h e m a t i c a l l y r e p r e s e n t i n g h y d r o l o g i c , s e d i m e n t t r a n s p o r t a n d n u t r i e n t f a t e p r o c e s s e s . T h e p r i m a r y p r o c e s s e s c o v e r e d i n c l u d e i n fi l t r a t i o n , o v e r l a n d r u n o f f , s o i l e r o s i o n , c h a n n e l f l o w a n d s e d i m e n t t r a n s p o r t . T h e s e c o n d s e c t i o n r e v i e w s p a s t w o r k o f l i n k i n g h y d r o l o g i c a n d a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n w a t e r q u a l i t y m o d e l s w i t h G I S t o f a c i l i t a t e t h e g e n e r a t i o n o f m o d e l p a r a m e t e r s a n d d e c i s i o n s u p p o r t i n w a t e r r e s o u r c e s p l a n n i n g a n d m a n a g e m e n t . C h a p t e r t h r e e d e s c r i b e s t h e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e w a t e r s h e d a s w e l l a s t h e a g r i c u l t u r a l a c t i v i t y t a k i n g p l a c e . C h a p t e r f o u r d e s c r i b e s t h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n . D a t a c o l l e c t i o n m e t h o d s w i l l b e e x p l a i n e d , i n c l u d i n g a d e s c r i p t i o n o f t h e t e c h n i q u e s f o r p r o c e s s i n g r e c o r d i n g s a n d s a m p l e s . I n c l u d e d i n t h e d e s c r i p t i o n o f d a t a c o l l e c t i o n m e t h o d s w i l l b e a d i s c u s s i o n o f m o d e l p a r a m e t e r g e n e r a t i o n b y b o t h t r a d i t i o n a l m a p 1 5 i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d o b s e r v a t i o n a s w e l l a s 6 1 8 p r o c e s s i n g o f d i g i t a l s p a t i a l d a t a . A l s o c o v e r e d a r e t h e s t a t i s t i c a l t e c h n i q u e s i n d a t a a n a l y s i s . T h e fi f t h c h a p t e r p r e s e n t s t h e r e s u l t s f o r b o t h w a t e r s h e d d a t a c o l l e c t i o n a n d m o d e l s i m u l a t i o n r u n s . T h e s i x t h c h a p t e r a s s e s s e s t h e r e s u l t s i n t e r m s o f t h e h y p o t h e s e s a n d p r o v i d e s a n s w e r s t o t h e r e s e a r c h q u e s t i o n s . T h e fi n a l c h a p t e r w i l l a l s o d i s c u s s t h e i m p l i c a t i o n s o f t h i s r e s e a r c h t o c u r r e n t w a t e r q u a l i t y p o l i c i e s a n d o u t l i n e f u t u r e r e s e a r c h n e e d s . C H A P T E R 2 L I T E R A T U R E R E V I E W 2 . 1 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e p r e s e n c e o f w a t e r - b o r n e N P S p o l l u t a n t s i n h a r m f u l c o n c e n t r a t i o n s i s d u e t o t h e c a p a c i t y o f w a t e r t o d i s s o l v e , e n t r a i n a n d t h e n t r a n s p o r t s o i l , n u t r i e n t s , b a c t e r i a a n d o t h e r c h e m i c a l c o n s t i t u e n t s . T h e s e p o t e n t i a l p o l l u t a n t s c a n b e t r a n s p o r t e d v i a s u r f a c e o v e r l a n d a n d s t r e a m c h a n n e l fl o w s , a s w e l l a s s u b s u r f a c e fl o w s t h r o u g h o r g a n i c a n d i n o r g a n i c r e s i d u e s , s o i l s , v a d o z e a n d s a t u r a t e d g e o l o g i c m e d i a . N o v o t n y a n d C h e s t e r s ( 1 9 8 1 , p . 7 7 ) t h u s r e f e r t o c o n t a m i n a t i o n f r o m n o n p o i n t s o u r c e s a s a ” h y d r o l o g i c p r o b l e m " . E s t i m a t i n g N P S p o l l u t i o n c o n c e n t r a t i o n s t h r o u g h m a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n t h e r e f o r e r e q u i r e s m o d e l s b a s e d u p o n p r i n c i p l e s o f h y d r o l o g y . T h e c o m p l e x i t y o f t h e h y d r o l o g i c s y s t e m i s v a s t b o t h i n t e r m s o f i t s d i m e n s i o n a n d d e t a i l . R e p r e s e n t i n g t h e h y d r o l o g i c s y s t e m t h r o u g h c o n c e p t u a l , a n a l o g o r m a t h e m a t i c a l m e a n s r e q u i r e s a s i m p l i fi c a t i o n o f t h e h y d r o l o g i c p r o c e s s e s i n t o d i s c r e t e a n d d e fi n a b l e c o m p o n e n t s . I n c o r p o r a t i n g a s y s t e m s p e r s p e c t i v e , C h o w ( 1 9 8 8 , p . 7 ) f o r w a r d s a d e fi n i t i o n o f t h e h y d r o l o g i c p h e n o m e n o n a s ' a s t r u c t u r e o r v o l u m e i n s p a c e , s u r r o u n d e d b y a b o u n d a r y , t h a t a c c e p t s w a t e r a n d o t h e r i n p u t s , o p e r a t e s o n t h e m i n t e r n a l l y , a n d p r o d u c e s t h e m a s o u t p u t ” . H e d e fi n e s t h e s t r u c t u r e o r v o l u m e o f t h e s y s t e m a s t h e " t o t a l i t y o f f l o w p a t h s t h r o u g h w h i c h w a t e r m a y p a s s a s t h r o u g h p u t 1 6 1 7 f r o m t h e p o i n t i t e n t e r s t h e s y s t e m t o t h e p o i n t i t l e a v e s ” . T h e s y s t e m b o u n d a r y r e p r e s e n t s ' a c o n t i n u o u s s u r f a c e d e fi n e d i n t h r e e - d i m e n s i o n s , e n c l o s i n g t h e v o l u m e o r s t r u c t u r e " . T h e w o r k i n g m e d i a a r e d e fi n e d a s c o n s t i t u e n t s ' e n t e r [ i n g ] t h e s y s t e m a s i n p u t , i n t e r a c t [ i n g ] w i t h t h e s t r u c t u r e a n d o t h e r m e d i a a n d 1 e a v [ i n g ] a s o u t p u t “ . I m p l e m e n t i n g t h e s y s t e m s a p p r o a c h i s a p r e r e q u i s i t e f o r d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r p r o c e s s - b a s e d h y d r o l o g i c w a t e r s h e d m o d e l i n g . T h e w a t e r s h e d fi x e s t h e p h y s i c a l a n d s p a t i a l b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r i s o l a t i n g d o m i n a n t p r o c e s s e s . T h e c o m p l e x i t y o f t h e w a t e r s h e d s t r u c t u r e i s t h e n d e l i n e a t e d i n t o s e p a r a t e s u b - p r o c e s s e s r e p r e s e n t e d b y m a t h e m a t i c a l f u n c t i o n s r e l a t i n g t h e m o d i fi c a t i o n o f w a t e r a n d w a t e r - b o r n e c o n s t i t u e n t s f r o m i n f l o w t o o u t fl o w . O n c e e a c h o f t h e s u b - s y s t e m s i s a c c o u n t e d f o r t h r o u g h q u a n t i t a t i v e m e t h o d s , t h e c o m p l e x i t y o f t h e l a r g e r w a t e r s h e d s y s t e m i s r e c o n s t r u c t e d b y c o m b i n i n g t h e r e s u l t s a c c o r d i n g t o t h e i n t e r a c t i o n b e M e e n s u b - s y s t e m s ( C h o w , 1 9 8 8 ) . W i t h i n t h e u p l a n d w a t e r s h e d , t h e e m p h a s i s o f t h i s r e s e a r c h , b a s i c p r o c e s s e s c a n b e s u b d i v i d e d i n t o t w o s u b - s y s t e m s ; o v e r l a n d fl o w a n d s t r e a m c h a n n e l fl o w s y s t e m s . F o r b o t h s u b r s y s t e m s , t h e w o r k i n g m e d i a o f w a t e r a n d a g r i c u l t u r a l i n p u t s m o v e t h r o u g h t h e n a t u r a l a n d m a n - m o d i fi e d s t r u c t u r e s o f s o i l , v e g e t a t i o n a n d t o p o g r a p h y . T h e w o r k i n g m e d i a i s t h u s m o d i fi e d a n d r e d i s t r i b u t e d a s i t m o v e s d o w n t h r o u g h t h e s t r u c t u r e p a t h s . D i m e n s i o n s o f s p a c e a n d t i m e m u s t b e i n c l u d e d w i t h i n t h e a n a l y t i c f r a m e w o r k . T h e i n h e r e n t s p a t i a l v a r i a b i l i t y o f t h e w a t e r s h e d ’ s s t r u c t u r e l e a d s t o v a r i a t i o n i n t h e r a t e a n d t i m i n g o f p r o c e s s e s . W a t e r s h e d s t r u c t u r e s c h a n g e r e l a t i v e t o t e m p o r a l d y n a m i c s o f w e a t h e r a n d a g r o n o m i c p r a c t i c e s t h u s i n fl u e n c i n g t h e 1 8 t r a n s f o r m a t i o n o f s y s t e m s i n p u t s t o o u t p u t s . S e c t i o n o n e o f t h e l i t e r a t u r e r e v i e w d e t a i l s t h e m a j o r p r o c e s s e s r e p r e s e n t e d i n a g r i c u l t u r a l N P S w a t e r q u a l i t y m o d e l s b y r e v i e w i n g m e t h o d s o f m a t h e m a t i c a l r e p r e s e n t a t i o n . T h e p r o c e s s e s e x a m i n e d f o r o v e r l a n d a n d c h a n n e l s u b - s y s t e m s i n c l u d e : ( 1 ) h y d r o l o g y , i n c l u d i n g i n fi l t r a t i o n a n d s u r f a c e f l o w , ( 2 ) s o i l e r o s i o n , i n c l u d i n g d e t a c h m e n t , t r a n s p o r t a n d d e p o s i t i o n o f s o i l s e d i m e n t s , a n d ( 3 ) n u t r i e n t f a t e c o v e r i n g s o l u b l e a n d s e d i m e n t - a t t a c h e d f o r m s o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s e n t r a i n m e n t a n d t r a n s p o r t . T o o r g a n i z e a r e v i e w o f d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r m o d e l s a n d t h e m a t h e m a t i c a l r e p r e s e n t a t i o n o f p r o c e s s e s , a l i s t o f N P S w a t e r q u a l i t y a n d h y d r o l o g i c a l m o d e l s h a s b e e n c o m p i l e d ( T a b l e 2 . 1 ) . T h e m o d e l s i n t h e f o l l o w i n g t a b l e a r e a s u b s e t o f a v a i l a b l e o p e r a t i o n a l m o d e l s a p p l i e d t o w a t e r r e s o u r c e p l a n n i n g a n d m a n a g e m e n t . F o r e a c h o f t h e s e m o d e l s , t h e m a t h e m a t i c a l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e m a j o r p r o c e s s e s c o n t r i b u t i n g t o N P S p o l l u t a n t l o a d i n g w i l l b e r e v i e w e d . V a r i o u s m e t h o d s o f d e l i n e a t i n g a w a t e r s h e d f o r g e n e r a t i n g d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r s w i l l a l s o b e d i s c u s s e d . . v — 2 2 2 8 8 E [ - 3 - u : n 3 n 3 2 2 n : E o 0 I - “ g — s m m a r . n c u r a — o e i u g u C — n u M G l E ” F a g % 8 2 3 3 9 3 2 . 3 3 1 9 2 0 9 E 0 E 5 : « g " 3 0 m 5 — 3 2 i 3 3 3 m 2 l 8 — n e e K o m n g e d - 8 . n 1 a 2 w 2 ! ) l l I e 3 o g — I a n — l a « g e - n 1 a . m 3 : . 3 a n fi m — : E 8 2 — . n o — e w e a i d — O 2 « 5 6 . 5 ” 6 2 ° : E a r l . « 8 0 3 3 2 3 . 1 8 1 « 9 0 . 3 4 . 2 3 . 1 8 1 C u « a c i d - 2 . 5 ! . . . c a n e - c . 2 3 5 8 . C u r b c a n ; E 3 < 8 8 ! C u : g i n $ 3 8 5 : 5 — e c A u — o n e Z ? ” 0 — 3 3 3 . x E m V Z L N o g u H 2 1 2 . 1 . 2 D i s t r i b u t e d - P a r a m e t e r M o d e l s D i s t r i b u t e d — p a r a m e t e r w a t e r s h e d m o d e l s d e l i n e a t e t h e w a t e r s h e d i n t o d i m e n s i o n a l u n i t s r e p r e s e n t i n g p h y s i c a l h o m o g e n e i t y o f l a n d s c a p e c o m p o n e n t s s u c h a s s o i l s , s l o p e , a n d l a n d u s e a s w e l l a s h y d r o l o g i c p r o c e s s e s , i n c l u d i n g i n fi l t r a t i o n , r u n o f f a n d s o i l e r o s i o n . W o o l h i s e r ( 1 9 8 2 ) a d d s t h a t t h e d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r s p a t i a l a b s t r a c t i o n o f t h e w a t e r m u s t a l s o r e p r e s e n t n a t u r a l fl o w p a t t e r n s . T h e d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r m o d e l i s r e q u i r e d t o i d e n t i f y p a r t i a l a r e a c o n t r i b u t i o n o f r u n o f f , s e d i m e n t a n d n u t r i e n t s t o t h e w a t e r s h e d . T h i s c a n o n l y b e a c h i e v e d w h e n i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e a r e a o f i n t e r e s t a n d t h e r e s t o f t h e w a t e r s h e d a r e k n o w n . B e v e n ( 1 9 8 5 ) h a s i d e n t i fi e d t h r e e m a j o r r e a s o n s f o r u s i n g d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r m o d e l s : 1 . f o r e c a s t i n g t h e e f f e c t s o f l a n d u s e c h a n g e s 2 . f o r e c a s t i n g t h e e f f e c t s o f s p a t i a l l y v a r i a b l e i n p u t s a n d o u t p u t s 3 . f o r e c a s t i n g t h e m o v e m e n t o f p o l l u t i o n a n d s e d i m e n t A n u m b e r o f d i s t r i b u t e d w a t e r s h e d r e p r e s e n t a t i o n s h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r m o d e l p a r a m e t e r d e l i n e a t i o n . M o o r e e t a 1 . ( 1 9 9 3 ) d i v i d e t h e r e p r e s e n t a t i o n s i n t o g r i d , t r i a n g u l a r i r r e g u l a r n e t w o r k s ( T I N ) , h y d r o l o g i c r e s p o n s e u n i t s ( H R U ) a n d c o n t o u r - b a s e d e l e m e n t s . T w o m o r e t y p e s c a n b e a d d e d : p l a n e / c h a n n e l a n d s u b - w a t e r s h e d . 2 . 1 . 2 . 1 G r i d s B e r n a r d ( H j e l m f e l t a n d A m e r m a n , 1 9 8 0 ) f o r m u l a t e d t h e e a r l i e s t v e r s i o n o f a d i s t r i b u t e d w a t e r s h e d m o d e l . H e i n c o r p o r a t e d a s i m p l e r e g u l a r g r i d c e l l m e t h o d ( F i g u r e 2 . 1 a ) f o r p a r t i t i o n i n g t h e w a t e r s h e d a n d c o l l e c t i n g l a n d s c a p e d a t a . T h e p a r a m e t e r d a t a r e p r e s e n t e d a h o m o g e n e o u s v a l u e f o r t h e g r i d c e l l . H i s m o d e l u t i l i z e d t h e p h y s i c a l - b a s e d k i n e m a t i c w a v e m e t h o d t o r o u t e w a t e r a c r o s s g r i d c e l l s t o a 2 2 c h a n n e l , a n d t h e n t h r o u g h t h e c h a n n e l s t o t h e w a t e r s h e d o u t l e t . P r e s e n t l y t h e r e g u l a r 1 g r i d c e l l f r a m e w o r k i s i n c o r p o r a t e d i n a n u m b e r o f h y d r o l o g i c a n d N P S w a t e r q u a l i t y c o m p u t e r p r o g r a m s , i n c l u d i n g A N S W E R S ( B e a s l e y e t a l . , 1 9 8 0 ) , A G N P S ( Y o u n g e t a l . , 1 9 8 7 ) , S H E ( A b b o t t e t a l . , 1 9 8 6 ) . C h a n g i n g g r i d c e l l s i z e e n a b l e s m o r e r e a l i s t i c r e p r e s e n t a t i o n o f n a t u r a l f e a t u r e s . H o w e v e r , i t a l s o i n c r e a s e s d a t a c o l l e c t i o n a n d c o m p u t a t i o n a l t i m e . 2 . 1 . 2 . 2 P l a n e s / C h a n n e l s N e t w o r k s o f p l a n e s a n d c h a n n e l e l e m e n t s ( F i g u r e 2 . l b ) ( L o a g u e a n d F r e e z e , 1 9 8 5 ) h a v e b e e n u s e d t o s e g m e n t a w a t e r s h e d i n t o t h e t w o p r i m a r y h y d r o l o g i c p r o c e s s e s ; o v e r l a n d a n d c h a n n e l fl o w . T h e r e l a t i v e s i z e o f t h e o v e r l a n d e l e m e n t a n d t h e l o c a t i o n o f t h e c h a n n e l s t o t h e e l e m e n t s c a n b e m a i n t a i n e d w i t h t h i s s y s t e m . O v e r l a n d e l e m e n t s c a n f l o w o n t o o v e r l a n d e l e m e n t s o r i n t o c h a n n e l s . W o o l h i s e r ( 1 9 8 2 , p . 1 9 7 ) n o t e s t h e a d v a n t a g e o f t h i s w a t e r s h e d r e p r e s e n t a t i o n o v e r g r i d c e l l s : “ i t m a y r e q u i r e f e w e r e l e m e n t s a n d t h e p r o g r a m m i n g l o g i c a n d s t o r a g e r e q u i r e m e n t s a r e n o t s o s e v e r e ” . E x a m p l e s o f m o d e l s u s i n g t h i s w a t e r s h e d g e o m e t r y i n c l u d e : K I N E R O S ( W o o l h i s e r e t a 1 . , 1 9 9 0 ) a n d t h e W a t e r s h e d V e r s i o n o f W E P P ( L a n e a n d N e a r i n g , 1 9 8 9 ) . 2 . 1 . 2 . 3 T r i a n g u l a r I r r e g u l a r N e t w o r k A c o n fi g u r a t i o n o f i r r e g u l a r l y s h a p e d a n d s i z e d t r i a n g l e s o r T l e ( t r i a n g u l a r i r r e g u l a r n e t w o r k ) ( F i g u r e 2 . 1 c ) h a s b e e n u s e d t o d e l i n e a t e a w a t e r s h e d . T h e T I N r e p r e s e n t a t i o n w a s d e v e l o p e d i n p a r t t o fi t m o r e fl e x i b l e t r i a n g u l a r g e o m e t r i e s t o i r r e g u l a r t o p o g r a p h i e s a s w e l l a s t o p r o v i d e a n u m e r i c a l s t r u c t u r e f o r fi n i t e e l e m e n t 2 3 s o l u t i o n s . O v e r l a n d f l o w c a n o c c u r a c r o s s T I N e l e m e n t s a n d t h e d o w n h i l l i n t e r s e c t i o n o f t w o T I N e l e m e n t s c a n f o r m a c h a n n e l . T I N - b a s e d h y d r o l o g i c m o d e l s h a v e b e e n u s e d p r i m a r i l y i n r e s e a r c h , i n c l u d i n g : V i e u x ( 1 9 8 8 ) , M a i d m e n t e t a l . ( 1 9 8 9 ) , a n d G o o d r i c h e t a l . ( 1 9 9 1 ) . 2 . 1 . 2 . 4 H y d r o l o g i c R e s p o n s e U n i t A H y d r o l o g i c R e s p o n s e U n i t ( H R U ) d e l i n e a t i o n o f a w a t e r s h e d ( F i g u r e 2 . 1 d ) ( R o s s e t a l . , 1 9 7 9 ) i s c r e a t e d b y i d e n t i f y i n g c o m m o n l a n d u n i t s w i t h s i m i l a r l a n d s c a p e c h a r a c t e r i s t i c s . F o r e x a m p l e , a l l a r e a s w i t h s i m i l a r s l o p e , s o i l , a n d l a n d c o v e r t y p e w o u l d c o n s t i t u t e a H R U . T h e p u r p o s e o f c r e a t i n g H R U s i s t o m i n i m i z e d i f f e r e n c e s w i t h i n t h e d e l i n e a t i o n a n d t o m a x i m i z e d i f f e r e n c e s a c r o s s d e l i n e a t i o n s . W a t e r fl o w c a n t a k e p l a c e a c r o s s s e v e r a l H R U s o r t h r o u g h a s u p e r - i m p o s e d c h a n n e l n e t w o r k . A w a t e r s h e d m o d e l r e p r e s e n t a t i v e o f t h e H R U s t r u c t u r e i s F E S H M ( R o s s e t a l . , 1 9 7 9 ) . 2 . 1 . 2 . 5 S u b - W a t e r s h e d s A w a t e r s h e d c a n b e d i v i d e d i n t o s m a l l e r , t o p o g r a p h i c a l i y i n d e p e n d e n t s u b - w a t e r s h e d s ( F i g u r e 2 . 1 c ) ( W o o d e t a l . , 1 9 8 8 ) . T h e s u b - w a t e r s h e d s a r e t h e n c o n n e c t e d b y t h e n e t w o r k o f n a t u r a l c h a n n e l s . T h i s t y p e o f d e l i n e a t i o n c a n n o t b e c o n s i d e r e d a " t r u e ” d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r ( L a r s o n e t a l . , 1 9 8 2 ) . C o n s i d e r a b l e v a r i a b i l i t y o f i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s m a y e x i s t w i t h i n t h e s u b - u n i t s . R e p r e s e n t i n g t h e s e s u b - w a t e r s h e d s w i t h o n e v a l u e i n t r o d u c e s t h e p o t e n t i a l f o r c o n s i d e r a b l e i n p u t p a r a m e t e r e r r o r . M o d e l s w i t h t h i s t y p e o f s t r u c t u r e i n c l u d e S W R R B ( W i l l i a m s e t a l . , 1 9 8 5 ) , H S P F / N P S / A R M ( C r a w f o r d a n d D o n i g i a n , 1 9 7 3 ) . n o i t a t n e s e r p e R r e t e m a r a P d e t u b i r t s i D 1 . 2 e r u g i F 2 4 2 5 2 . 1 . 2 . 6 C o n t o u r - b a s e d E l e m e n t s T h e c o n t o u r - b a s e d m e t h o d ( F i g u r e 2 . 1 1 ) ( M o o r e a n d G r a y s o n , 1 9 9 1 ) a t t e m p t s t o s p a t i a l l y d e l i n e a t e l a n d b a s e d o n t h e d i r e c t i o n o f o v e r l a n d fl o w . O n s t a d a n d B r a k e n s i e k ( 1 9 6 8 ) fi r s t p r o p o s e d t h e t e c h n i q u e , c a l l i n g i t s t r e a m p a t h o r s t r e a m t u b e d e l i n e a t i o n . C o n t o u r l i n e s a r e a s s u m e d t o b e l i n e s o f e q u a l f l o w p o t e n t i a l . E l e m e n t a l u n i t s a r e c r e a t e d b y d r a w i n g e l e m e n t b o u n d a r i e s o r t h o g o n a l t o t h e c o n t o u r l i n e s . S e v e r a l e x p e r i m e n t a l h y d r o l o g i c m o d e l s h a v e i n c o r p o r a t e d t h i s s p a t i a l d e l i n e a t i o n , i n c l u d i n g T H A L E S ( G r a y s o n e t a l . , 1 9 9 2 ) a n d T O P O G ( D a v i e s a n d S h o r t , 1 9 8 8 ) . A n y a t t e m p t t o d e l i n e a t e t h e w a t e r s h e d i n t o s m a l l e r u n i t s f o r c a p t u r i n g d a t a a n d m o d e l i n g t h e p r o c e s s e s w i l l b y n a t u r e i n c l u d e a c e r t a i n d e g r e e o f p h y s i c a l v a r i a b i l i t y w i t h i n t h a t d e fi n e d u n i t . T h i s i s t r u e f o r b o t h a r b i t r a r y g r i d c e l l a s w e l l a s p h y s i c a l - b a s e d H R U d e l i n e a t i o n s . A r r i v i n g a t o n e r e p r e s e n t a t i v e p a r a m e t e r v a l u e f o r t h e c o m p u t a t i o n a l u n i t r e q u i r e s a v e r a g i n g o r s e l e c t i n g o f d o m i n a n t p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s . B e v e n ( 1 9 8 9 ) s t a t e s t h a t a l l d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r m o d e l s a r e “ l u m p e d " m o d e l s a t t h e s c a l e o f t h e i n d i v i d u a l a r e a d e l i n e a t i o n . A n u n k n o w n q u a n t i t y o f e r r o r w i l l b e i n t r o d u c e d a t t h i s s c a l e b e c a u s e t h e t h e o r y f o r s u b - u n i t d a t a i n t e g r a t i o n i s i n c o m p l e t e . 2 . 1 . 3 H y d r o l o g y 2 . 1 . 3 . 1 I n fi l t r a t i o n I n fi l t r a t i o n i s t h e p r o c e s s o f w a t e r p e n e t r a t i o n f r o m t h e s o i l s u r f a c e i n t o t h e s o i l p r o fi l e . I t i s t h e fi r s t s t a g e o f t e r r e s t r i a l w a t e r m o v e m e n t a n d i s r e s p o n s i b l e f o r p a r t i t i o n i n g w a t e r t o p o t e n t i a l a q u i f e r r e c h a r g e , l a t e r a l i n t e r fl o w a n d s u r f a c e r u n o f f . 2 6 A c c u r a t e l y a c c o u n t i n g f o r i n fi l t r a t i o n i s k e y t o s u c c e s s f u l h y d r o l o g i c m o d e l i n g a n d e s t i m a t i n g s o i l e r o s i o n a n d n u t r i e n t t r a n s p o r t . S o i l w a t e r m o v e m e n t , i n c l u d i n g i n fi l t r a t i o n , i s t h e c o n s e q u e n c e o f h y d r a u l i c g r a d i e n t s c r e a t e d b y g r a v i t y a n d c a p i l l a r y s u c t i o n . U n d e r t h e c o m b i n e d g r a d i e n t s , w a t e r p r o g r e s s i v e l y r e l o c a t e s f r o m a l o w e r t o a h i g h e r p o t e n t i a l . F o r g r a v i t y t h i s m o v e m e n t i s a l w a y s v e r t i c a l , a n d i t i s t h e d o m i n a n t f o r c e i n s a t u r a t e d s o i l s . F o r c a p i l l a r y s u c t i o n , i t i s i n a l l d i r e c t i o n s a n d i s d o m i n a n t i n d r i e r s o i l s . B a s i c p r o p e r t i e s o f t h e s o i l i n r e l a t i o n t o a n t e c e d e n t m o i s t u r e c o n d i t i o n s d e fi n e t h e i n fl u e n c e o f g r a d i e n t s . A s o i l ’ s t e x t u r a l p r o p e r t i e s d e t e r m i n e t h e s i z e a n d d i s t r i b u t i o n o f p o r e s a n d m a c r o - s p a c e s . T h e d e n s i t y , s i z e a n d d i s t r i b u t i o n o f p o r e s i n t u r n i n fl u e n c e a s o i l ’ s a b i l i t y t o t r a n s m i t w a t e r ( h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y ) , a s w e l l a s i t s a b i l i t y t o s t o r e a n d r e l e a s e w a t e r ( w a t e r - r e t e n t i o n c a p a c i t y ) ( R a w l s e t a l . , 1 9 9 3 ) . A n t e c e d e n t s o i l m o i s t u r e c o n d i t i o n s m o d i f y t h e r a t e o f s o i l w a t e r m o v e m e n t . D r i e r s o i l s w i t h l a r g e r c a p i l l a r y s u c t i o n p o t e n t i a l d r a w w a t e r q u i c k l y t h r o u g h t h e s o i l , w h e r e a s w a t e r i n w e t t e r s o i l s m o v e s m o r e s l o w l y u n d e r d i m i n i s h i n g c a p i l l a r y s u c t i o n w h i c h e v e n t u a l l y e v o l v e s i n t o a w e a k g r a v i t a t i o n a l g r a d i e n t . B o d m a n a n d C o l e m a n ( 1 9 4 4 ) d e s c r i b e d t h e m i g r a t i o n o f w a t e r t h r o u g h a h o m o g e n e o u s s o i l p r o fi l e d e l i n e a t i n g t h e v e r t i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f s o i l m o i s t u r e i n t o f o u r z o n e s : ( 1 ) a s a t u r a t e d z o n e a f e w m i l l i m e t e r s i n t h i c k n e s s l o c a t e d a t t h e s o i l s u r f a c e , ( 2 ) a t r a n s m i s s i o n z o n e o f n e a r l y s a t u r a t e d s o i l w i t h u n i f o r m w a t e r c o n t e n t , ( 3 ) a w e t t i n g z o n e u n d e r n e a t h w h i c h s o i l m o i s t u r e d e c r e a s e s w i t h d e p t h t o a w e t t i n g f r o n t , a n d ( 4 ) a w e t t i n g f r o n t w h i c h s e p a r a t e s b e l o w d r i e r s o i l s f r o m o n c o m i n g s o i l — — - 1 1 7 7 7 3 # " “ f 1 2 7 w a t e r . T h i s d e s c r i p t i v e m o d e l s e r v e s a s t h e b a s i s f o r m a n y p h y s i c a l - b a s e d m a t h e m a t i c a l m o d e l s . M a t h e m a t i c a l m o d e l s o f i n fi l t r a t i o n h a v e b e e n d e v e l o p e d t o q u a n t i f y w a t e r m o v e m e n t i n t o t h e s o i l a n d e s t i m a t e e x c e s s r a i n f a l l l e a d i n g t o r u n o f f . T h e l i s t o f m o d e l s f r o m T a b l e 2 . 1 c a n b e c l a s s i fi e d b y w h e t h e r t h e y r e p r e s e n t t h e i n fi l t r a t i o n p r o c e s s w i t h e m p i r i c a l o r p h y s i c a l - b a s e d s e t s o f m a t h e m a t i c a l e q u a t i o n s . T h e e m p i r i c a l m o d e l s p r e s e n t e d i n t h e l i s t i n c l u d e t h e S C S C u r v e N u m b e r ( C N ) m e t h o d , a n d H o l t a n ’ s m o d e l . T h r e e a p p r o x i m a t e p h y s i c a l m o d e l s a r e i m p l e m e n t e d w i t h i n t h e l i s t e d m o d e l s , i n c l u d i n g : G r e e n a n d A m p t , P h i l i p , a n d S m i t h a n d P a r l a n g e . T h e c o m p l e t e p h y s i c a l - b a s e d i n fi l t r a t i o n m o d e l o r R i c h a r d s e q u a t i o n i s i m p l e m e n t e d i n t h e S H E m o d e l . 5 5 . . l I fi l . I l l ] a . _ H n l t a n H o l t o n ’ s m o d e l ( 1 9 6 1 ) r e l a t e s p r e - s t e a d y s t a t e i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y t o u n s a t u r a t e d p o r e s p a c e i n t h e s o i l , w h i c h i s r e p r e s e n t e d b y t h e v o l u m e o f p o t e n t i a l s t o r a g e . ( 2 . 1 ) f = a F , ‘ + f c w h e r e : f = i n fi l t r a t i o n r a t e f , = s t e a d y - s t a t e i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y F , = p o t e n t i a l i n fi l t r a t i o n o r a v a i l a b l e s t o r a g e u p t o t i m e o f s t e a d y - s t a t e i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y r a t e a a n d n : 3 c o n s t a n t s r e l a t e d t o a s o i l - v e g e t a t i o n c o m p l e x . . fi a T " “ - D ' I " 2 8 H o l t a n a n d L o p e z ( 1 9 7 1 ) r e fi n e d t h e b a s e e q u a t i o n t o i n c o r p o r a t e t h e i n fl u e n c e o f g r o w i n g c r o p s . ( 2 . 2 ) f = G I A F , ” + f . w h e r e : G I = c r o p g r o w t h i n d i c a t o r , r e l a t i n g t o c r o p m a t u r i t y ( 0 . 0 - 1 . 0 ) A = i n d e x o f r o o t c o n n e c t i v i t y b e t w e e n g r o u n d s u r f a c e a n d s o i l V T h e A N S W E R S m o d e l i n c o r p o r a t e s a m o d i fi e d f o r m o f H o l t a n ’ s e q u a t i o n : ( 2 . 3 ) f = f , + D [ ( F , - F ) / T , ] ’ w h e r e : D = d i f f e r e n c e b e t w e e n m a x i m u m a n d s t e a d y - s t a t e i n fi l t r a t i o n r a t e F = t o t a l v o l u m e o f i n fi l t r a t e d w a t e r T , = t o t a l p o r o s i t y P = d i m e n s i o n l e s s c o e f fi c i e n t r e l a t i n g r a t e o f i n fi l t r a t i o n d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g s o i l m o i s t u r e c o n t e n t H o l t a n ’ s m o d e l c a n b e i n t e g r a t e d r e l a t i v e t o t i m e f o r d e t e r m i n i n g t h e i n fi l t r a t i o n r a t e . T a b l e s h a v e b e e n c r e a t e d t o h e l p m o d e l u s e r s d e t e r m i n e i n p u t p a r a m e t e r s f o r a g i v e n s o i l t y p e a n d l a n d u s e ( M u s g r a v e , 1 9 5 5 ; F r e r e e t a l . , 1 9 7 5 ) . W i l d T h e C N m e t h o d ( U S D A - S C S , 1 9 7 2 ) i n c o r p o r a t e s a r a i n f a l l e x c e s s e q u a t i o n . A r u n o f f v o l u m e i s t h e c a l c u l a t e d r e s u l t , a n d i n fi l t r a t i o n i s t h e n t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n r a i n f a l l a n d r u n o f f . I n fi l t r a t i o n g e n e r a t e d f r o m t h e C N m e t h o d i s a t o t a l v o l u m e g e n e r a t e d f r o m o n e r a i n s t o r m . T h e C u r v e N u m b e r m e t h o d i s c o v e r e d i n 2 9 d e t a i l i n t h e s u r f a c e r u n o f f s e c t i o n b e l o w . E 2 1 . 1 % l I fi l . I l l ] T h e p h y s i c a l o r c o n c e p t u a l m o d e l o f i n fi l t r a t i o n i s d e v e l o p e d b y a p p l y i n g p h y s i c s t o a s s e s s t h e m o v e m e n t o f w a t e r i n t o t h e s o i l . P a r a m e t e r i n p u t d a t a i s d e t e r m i n e d f r o m m e a s u r i n g p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l - w a t e r e n v i r o n m e n t . T h i s m o d e l t y p e i s d e r i v e d b y c o m b i n i n g t h e e q u a t i o n f o r w a t e r fl o w d e r i v e d f r o m _ . A _ . . x n c e - c 4 a c . " ‘ 5 . . . . : D a r c y ’ s L a w : 6 1 : ! ( 2 - 4 ) - q = - K F £ w h e r e : K = s a t u r a t e d c o n d u c t i v i t y o r u n s a t u r a t e d c o n d u c t i v i t y . H = h y d r a u l i c h e a d l o s s d u e t o g r a v i t a t i o n a l a n d p r e s s u r e h e a d , o r s u c t i o n p r e s s u r e i n u n s a t u r a t e d s o i l s A z = d i s t a n c e f r o m s u r f a c e w i t h t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n f o r w a t e r fl o w : ( 2 . 5 ) 3 3 % - ~ 2 3 w h e r e : 0 a s o i l m o i s t u r e t = t i m e q - - fl o w r a t e x = d i s t a n c e 3 0 T h e r e s u l t i n g c o m b i n e d e q u a t i o n i s : 6 0 _ ( 2 . 6 ) o r ' 3 8 ? ” 9 3 : : E q u a t i o n 2 . 6 i s r e p r e s e n t a t i v e o f o n e - d i m e n s i o n a l fl o w , a n d i s t h e “ w a t e r c o n t e n t e q u a t i o n “ o r R i c h a r d s e q u a t i o n ( R i c h a r d s , 1 9 3 1 ) . I t i s a n o n - l i n e a r p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n w i t h t w o u n k n o w n s ; s o i l m o i s t u r e a n d h y d r a u l i c g r a d i e n t . A n u m e r i c a l s o l u t i o n i n c o r p o r a t i n g e i t h e r fi n i t e m e t h o d s o r fi n i t e e l e m e n t s i s r e q u i r e d . K n o w n r e l a t i o n s h i p s f o r s o i l m o i s t u r e a n d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y a s w e l l a s s o i l m o i s t u r e a n d s u c t i o n p o t e n t i a l a r e r e q u i r e d i n p u t p a r a m e t e r s . R i c h a r d s e q u a t i o n h a s p r o v e n t o b e a u s e f u l r e s e a r c h t o o l . H o w e v e r , i t i s i m p r a c t i c a l t o u s e a s a n o p e r a t i o n m o d e l ( R a w l s e t a l . , 1 9 9 3 ) . A p p r o x i m a t e s o l u t i o n s t o R i c h a r d s e q u a t i o n h a v e b e e n d e v e l o p e d a n d u s e d a s p r a c t i c a l a l t e r n a t i v e s . M o d e l s f r o m T a b l e 2 . 1 i n c l u d e : t h e G r e e n a n d A m p t e q u a t i o n , P h i l i p ’ s T w o T e r m e q u a t i o n a n d t h e S m i t h - P a r l a n g e e q u a t i o n . T h e s e m o d e l s a r e c o n s i d e r e d a p p r o x i m a t e p h y s i c a l m o d e l s b e c a u s e t h e y d o n o t i n c o r p o r a t e t h e p a r t i a l d i f f e r e n t i a l s o l u t i o n a p p r o a c h o f R i c h a r d s e q u a t i o n , a n d t h u s c a n b e s o l v e d a n a l y t i c a l l y . P h y s i c a l p a r a m e t e r i n p u t v a l u e s c a n b e o b t a i n e d m o r e e a s i l y f r o m e i t h e r fi e l d o b s e r v a t i o n o r d e v e l o p e d s o i l c h a r a c t e r i s t i c d e s c r i p t i o n s ( R a w l s a n d B r a k e n s i e k , 1 9 8 3 ) . 3 1 a J r c e u a n n t G r e e n a n d A m p t ( 1 9 1 1 ) p r o p o s e d a s i m p l i fi e d d e s c r i p t i o n o f w a t e r p e n e t r a t i o n i n t o s o i l b a s e d u p o n D a r c y ’ s e q u a t i o n . T h e s o i l p r o fi l e i s r e p r e s e n t e d b y t w o z o n e s o f d i s t i n c t s o i l - w a t e r c o n d i t i o n s . T h e u p p e r t r a n s m i s s i o n z o n e c o n s i s t s o f s a t u r a t e d s o i l s w i t h a m o i s t u r e c o n t e n t e q u a l t o t h e s o i l p o r o s i t y . W a t e r m o v e m e n t t h r o u g h t h i s z o n e o c c u r s a t s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y . T h e l o w e r d r i e r z o n e e x i s t s a t i n i t i a l s o i l w a t e r c o n d i t i o n s . A n a b r u p t w e t t i n g f r o n t s e p a r a t e s t h e t w o s o i l c o n d i t i o n s . A t t h e w e t t i n g f r o n t , t h e a b o v e s o i l w a t e r i s d r a w n i n t o t h e d r i e r s o i l s t h r o u g h c a p i l l a r y s u c t i o n f o r c e s . T h e G r e e n a n d A m p t e q u a t i o n i s p r e s e n t e d a s : ( 2 - 7 ) r a t t a n - E E L S ” w h e r e : f = i n fi l t r a t i o n r a t e K = e f f e c t i v e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y ¢ = s o i l p o r o s i t y 0 , = i n i t i a l w a t e r c o n t e n t ( 4 t - 0 , = M , : t h e i n i t i a l m o i s t u r e d e fi c i t ) S , = e f f e c t i v e s u c t i o n a t w e t t i n g f r o n t F = a c c u m u l a t e d i n fi l t r a t i o n P r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e G r e e n a n d A m p t m o d e l f o r s i m u l a t i n g i n fi l t r a t i o n a n d r u n o f f r e q u i r e s t h e i n c o r p o r a t i o n o f a r a i n f a l l r a t e a t t h e s o i l s u r f a c e . U s i n g t h e b a s i c c o n c e p t s o f G r e e n a n d A m p t , M e i n a n d L a r s o n ( 1 9 7 3 ) f o r w a r d e d a t h r e e - s t a g e p r o c e d u r e t o m o d e l i n fi l t r a t i o n u n d e r s t e a d y r a t e r a i n f a l l c o n d i t i o n s a n d d e t e r m i n e t h e 3 2 t i m e i t t a k e s f o r s u r f a c e p o n d i n g t o o c c u r . I n s t a g e o n e , i n fi l t r a t i o n i s e q u a l t o r a i n f a l l i n t e n s i t y ( r a i n f a l l r a t e i s l e s s t h a n s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y ) . I n s t a g e t w o , i n fi l t r a t i o n c o n t i n u e s a t t h e r a i n f a l l i n t e n s i t y a n d t h e s o i l m o i s t u r e c o n t e n t a t t h e s u r f a c e c o n t i n u e s t o i n c r e a s e ( r a i n f a l l r a t e s u r p a s s e s t h e s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y , h o w e v e r , i t i s l e s s t h a n i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y ) . I n s t a g e t h r e e , t h e i n fi l t r a t i o n r a t e i s a t i t s c a p a c i t y , w h i c h i s l e s s t h a n t h e r a i n f a l l r a t e . W a t e r t h u s b e g i n s p o n d i n g a t t h e s o i l s u r f a c e . T h e a m o u n t o f i n fi l t r a t i o n p r i o r t o r u n o f f a n d t h e t i m e t o t h e b e g i n n i n g o f r u n o f f a r e c a l c u l a t e d b y : ( 2 . 8 ) F = s a m w x y n w h e r e : I = r a i n f a l l r a t e R a i n f a l l r a t e s a r e n o t c o n s t a n t t h r o u g h a s t o r m . R a i n i n t e n s i t y c a n d r o p b e l o w i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y a n d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y a f t e r i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y h a s a l r e a d y b e e n a c h i e v e d . C h u ( 1 9 7 8 ) e n h a n c e s t h e M e i n a n d L a r s o n p r o c e d u r e b y d e v e l o p i n g a ' p s e u d o t i m e " s h i f t i n t h e p o n d i n g t i m e s c a l e t o d e t e r m i n e i f p o n d i n g h a s o c c u r r e d . 1 E l . 1 . I I P h i l i p t w o t e r m m o d e l f o r i n fi l t r a t i o n ( 1 9 5 7 ) i s a d e r i v a t i v e o f a n i n fi n i t e p o w e r s e r i e s e q u a t i o n , g e n e r a t e d b y s o l v i n g R i c h a r d s e q u a t i o n a f t e r c o n v e r t i n g i t t o a n o r d i n a r y d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ( C h o w e t a l . , 1 9 8 8 ) . T h e P h i l i p e q u a t i o n i s r e p r e s e n t e d a s : ( 2 . 9 ) q ( t ) = 1 / 2 s t " 2 + A 3 3 w h e r e : s 8 P h i l i p p a r a m e t e r o f s o i l s o r p t i v i t y t - - t i m e A = c o n s t a n t d e p e n d e n t o f s o i l h y d r a u l i c p r o p e r t i e s K ( 0 ) a n d h ( 0 ) I n i t i a l s t a g e s o f w a t e r i n fi l t r a t i o n a r e r e p r e s e n t e d w i t h t h e fi r s t h a l f o f t h e e q u a t i o n : q ( t ) = 1 / 2 s t ‘ ” , w h e r e s o r p t i v i t y i s t h e b a s i c p r o c e s s m o v i n g w a t e r i n t o t h e i n i t i a l l y d r y s o i l s u r f a c e . A s i n fi l t r a t i o n p r o g r e s s e s , s o r p t i v i t y b e c o m e s l e s s o f a n i n fl u e n c i n g f a c t o r a n d g r a v i t y fl o w , r e p r e s e n t e d b y t h e s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y , b e c o m e s m o r e o f a n i n fl u e n c e . T h e t w o b a s i c p a r a m e t e r s s a n d A h a v e p h y s i c a l m e a n i n g a n d c a n b e d e t e r m i n e d f r o m fi e l d d a t a . L S m i t t h r L E a r l a n a c T h e S m i t h a n d P a r l a n g e m o d e l o f i n fi l t r a t i o n ( 1 9 7 8 ) i s a o n e - d i m e n s i o n a l a p p r o x i m a t i o n o f t h e R i c h a r d s e q u a t i o n s i m u l a t i n g fl o w i n t o a h o m o g e n e o u s u n s a t u r a t e d m e d i u m . T h e b a s i c f o r m o f t h e e q u a t i o n i s : ( 2 . 1 0 ) f = K e x p ( F / B ) / [ e x p ( f / B - l ) ] w h e r e : B = s a t u r a t i o n d e fi c i t p a r a m e t e r T h e B p a r a m e t e r r e l a t e s t h e e f f e c t i v e n e t c a p i l l a r y d r i v e ( G ) t o t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n i n i t i a l ( 0 , ) a n d s a t u r a t e d ( 0 . ) s o i l w a t e r c o n d i t i o n s : ( 2 . 1 1 ) B = 6 ( 0 . - 0 t ) T h e s m a l l e r t h e m o i s t u r e d i f f e r e n c e , t h e s m a l l e r t h e e f f e c t o f s u c t i o n c a p a c i t y i n d r a w i n g w a t e r t h r o u g h t h e s o i l p r o fi l e . F o r a s h o r t t i m e p e r i o d a f t e r t h e b e g i n n i n g 3 4 o f r a i n f a l l , e q u a t i o n 2 . 1 1 c a n b e a p p r o x i m a t e d b y : f = B K / F . W h e n m o i s t u r e c o n t e n t a p p r o a c h e s s a t u r a t i o n , t h e i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y a p p r o x i m a t e s s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y . C E E . . S t u d i e s h a v e r e l a t e d s o i l p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t o q u a n t i fi a b l e h y d r o l o g i c d e s c r i p t i o n s r e q u i r e d b y p h y s i c a l - b a s e d i n fi l t r a t i o n m o d e l s . B r o o k s a n d C o r e y ( 1 9 6 4 ) d e t e r m i n e d t h a t s u c t i o n h e a d i s l o g a r i t h m i c a l l y r e l a t e d t o a n e f f e c t i v e s a t u r a t i o n ( S , ) : S , = ( 0 - 0 , ) / ( ¢ - 0 , , w h e r e 0 , = r e s i d u a l w a t e r c o n t e n t . B r a k e n s i e k e t a l . ( 1 9 8 1 ) d e v e l o p e d m e t h o d s i m p l e m e n t i n g t h e B r o o k s - C o r e y r e l a t i o n s h i p t o e s t i m a t e r e q u i r e d G r e e n a n d A m p t i n p u t p a r a m e t e r o f S , , K a n d e . R a w l s e t a l . ( 1 9 8 3 ) t h e n g e n e r a t e d h y d r a u l i c d a t a f o r a l a r g e r a n g e o f s o i l c l a s s e s b y a p p l y i n g t h e d e v e l o p e d p r o c e d u r e . 2 . 1 . 3 . 2 S u r f a c e R u n o f f S u r f a c e fl o w b e g i n s w i t h t h e p o n d i n g o f w a t e r a t t h e s o i l s u r f a c e w h e n r a i n f a l l i n t e n s i t y b e c o m e s g r e a t e r t h a n i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y . H o w e v e r , b e f o r e g r a v i t y t a k e s h o l d m o v i n g w a t e r d o w n h i l l , w a t e r fi l l s t h e s u r fi c i a l d e t e n t i o n a n d s o i l d e p r e s s i o n a l s t o r a g e o f t h e s o i l s u r f a c e . W i t h t h e a c c u m u l a t i o n o f m o r e w a t e r a t t h e s u r f a c e , g r a v i t y e v e n t u a l l y o v e r c o m e s s t o r a g e a n d r u n o f f b e g i n s t o fl o w d o w n h i l l . H o r t o n ( 1 9 3 3 ) d e s c r i b e d t h e s e m e c h a n i c s o f o v e r l a n d fl o w , r e f e r r i n g t o t h i s a s ' r a i n f a l l e x c e s s “ , w h i c h i s e q u a l t o r a i n f a l l m i n u s i n fi l t r a t i o n . R e s e a r c h s i n c e h a s d e m o n s t r a t e d t h a t w a t e r fl o w s p a r a l l e l t o t h e h i l l s l o p e t h r o u g h s u b - s u r f a c e u n s a t u r a t e d z o n e s . I f t h e w a t e r r e - s u r f a c e s a t h i l l s i d e c u t s o r s t r e a m b a n k s , i t i s c a l l e d u n s a t u r a t e d l a t e r a l fl o w ( F r e e z e , 1 9 7 4 ; D u n n e e t a l . , 1 9 7 5 ) . I f s u b - s u r f a c e w a t e r 3 5 s e t t l e s i n t o d e p r e s s i o n s o r n e a r t h e b o t t o m o f a s l o p e c a u s i n g t h e g r o u n d w a t e r l e v e l t o ' r i s e t o t h e s u r f a c e i t i s c a l l e d s a t u r a t e d l a t e r a l fl o w ( B e t s o n , 1 9 6 4 ; H e w l e t t a n d H i b b e r t , 1 9 6 7 ) . I n b o t h c a s e s , s u r f a c e r u n o f f i s n o t a r e s u l t o f H o r t o n i a n r u n o f f , w h e r e r a i n f a l l i s g r e a t e r t h a n i n fi l t r a t i o n c a p a c i t y . l a t e r a l fl o w o r i n t e r fl o w p r o c e s s e s a r e d o m i n a n t p r o c e s s e s e x i s t i n g o n v e g e t a t e d s l o p e s i n h u m i d e n v i r o n m e n t s , w h i l e H o r t o n i a n fl o w o c c u r s i n m o r e a r i d c l i m a t e s w i t h i m p e r v i o u s s o i l l a y e r s ( C h a r l e y , 1 9 7 8 ) . H o w e v e r , t h e c o m p l e x i t y a n d s p a t i a l v a r i a b i l i t y o f s o i l s , s l o p e s , v e g e t a t i v e c o v e r a n d a n t e c e d e n t s o i l m o i s t u r e c o n d i t i o n s w i t h i n a w a t e r s h e d l e a d t o b o t h p r o c e s s e s o c c u r r i n g s o m e w h e r e i n t h e w a t e r s h e d ( C h o w , 1 9 8 8 ) . I n u p l a n d a g r i c u l t u r a l c u l t i v a t e d w a t e r s h e d s , H u g g i n s a n d B u r n e y ( 1 9 8 2 ) h a v e f o u n d t h a t i n t e r fl o w p r o c e s s e s a r e n e g l i g i b l e . T h e r e f o r e , i n t h i s r e s e a r c h , o n l y H o r t o n i a n s u r f a c e fl o w i s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e N P S w a t e r q u a l i t y m o d e l t o b e t e s t e d . O v e r l a n d fl o w b e g i n s a s m i l l i m e t e r - t h i n s h e e t s w h e n w a t e r o v e r c o m e s s u r f a c e t e n s i o n f o r c e s ( C h o w , 1 9 8 8 ) . T h e i r r e g u l a r t w o - d i m e n s i o n fl o w i s i n fl u e n c e d b y s p a t i a l c h a n g e s i n s o i l t e n s i o n , f r i c t i o n a l f o r c e s a n d i n fi l t r a t i o n . S u r f a c e i r r e g u l a r i t i e s e v e n t u a l l y f o c u s s h e e t s i n t o d i s c r e t e s m a l l - s c a l e r i l l s ( F o s t e r , 1 9 8 2 ) . O b s t a c l e s t o r i l l fl o w , i n c l u d i n g s o i l a g g r e g a t e s , v e g e t a t i o n a n d p l a n t r e s i d u e , c r e a t e t o r t u o u s fl o w p a t h s t h a t a r e c a p a b l e o f r e t u r n i n g t h e w a t e r t o s h e e t fl o w . F o s t e r a n d M e y e r ( 1 9 7 2 ) d e s c r i b e t h i s p r o c e s s a s b r o a d u n i f o r m a r e a s o f s h e e t fl o w d i s s e c t e d b y c o n c e n t r a t e d r i l l s . T h i s p a t t e r n o f fl o w i n s h a l l o w s h e e t a n d r i l l o c c u r s f o r o n l y v e r y s h o r t d i s t a n c e s d o w n t h e h i l l s l o p e - 1 0 0 m e t e r s o r l e s s ( W o o l h i s e r , 1 9 8 2 ) - b e f o r e m o r e 3 6 p e r m a n e n t a n d s t r u c t u r e d r i l l fl o w i s a c h i e v e d . T h e t o t a l p r o c e s s o f fl o w d e s c r i b e d a b o v e i s r e f e r r e d t o a s o v e r l a n d fl o w . C h a n n e l fl o w b e g i n s w i t h t h e c o n fl u e n c e o f o v e r l a n d r i l l fl o w i n t o a r e l a t i v e l y m o r e s t a b l e n e t w o r k o f c h a n n e l s a n d g u l l i e s . M o v i n g d o w n s l o p e t h r o u g h a w a t e r s h e d , c h a n n e l s c o n v e r g e t o g e t h e r a d d i n g t o t h e s i z e a n d v o l u m e o f t h e fl o w . F e e d i n g i n t o c h a n n e l s a r e l a t e r a l c o n t r i b u t i o n s f r o m o v e r l a n d r i l l a n d s h e e t fl o w . F a c t o r s i n fl u e n c i n g t h e d e v e l o p m e n t o f c h a n n e l s i n c l u d e l a r g e r - s c a l e t o p o g r a p h i c f e a t u r e s s u c h a s h i l l s i d e s l o p e , l e n g t h o f s l o p e , v e g e t a t i o n , a n d l a r g e - s c a l e o b s t r u c t i o n s ( E m m e t t , 1 9 7 8 ) . T h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n r i l l s a n d c h a n n e l s i s s o m e t i m e s s u b t l e . F o s t e r ( 1 9 8 2 , p . 2 9 9 ) f o r w a r d s t h e f o l l o w i n g d e fi n i t i o n : “ r i l l s i n f e r a l a r g e n u m b e r o f s m a l l fl o w c o n c e n t r a t i o n s u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d o v e r a n a r e a w h e r e a s t h e n u m b e r o f g u l l i e s o r c h a n n e l s i s s m a l l “ . T h e m o d e l s p r e s e n t e d i n T a b l e 2 . 1 m a t h e m a t i c a l l y r e p r e s e n t w a t e r fl o w b y e m p i r i c a l a n d p h y s i c a l - b a s e d e q u a t i o n s . E m p i r i c a l m o d e l s a r e r e p r e s e n t e d b y t h e S C S C N M e t h o d f o r e s t i m a t i n g a s i n g l e s t o r m - r e l a t e d r u n o f f v o l u m e . E m p i r i c a l e q u a t i o n s a r e a l s o u t i l i z e d i n c a l c u l a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f fl o w . T h e R a t i o n a l F o r m u l a a n d t h e C R E A M S g e o m o r p h i c e q u a t i o n s a r e u s e d t o e s t i m a t e p e a k r u n o f f r a t e . P h y s i c a l - b a s e d m o d e l s i n c o r p o r a t e p h y s i c a l p r i n c i p l e s , i n c l u d i n g t h e l a w s f o r t h e c o n s e r v a t i o n o f m a s s a n d m o m e n t u m . T h e t w o p h y s i c a l - b a s e d m o d e l s f r o m t h e t a b l e i n c l u d e t h e K i n e m a t i c a n d D i f f u s i o n W a v e m o d e l s . 3 7 E E . . l E ] I I l l W a d T h e C N m e t h o d ( U S D A - S C S , 1 9 7 2 ) i s a r a i n f a l l e x c e s s e q u a t i o n w h i c h c a l c u l a t e s r u n o f f o n a r a i n s t o r m b a s i s . I t i s u s e d p r i m a r i l y a s a p l a n n i n g t o o l f o r d e s i g n i n g u p l a n d w a t e r r e t e n t i o n s t r u c t u r e s . I t i s r e p r e s e n t e d a s : . . 2 ( 2 . 1 2 ) 9 . 7 1 % w h e r e : Q = r u n o f f v o l u m e f r o m a r a i n s t o r m P = t o t a l r a i n s t o r m p r e c i p i t a t i o n I , = i n i t i a l a b s t r a c t i o n c o e f fi c i e n t S p o t e n t i a l m a x i m u m r e t e n t i o n T h e i n i t i a l a b s t r a c t i o n c o e f fi c i e n t ( I . ) r e p r e s e n t s l o s s e s o f r a i n w a t e r t o s u r f a c e d e p r e s s i o n , i n t e r c e p t i o n , e v a p o r a t i o n , a n d i n fi l t r a t i o n a n d w a s d e t e r m i n e d t h r o u g h r e s e a r c h t o e q u a l 0 . 2 8 ( S C S , 1 9 7 2 ) , t h u s : . 1 3 , ( r > - o . 2 s ) 2 ( 2 ) Q P + 0 . 8 3 T h e S C S ( 1 9 7 2 ) h a s c r e a t e d t a b l e s t o d e t e r m i n e a c u r v e n u m b e r v a l u e w h i c h i n t u r n i s r e l a t e d t o t h e S v a l u e . A p a r t i c u l a r c u r v e n u m b e r i s b a s e d u p o n c o n fi g u r a t i o n o f s o i l h y d r o l o g i c t y p e , v e g e t a t i v e c o v e r a n d a n t e c e d e n t s o i l m o i s t u r e c o n d i t i o n s . S i s r e l a t e d t o t h e c u r v e n u m b e r b y : 3 8 ( 2 . 1 4 ) S = 1 0 0 0 / C N - 1 0 . h . . R a t i n n a . L E n r m u l a A m o d i fi c a t i o n o f t h e r a t i o n a l f o r m u l a i s u s e d i n t h e S W R B B ( W i l l i a m s e t a l . 1 9 8 5 ) m o d e l t o e s t i m a t e p e a k fl o w r a t e s . I n i t s o r i g i n a l f o r m , t h e r a t i o n a l f o r m u l a i s e x p r e s s e d a s Q = C P A , w h e r e Q i s t h e p e a k d i s c h a r g e , C i s t h e r u n o f f c o e f fi c i e n t r e fl e c t i n g d r a i n a g e c h a r a c t e r i s t i c s , a n d P i s t h e a v e r a g e i n t e n s i t y o f r a i n f a l l o f s p e c i fi e d f r e q u e n c y f o r a d u r a t i o n e q u a l t o t h e t i m e o f c o n c e n t r a t i o n ( S i n g h , 1 9 8 8 ) . T h e S W R B B m o d i fi c a t i o n i s r e p r e s e n t e d b y : = ( a ) ( O ) ( A ) ( 2 ' 1 5 ) ‘ 7 ? 3 6 0 ( c c ) w h e r e : q , = p e a k r u n o f f r a t e a t = d i m e n s i o n l e s s p a r a m e t e r t h a t e x p r e s s e s t h e fi a c t i o n o f t o t a l r a i n f a l l t h a t o c c u r s d u r i n g t h e w a t e r s h e d t i m e o f c o n c e n t r a t i o n ( t , ) t . = t o t a l t i m e t o c o n c e n t r a t i o n f o r b o t h o v e r l a n d a n d c h a n n e l fl o w Q - = r u n o f f v o l u m e c a l c u l a t e d u s i n g C N m e t h o d A = w a t e r s h e d a r e a T i m e t o c o n c e n t r a t i o n i s c a l c u l a t e d s e p a r a t e l y f o r c h a n n e l a n d o v e r l a n d fl o w w i t h t h e f o l l o w i n g e m p i r i c a l e q u a t i o n s : ( 2 , 1 5 ) 1 ‘ : _ 0 . 6 2 ( L ) ( n ) ° ° " 5 c c ( A ) o . r z s ( 5 ) o . 3 7 5 3 9 ( 2 , 1 7 ) t a r — ( £ 2 ; - 1 8 ( S ) 0 . 3 w h e r e : t ” = - t i m e t o c o n c e n t r a t i o n f o r c h a n n e l fl o w t : = t i m e t o c o n c e n t r a t i o n f o r o v e r l a n d fl o w L - - l e n g t h o f c h a n n e l 1 = l e n g t h o f o v e r l a n d fl o w 1 1 = M a n n i n g s r o u g h n e s s c o e f fi c i e n t s = a v e r a g e c h a n n e l s l o p e s = a v e r a g e o v e r l a n d s l o p e G l . E l E . A N N - A G N P S i n c o r p o r a t e s a n e m p i r i c a l p e a k fl o w c a l c u l a t i o n ( S m i t h a n d W i l l i a m s , 1 9 8 0 ) u s e d b y t h e C R E A M S m o d e l t o c a l c u l a t e P e a k r u n o f f r a t e . T h e e q u a t i o n w a s c r e a t e d f r o m 3 0 4 s t o r m s o c c u r r i n g o n 5 6 w a t e r s h e d s l o c a t e d i n f o u r t e e n s t a t e s . T h e w a t e r s h e d s i z e s r a n g e d f r o m 0 . 2 7 5 t o 2 4 s q u a r e m i l e s . T h e e q u a t i o n i n c o r p o r a t e s w a t e r s h e d g e o m o r p h i c f e a t u r e s i n c l u d i n g t h e d r a i n a g e a r e a , c h a n n e l s l o p e , l e n g t h - w i d t h r a t i o f o r t h e w a t e r s h e d t o g e t h e r w i t h r u n o f f c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e C N m e t h o d . ( 2 . 1 8 ) q p , 2 0 0 ( D A ) 0 . 7 ( C S ) 0 . 1 5 9 ( O ) ( o . s r v m ° ' ° “ ‘ ) ( L W ) - o . 1 a v t ‘ A ‘ m ‘ A m e i j I ; A ( w h q 2 h . e a = 2 r 0 ) e : l d o i c s v , = l a t . 3 9 5 + 1 1 % ; + 9 3 % ‘ 9 ( S o ' s r ) a l d e r g c e h r a a l p i e t n h p fl o r e o f w fl u n o i t r a t w e w i d t h 4 0 w h e r e : Q q , 8 p e a k fl o w D A a d r a i n a g e a r e a C S 8 c h a n n e l s l o p e Q = r u n o f f v o l u m e L W = r a t i o o f w a t e r s h e d l e n g t h t o w i d t h W e l t T h e p h y s i c a l - b a s e d fl o w m o d e l s r e p r e s e n t e d i n t h e l i s t a r e d e r i v a t i v e s o f t h e S t . V e n a n t e q u a t i o n s w h i c h c o m b i n e l a w s o f c o n t i n u i t y a n d m o m e n t u m f o r fl o w i n o n e a n d t w o d i m e n s i o n ( C h o w , 1 9 8 8 ) . T h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n i s : 3 } ) a ( 2 . 1 9 ) D E I B g ' V P a n d t h e m o m e n t u m e q u a t i o n i s : 1 1 = v e l o c i t y o f fl o w g : 3 a c c e l e r a t i o n o f g r a v i t y r t . 9 ‘ 1 ‘ . { . 1 4 1 S . = b e d s l o p e S , = f r i c t i o n s l o p e x = d i s t a n c e t = 3 t i m e T h e d e r i v a t i v e m o d e l s r e p r e s e n t e d i n T a b l e 2 . 1 i n c l u d e t h e K i n e m a t i c W a v e a n d t h e D i f f u s i o n W a v e m o d e l s . B o t h m o d e l s i n c o r p o r a t e f e w e r t h a n t h e c o m p l e t e s e t o f p a r a m e t e r s f r o m t h e m o m e n t u m e q u a t i o n t o r e p r e s e n t o v e r l a n d a n d c h a n n e l fl o w . W T h e K i n e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f fl o w d e p t h a n d v e l o c i t y ( L i g h t h i l l a n d W i t h a m , 1 9 5 5 ; H e n d e r s o n a n d W o o d i n g , 1 9 6 5 ; W o o d i n g , 1 9 6 5 ) a s s u m e s t h a t t h e f r i c t i o n s l o p e a n d t h e o v e r l a n d o r c h a n n e l s l o p e f r o m t h e m o m e n t u m e q u a t i o n a r e e q u a l . I n a s s u m i n g 8 , , = S , , t h e m o m e n t u m e q u a t i o n c a n b e r e p l a c e d w i t h a d e p t h d i s c h a r g e r e l a t i o n s h i p f o r e v e r y p o i n t a l o n g t h e o v e r l a n d o r c h a n n e l s e g m e n t : ( 2 . 2 1 ) q = a . h " w h e r e : q = - fl o w d i s c h a r g e a t , = - s u r f a c e f r i c t i o n c o n s t a n t h 2 fl o w d e p t h m a c o n s t a n t p o w e r p a r a m e t e r . T h e C h e z y o r M a n n i n g s r e s i s t a n c e l a w c a n b e e m p l o y e d t o d e t e r m i n e t h e s u r f a c e f r i c t i o n c o n s t a n t . S u r f a c e f r i c t i o n i s c a l c u l a t e d w i t h : o r , = c , ( S . , ) ° - ’ , w h e r e m = 3 / 2 a n d c , i s t h e C h e z y f r i c t i o n f a c t o r . I t i s a l s o c a l u l a t e d w i t h o r , = l / n . S , ° ~ ’ , 4 2 w h e r e m = 5 / 3 a n d n . i s t h e M a n n i n g f r i c t i o n f a c t o r . A n u m b e r o f s t u d i e s d e t e r m i n e d t h a t t h e K i n e m a t i c a p p r o a c h w a s a p p r o p r i a t e f o r u s e i n m o d e l i n g o v e r l a n d fl o w a s w e l l a s c h a n n e l fl o w i n u p l a n d w a t e r s h e d s ( B r a k e n s i e k , 1 9 6 6 , W o o l h i s e r a n d L i g g e t t , 1 9 6 7 ) . O v e r l a n d a n d u p l a n d s m a l l c h a n n e l fl o w e x p e r i e n c e m i n i m a l b a c k f l o w a n d e d d y i n g e f f e c t s o n w a v e p r o p a g a t i o n . T h e K i n e m a t i c m o d e l ’ s r e p r e s e n t a t i o n o f c h a n n e l s l o p e f r o m t h e m o m e n t u m e q u a t i o n i s a s u f fi c i e n t a p p r o x i m a t i o n o f fl o w ( W o o l h i s e r a n d L i g g e t t , 1 9 6 7 ; C h o w , 1 9 8 8 ) . l I } . E fi . 1 ! ! F l o w i n c h a n n e l s w i t h m i l d e r b e d s l o p e s t h a t a r e l o c a t e d f u r t h e r d o w n i n t o t h e w a t e r s h e d c a n b e i m p a c t e d b y t h e a b o v e - m e n t i o n e d f a c t o r s o f b a c k fl o w a n d e d d y i n g . T h e d i f f u s i o n f o r m o f t h e S t . V e n a n t fl o w m o d e l a c c o u n t s f o r t h e s e e f f e c t s ( C h o w , 1 9 8 8 ) b y i n c l u d i n g t h e p r e s s u r e f o r c e t e r m f r o m t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n : ( 2 . 2 2 ) 9 % , T h e S H E m o d e l u t i l i z e s a t w o - d i m e n s i o n a l f o r m o f t h e d i f f u s i o n e q u a t i o n f o r o v e r l a n d fl o w a n d a o n e - d i m e n s i o n a l f o r m f o r c h a n n e l fl o w ( A b b o t t e t a l . 1 9 8 6 ) . 2 . 1 . 4 S o i l E r o s i o n S o i l d e t a c h m e n t a n d s o i l t r a n s p o r t a r e t h e t w o b a s i c s o i l e r o s i o n p r o c e s s e s i d e n t i fi e d b y E l l i s o n ( 1 9 4 7 ) . B o t h p r o c e s s e s a r e a s s o c i a t e d w i t h i d e n t i fi a b l e u p l a n d w a t e r s h e d f e a t u r e s o f i n t e r l i l l o v e r l a n d fl o w a r e a s a n d r i l l s ( F o s t e r , 1 9 7 1 ; M e y e r e t a l . , 1 9 7 5 ) . D e t a c h m e n t a n d t r a n s p o r t p r o c e s s e s a l s o o c c u r i n c o n c e n t r a t e d fl o w 4 3 c h a n n e l s ( F o s t e r , 1 9 8 2 ) . W i t h i n t h e i n t e r r i l l s e d i m e n t s o u r c e a r e a , s o i l p a r t i c l e s a r e d e t a c h e d b y r a i n d r o p i m p a c t . T h e r a i n f a l l d e t a c h e d s o i l p a r t i c l e s b e c o m e a v a i l a b l e t o r a i n w a t e r e n t r a i n m e n t a n d a r e t r a n s p o r t e d t o r i l l s b y t h i n l a y e r s o f s u r f a c e fl o w . O v e r l a n d fl o w i n t h e i n t e r r i l l a r e a t r a n s p o r t s s e d i m e n t s t o t h e r i l l s r a t h e r t h a n c a u s i n g a d d i t i o n a l d e t a c h m e n t f r o m s h e a r s t r e s s f o r c e s ( Y o u n g a n d W i e r s m a , 1 9 7 3 ) . W h e n s h e a r s t r e s s a s s o c i a t e d w i t h c o n c e n t r a t e d fl o w i n r i l l s e x c e e d s s o i l c r i t i c a l s h e a r , d e t a c h m e n t o f s o i l p a r t i c l e s a l o n g t h e fl o w p a t h o c c u r s , t h u s f o r m i n g e v e r - l a r g e r r i l l s . D e p o s i t i o n o f s e d i m e n t s o r i g i n a t i n g f r o m i n t e r r i l l a r e a s a n d u p — s l o p e r i l l s o c c u r s w i t h i n t h e r i l l i f t h e t r a n s p o r t c a p a c i t y o f t h e fl o w f a l l s b e l o w t h e s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n . F a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e t h e r a t e o f i n t e r r i l l a n d r i l l e r o s i o n i n c l u d e : s o i l e r o d i b i l i t y , s o i l t r a n s p o r t a b i l i t y , a n t e c e d e n t s o i l m o i s t u r e , s l o p e , s l o p e l e n g t h , v e g e t a t i v e c o v e r , l i t t e r , r a i n f a l l a m o u n t , r a i n f a l l i n t e n s i t y , r a i n f a l l d u r a t i o n , a n d h u m a n f a c t o r s ( B e n n e t t , 1 9 7 4 ) . C h a n n e l s a n d g u l l i e s a r e c o n s i d e r e d a s e p a r a t e f e a t u r e f r o m r i l l s . O n e d e fi n i t i o n f o r w a r d e d i s t h a t r i l l s , a s o p p o s e d t o c h a n n e l s a n d g u l l i e s , c a n b e o b l i t e r a t e d b y n o r m a l fi e l d m a n a g e m e n t p r a c t i c e s ( H u t c h i n s o n e t a l . , 1 9 7 6 ) . F o s t e r ( 1 9 8 2 ) h o w e v e r , s t a t e s t h a t d i s t i n c t i o n o f t h e t h r e e f e a t u r e s m u s t b e b a s e d o n t h e d o m i n a n t p r o c e s s t a k i n g p l a c e w i t h i n e a c h f e a t u r e . O n e m a j o r p r o c e s s d i s t i n c t i o n f o r w a r d e d b y F o s t e r ( 1 9 8 2 , p . 2 5 2 ) i s t h a t c o n c e n t r a t e d c h a n n e l fl o w c a n e r o d e t h e c h a n n e l b e d t o w a r d a n “ e q u i l i b r i u m s h a p e “ d e fi n e d i n p a r t b y d e p t h t o a l e s s e r o d i b l e s o i l l a y e r . B e c a u s e o f t h e c o m p l e x i t y o f c h a n n e l e r o s i o n p r o c e s s e s , m o s t m o d e l s 4 4 r e p r e s e n t r i l l s a n d c h a n n e l s i n a s i m i l a r f a s h i o n . F a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e c h a n n e l e r o s i o n p r o c e s s e s i n c l u d e ; i n fl o w f r o m u p s t r e a m a r e a s , s o i l e r o d i b i l i t y , s o i l t r a n s p o r t a b i l i t y , n o n e r o d i b l e l a y e r , v e g e t a t i v e c o v e r , c h a n n e l s i d e w a l l s t a b i l i t y , c h a n n e l a l i g n m e n t a n d c h a n n e l c o n t r o l s t r u c t u r e s ( F o s t e r , 1 9 8 2 ) . T h e l i s t o f m o d e l s i n T a b l e 2 . 1 c o n t a i n s e m p i r i c a l a n d p h y s i c a l - b a s e d m o d e l s f o r r e p r e s e n t i n g t h e e r o s i o n p r o c e s s i n o v e r l a n d a n d c h a n n e l f e a t u r e s . M o s t a l l t h e p h y s i c a l - b a s e d e r o s i o n m o d e l s i m p l e m e n t e s s e n t i a l l y t h e s a m e m a t h e m a t i c a l r e p r e s e n t a t i o n f o r r i l l a n d c h a n n e l fl o w . C R E A M S i s t h e o n l y m o d e l t h a t a c c o u n t s f o r d y n a m i c c h a n n e l c u t t i n g p r o c e s s e s . O n e o f t h e m o d e l s , A G N P S , c o m b i n e s a s t a t i s t i c a l o v e r l a n d e r o s i o n m o d e l w i t h a p h y s i c a l - b a s e d c h a n n e l t r a n s p o r t m o d e l . T h e p h y s i c a l - b a s e d m o d e l s c a n b e s u b d i v i d e d i n t o t h o s e w h i c h i n c o r p o r a t e e m p i r i c a l - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s t o r e p r e s e n t p h y s i c a l f e a t u r e s ( f u n d a m e n t a l e r o s i o n m o d e l s ) a n d t h o s e u s i n g p h y s i c a l p a r a m e t e r s . F u n d a m e n t a l e r o s i o n m o d e l s a r e r e p r e s e n t e d b y t h e C R E A M S a n d A N S W E R S m o d e l s , w h i l e K I N E R O S a n d W E P P i m p l e m e n t a m o r e p h y s i c a l - b a s e d a p p r o a c h . E E . . l E . I l l l 1 1 ' 1 5 ' ” E . 3 1 5 1 5 1 T h e U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n ( U S L E ) i s a n e m p i r i c a l - b a s e d f o r m u l a d e v e l o p e d f r o m r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f o v e r 1 0 , 0 0 0 p l o t y e a r s o f d a t a f r o m b o t h n a t u r a l a n d a r t i fi c i a l r a i n f a l l s i m u l a t i o n ( V V l s h m e i e r a n d S m i t h , 1 9 7 8 ) . T h e U S L E w a s d e v e l o p e d a s a r e s o u r c e p l a n n i n g t o o l t o e s t i m a t e a v e r a g e a n n u a l s o i l e r o s i o n w h e n c o m p a r i n g a g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n t p l a n s t o c o n t r o l e r o s i o n a n d p r o t e c t s o i l 4 5 p r o d u c t i v i t y . T h e a v e r a g e a n n u a l e r o s i o n v a l u e i s c a l c u l a t e d b y c r o s s - m u l t i p l y i n g fi v e e m p i r i c a l - b a s e d c o e f fi c i e n t s : ( 2 . 2 3 ) A = R K L S C P w h e r e : A = a v e r a g e a n n u a l e r o s i o n R - r a i n f a l l e n e r g y f a c t o r , w h i c h c o m b i n e s e r o s i v i t y o f r a i n f a l l a n d r u n o f f K a s o i l e r o d i b i l i t y L S - l e n g t h s l o p e f a c t o r C = c r o p p i n g m a n a g e m e n t o r v e g e t a t i v e c o v e r f a c t o r P a e r o s i o n c o n t r o l f a c t o r T h e U S L E h a s b e e n w i d e l y a p p l i e d i n b o t h s o i l c o n s e r v a t i o n a n d w a t e r q u a l i t y m a n a g e m e n t . H o w e v e r , t h e p r e d i c t i n g c a p a b i l i t i e s o f t h e m o d e l a r e l i m i t e d a n d t h u s i t s h o u l d o n l y b e a p p l i e d t o c o n s e r v a t i o n p l a n n i n g e f f o r t s . F o s t e r ( 1 9 8 2 ) s u m m a r i z e s t h e l i m i t a t i o n s o f t h e U S L E : ( 1 ) i t d o e s n o t c a l c u l a t e s o i l l o s s f o r a s i n g l e s t o r m e v e n t , ( 2 ) b e c a u s e i t i s a n e r o s i o n e q u a t i o n , i t d o e s n o t e s t i m a t e d e p o s i t i o n a n y w h e r e w i t h i n t h e fi e l d , a n d ( 3 ) g u l l y a n d c h a n n e l e r o s i o n a r e n o t i n c l u d e d . S e v e r a l a d j u s t m e n t s t o t h e b a s i c m o d e l h a v e b e e n m a d e s o t h a t i t i s m o r e c a p a b l e o f r e p r e s e n t i n g s i n g l e s t o r m e r o s i o n r e q u i r e d f o r w a t e r q u a l i t y m o d e l i n g . A C I ' M O i n c o r p o r a t e s a m o d i fi c a t i o n t o t h e U S L E d e v e l o p e d b y F o s t e r e t a 1 . ( 1 9 7 7 ) w h e r e t h e U S L E R f a c t o r i s u p d a t e d t o a c c o u n t f o r t h e i n fl u e n c e o f i n d i v i d u a l s t o r m r u n o f f : 4 6 ( 2 . 2 4 ) R . = 0 . 5 R ‘ + 0 . 3 5 V . Q , ” w h e r e : R . - m o d i fi e d R f a c t o r R . . = E 1 3 , , t h e s t o r m m a x i m u m 3 0 m i n u t e r a i n f a l l i n t e n s i t y V . = r u n o f f v o l u m e Q , = p e a k r u n o f f r a t e T h e R f a c t o r i s r e m o v e d c o m p l e t e l y i n t h e M o d i fi e d U S L E ( M U S L E ) ( W i l l i a m s , 1 9 7 5 ) u s e d i n L A N D R U N a n d S W R B B . T h e R f a c t o r i s r e p l a c e d b y a r u n o f f - e r o s i v i t y f a c t o r , w h i c h e m p h a s i z e s t h e i m p o r t a n c e o f r u n o f f c a u s i n g e r o s i o n o v e r r a i n f a l l . ( 2 . 2 5 ) A = 1 1 . 8 ( V . Q , , ) " * ’ 6 K C P 1 . 8 B o t h m o d i fi c a t i o n s t o t h e U S L E r e q u i r e t h e p r e - c a l c u l a t i o n o f h y d r o l o g i c p a r a m e t e r s f o r o v e r l a n d r u n o f f . l B . 1 1 1 ° 1 5 ' ” E . [ 3 1 1 5 1 5 ] T h e R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n ( R U S L E ) r e p r e s e n t s a r e c e n t u p d a t e i n t h e U S L E t e c h n o l o g y ( R e n a r d e t a l . , 1 9 9 1 ) . R U S L E r e t a i n s t h e fi v e U S L E e m p i r i c a l - b a s e d f a c t o r s , u t i l i z i n g t h e m i n t h e s a m e m u l t i p l i c a t i v e p r o c e d u r e . T h e fi n a l f a c t o r v a l u e s u s e d i n c a l c u l a t i n g a v e r a g e a n n u a l e r o s i o n , h o w e v e r , a r e d e r i v e d b y s u m m i n g fi f t e e n - d a y s u b - f a c t o r v a l u e s t h a t b e t t e r r e p r e s e n t t e m p o r a l c h a n g e s i n c l i m a t i c p a t t e r n s a n d f a r m m a n a g e m e n t p r a c t i c e s . T a b l e 2 . 2 r e p r e s e n t s t h e m a j o r m o d i fi c a t i o n s m a d e i n R U S L E . - - l L " ‘ . 2 r 2 ‘ " 4 4 7 T a b l e 2 . 2 R U S L E C h a n g e s R F a c t o r A c c o u n t s f o r s e a s o n a l v a r i a b i l i t y o f r a i n s t o r m s . M o r e c o m p l e t e a n d d e t a i l e d i s o e r o d e n t m a p s d e r i v e d f r o m m o r e r e c o r d i n g s t a t i o n s . X F a c t o r F a c t o r n o w v a r i e s s e a s o n a l l y , r e fl e c t i n g t h e i n fl u e n c e o f f r e e z e t h a w c y c l e s , r a i n f a l l c o m p a c t i o n . R o c k s w i t h i n t h e s o i l p r o fi l e a d d r e s s e d a n d a d j u s t m e n t s m a d e t o r e f l e c t c o i l p e r m e a b i l i t y . L S F a c t o r I n c o r p o r a t e s c o m p l e x m a i d - s e g m e n t e d h i l l s i d e s w i t h v a r y i n g s l o p e . I C F a c t o r F o u r C s u b - f a c t o r s i n c o r p o r a t e d : p r i o r l a n d u s e , c a n o p y , g r o u n d c o v e r a n d m r f s c e r o u g h n e s s . S o i l l o s s r a t i o ( S L R ) d e t e r m i n e d o n 1 5 - d a y b a s i s , w i t h fi n a l C v a l u e b a s e d o n w e i g h t e d d i s t r i b u t i o n o f S L R s t h r o u g h y e a r . I P F a c t o r M o r e a c c l r r c t e f a c t o r b a s e d o n b e t t e r d e s c r i p t i o n o f c o n s e r v a t i o n p r a c t i c e . T h e R f a c t o r i n R U S L E r e fl e c t s t h e i m p a c t o f r a i n f a l l o n t w o s e p a r a t e e r o s i o n m e c h a n i s m s , e r o s i o n f r o m r a i n s p l a s h a n d e r o s i o n o c c u r r i n g d u e t o r u n o f f g e n e r a t e d f r o m t h e r a i n e v e n t . T h e e n e r g y i n t e n s i t y v a l u e ( E I ) i s t h e p r o d u c t o f t h e t o t a l s t o r m e n e r g y ( E ) a n d t h e 3 0 m i n u t e i n t e n s i t y o f t h e r a i n e v e n t ( 1 , 0 ) : ( E 1 = 1 , 0 E ) . I n R U S L E E i s c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 2 . 2 6 ) E = 1 0 9 9 [ 1 - 0 . 7 2 e " m ° ] w h e r e : i = t h e t o t a l s t o r m r a i n f a l l i n t e n s i t y . L o n g - t e r m r a i n f a l l e r o s i v i t y R v a l u e s a r e c a l c u l a t e d w i t h : . 1 ( 2 2 7 ) ( 3 1 m ) 1 w h e r e : i = v a l u e s o f E 1 3 0 f o r a p a r t i c u l a r s t o r m j = n u m b e r o f s t e m s 4 8 N = y c a r p e r i o d T h e K f a c t o r i n R U S L E r e p r e s e n t s t h e c a p a c i t y o f t h e s o i l t o e r o d e u n d e r n a t u r a l f o r c c s o f r a i n f a l l i m p a c t , r u n o f f a n d i n fi l t r a t i o n . A K f a c t o r v a l u e c a n b e d e t e r m i n e d b y r e l a t i n g t h e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l t o s o i l l o s s p e r r a i n f a l l e r o s i o n i n d e x u n i t ( R o m k e n s e t a l . , 1 9 9 1 ) . A K f a c t o r v a l u e h a s b e e n d e t e r m i n e d f o r m a n y o f t h e m a p p e d s o i l s i n t h e U S . T h e s e v a l u e s c a n b e f o u n d i n U S D A c o u n t y s o i l s u r v e y s . E m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p s h a v e b e e n d e v e l o p e d u s i n g p h y s i c a l s o i l c h a r a c t e r i s t i c s t o e s t i m a t e K . R U S L E u t i l i z c s t h e e q u a t i o n f o r w a r d e d b y W i s c h m e i e r a n d S m i t h ( 1 9 7 8 ) t o c a l c u l a t e K g i v e n t h e a v a i l a b i l i t y o f s o i l t e x t u r a l i n f o r m a t i o n . T h i s e q u a t i o n a p p r o x i m a t e s t h e s o i l e r o d i b i l i t y n o m o g r a p h d e v e l o p e d b y W i s c h m e i e r e t a l . ( 1 9 7 1 ) . ( 2 . 2 8 ) K = [ 2 . 1 * 1 0 4 ( 1 2 - 0 M ) M 1 - " + 3 . 2 5 ( s - 2 ) + 2 . 5 ( p - 3 ) ] / 1 o o w h e r e : O M = p e r c e n t o r g a n i c m a t t e r M - = t h e p r o d u c t o f t h e p r i m a r y p a r t i c l e s i z e f r a c t i o n s 3 = c o d e f o r s t r u c t u r e p - c o d e f o r p c r m c a b i l i t y T h e p r e s e n c e o f r o c k f r a g m e n t s i n t h e s o i l p r o fi l e a l t e r s t h e s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f t h e s o i l w h i c h i n t u r n i n fl u e n c c s i n fi l t r a t i o n , r u n o f f a n d s o i l e r o s i o n b y o v e r l a n d fl o w . T h e K f a c t o r i n c l u d e s t h e i m p a c t o f r o c k f r a g m e n t s w i t h t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p ( B r a k e n s i e k e t a l . , 1 9 8 6 ) : ( 2 . 2 9 ) K J I Q = ( l - R . ) ( 2 . 3 2 ) K _ , / K . _ = 1 0 4 1 0 0 5 0 2 ) 4 9 w h e r e : K . = s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f s o i l w i t h r o c k f r a g m e n t s K , = s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f t h e fi n e s o i l f r a c t i o n 1 L , = = p e r c e n t b y w e i g h t o f r o c k f r a g m e n t s C h a n g e i n h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y c a n b e r e l a t e d t o a c h a n g e i n p e r m e a b i l i t y c l a s s ( R a w l s e t a l . , 1 9 8 2 ) , w h i c h i n t u r n i s r e l a t e d t o a c h a n g e i n K f a c t o r v a l u e . A s h i f t t o a l a r g e r p e r m e a b i l i t y c l a s s f r o m a d e c r e a s e i n s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y w i l l c a u s e a n i n c r e a s e i n K f a c t o r v a l u e . K f a c t o r v a l u e s i n R U S L E a r e s e a s o n a l , v a r y i n g d e p e n d i n g u p o n t h e i n fl u e n c e o f s o i l f r e e z i n g , s o i l t e x t u r e a n d a n t e c e d e n t s o i l w a t e r ( R o m k e n s e t a l . , 1 9 9 1 ) . K f a c t o r v a l u e i s h i g h e s t f o l l o w i n g s o i l t h a w a n d t h e b e g i n n i n g o f t h e f r o s t - f r e e s e a s o n , a n d d e c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y t o a m i n i m u m v a l u e c l o s e t o t h e fi r s t f r o s t d a t e a t t h e e n d o f t h e f r o s t - f r e e g r o w i n g s c a s o n . I n l o c a t i o n s w i t h m i n i m a l o r n o s o i l f r e e z i n g , m a x i m u m a n d m i n i m u m e r o d i b i l i t y v a l u e s a r e r e l a t e d t o l o w a n d h i g h r a i n f a l l p e r i o d s . C a l c u l a t i n g s e a s o n a l K v a l u e s i n R U S L E r e q u i r e s k n o w i n g w h e n m a x i m u m a n d m i n i m u m s o i l e r o d i b i l i t y o c c u r s , t h e c o r r e s p o n d i n g K v a l u e s a n d a b a s e K v a l u e d e t e r m i n e d f r o m t h e s o i l e r o d i b i l i t y n o m o g r a p h . T h e s e v a l u e s c a n b e c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p s : ( 2 . 3 0 ) t . . . = 1 5 4 - 0 . 4 4 ( R ) ( 2 . 3 1 ) t . . . = t . . . “ + G S 5 0 ( 2 . 3 3 ) K u / K i . = 8 . 6 0 — 0 . 0 1 9 ( R ) w h e r e : t m , = I I I j u l i e n d a t e o f m a x i m u m K v a l u e t _ , . = j u l i c n d a t e o f m i n i m u m K v a l u e K . . . = m a x i m u m K v a l u e K . . . a m i n i m u m K v a l u e K . . . - K v a l u e f r o m s o i l e r o d i b i l i t y n o m o g r a p h R = R a i n f a l l - R u n o f f e r o s i v i t y f a c t o r v a l u e G S = n u m b e r o f f r o s t - f r e e d a y s T w o d i f f e r e n t K f a c t o r s c e n a r i o s c a n b e c a l c u l a t e d b a s e d u p o n w h e n i n t h e y c a r t h e m a x i m u m d a t e K v a l u e o c c u r s r e l a t i v e t o t h e m i n i m u m v a l u e . I n t h e n o r t h e r n U S , w h e r e a f r o s t p e r i o d i s e x p e r i e n c e d , t . . . w i l l b e l e s s t h a n t . . . I n a r e a s o f t h e U S n o t e x p e r i e n c i n g f r o s t , t _ , c a n b e g r c a t e r t h a n t _ , _ d e p e n d i n g o n t h e t i m i n g o f w e t a n d d r y p e r i o d s o f t h e y c a r . T h e c a l c u l a t i o n s f o r b o t h s c e n a r i o s a r e o u t l i n e d b e l o w : A . w h e n t . . . < t . . . ( 1 H . . . < t r < t n . ( 2 - 3 4 ) K = R W M “ ( 2 ) h < I n 0 1 ’ t : > t . — w h e n a v e r a g e t e m p e r a t u r e > 2 7 d e g . F ( 2 . 3 5 ) K i . _ . M e n m + m ( 2 . 3 6 ) 5 = 1 i f ( t , « - t _ - _ ) s 0 ( w 2 h . 3 e 7 n ) a v B r e . a w g e h e t t t n ( e 1 m t ) p e _ t , m r a a > x u r e < 2 7 d e _ h > t i > t a r . 6 g = 0 i . F : f K ( , t r = t . K a ) > 0 . . . 5 1 w h e n a v e r a g e t e m p e r a t u r e > 2 7 d e g . F ( 2 3 8 ) K . - = K fi e m ' w w h e n a v e r a g e t e m p e r a t u r e < 2 7 d e g . F : K , = K . “ ( 2 ) i s > t i n o r t : < i n . ( 2 - 3 9 ) K i = R W M * W “ ( 2 . 4 0 ) 6 = 1 i f ( t , - t _ , , ) s 0 ( 2 . 4 1 ) 5 = 0 i f ( t i - t n ) > O I f h o w e v e r : K 0 1 9 “ t h e n K a = K m K K K . . . t h e n K a = K . - . R U S L E i s c a p a b l e o f d e t e r m i n i n g t h e L S f a c t o r f o r b o t h s i m p l e s l o p e s r e p r e s e n t e d b y o n e c o n s t a n t p e r c e n t s l o p e , a s w e l l a s h i l l s i d e s w i t h m u l t i p l e s l o p e s e g m e n t s ( M c C o o l e t a l . , 1 9 9 1 ) . T h e s i m p l e c a s e L S f a c t o r i s c a l c u l a t e d b y fi r s t d e t e r m i n i n g t h e L s u b f a c t o r : ( 2 . 4 2 ) L = ( ) t / 7 2 . 6 ) ' l l w h e r e : L = U S L E L f a c t o r A = = = s l o p e l e n g t h E d n a ‘ s - r m _ 1 - - ‘ - . ‘ u » . x — . . 1 : 4 . 5 2 m = - v a r i a b l e s l o p e l e n g t h e x p o n e n t T h e S s u b f a c t o r i s c a l c u l a t e d d i f f e r e n t l y f o r s l o p e s l e s s t h a n a n d g r c a t e r t h a n 9 p e r c e n t : ( 2 . 4 3 ) S 8 1 0 . 8 s i n 0 + 0 . 0 3 s < 9 % ( 2 . 4 4 ) S = 1 6 . 8 s i n 0 = 0 . 5 0 s > 9 % T h e fi n a l L S f a c t o r f o r t h e s i m p l e s l o p e i s d e t e r m i n e d b y m u l t i p l y i n g L * S . C o m p l e x h i l l s i d e s w i t h m u l t i p l e s l o p e s o f v a r y i n g l e n g t h s a r e c a l c u l a t e d fi r s t b y d e l i n e a t i n g t h e h i l l s i d e i n t o s e g m e n t s w i t h e q u a l l e n g t h s . T h e f o l l o w i n g e q u a t i o n i s t h e n u s e d t o d e t e r m i n e L S f o r c a c h s e g m e n t . L S f o r t h e e n t i r e h i l l s l o p e i s t h e s u m o f L S f o r e a c h s e g m e n t . ( 2 . 4 5 ) L S , = S , x ' [ i ' * ‘ - ( i - l ) ' * ‘ ] / ( 7 2 . 6 ) ' w h e r e : L S , 8 t h e e f f e c t i v e L S f o r t h e i t h s e g m e n t x a l e n g t h o f c a c h s e g m e n t T h e R U S L E C f a c t o r c a l c u l a t i o n s a r e t h e m o s t d e t a i l e d . M a n a g e m e n t a n d v e g e t a t i v e i m p a c t s o n e r o s i o n r a t e s a r e r e p r e s e n t e d t h r o u g h t h e s o i l l o s s r a t i o ( S L R ) . T h e S L R v a l u e i s r e fl e c t i v e o f d a i l y fi e l d c o n d i t i o n c h a n g e s b r o u g h t a b o u t b y a p a r t i c u l a r m a n a g e m e n t p r a c t i c e a n d m o d i fi e d b y w c a t h c r c o n d i t i o n s . T h e S L R i s d e r i v e d f r o m f o u r s u b f a c t o r s ( Y o d e r e t a l . , 1 9 9 1 ) : ( 2 . 4 6 ) S L R = P L U * C C * S C * S R a ! S i ” w h e r e t h e P L U i s t h e p r i o r l a n d u s e s u b f a c t o r , C C i s t h e c a n o p y c o v e r s u b f a c t o r , S C i s t h e s u r f a c e c o v e r s u b f a c t o r , a n d S R i s t h e s u r f a c e r o u g h n e s s s u b f a c t o r . 5 3 T h e P L U r e p r e s e n t s t h e i m p a c t o f s u b s u r f a c e r e s i d u e f r o m p e r v i o u s c r o p s a n d t h e e f f e c t o f p r e v i o u s t i l l a g e p r a c t i c e s o n s o i l c o n s o l i d a t i o n . P L U i s c a l c u l a t e d b y : ( 2 . 4 7 ) P L U = c , e x p ( - c B . ) w h e r e : c , = s u r f a c e s o i l c o n s o l i d a t i o n f a c t o r d e c r e a s i n g e x p o n e n t i a l l y f r o m a v a l u e o f 1 . 0 a t a t i l l a g e p r a c t i c e t o 0 . 4 5 s e v e n y e a r s l a t e r ( D i s s m e y c r a n d F o s t e r , 1 9 8 1 ) B . = m a s s o f l i v e a n d d e a d r o o t s a n d b u r i e d r e s i d u e f o u n d i n t h e u p p e r f o u r i n c h e s o f t h e s o i l T h e C C s u b f a c t o r r e p r e s e n t s t h e a b i l i t y o f c r o p c o v e r t o p r o t e c t t h e s o i l s u r f a c e f r o m e r o s i v e p o w e r s o f r a i n d r o p s . C C i s d e t e r m i n e d w i t h t h e e q u a t i o n : ( 2 . 4 8 ) C C = l - F c e x p ( - 0 . 1 H ) w h e r e : F , = t h e f r a c t i b n o f l a n d s u r f a c e c o v e r e d b y c a n o p y H = t h e h e i g h t o f t h e c a n o p y T h e S C s u b f a c t o r i n fl u e n c e s e r o s i o n r a t e s b y r e d u c i n g t h e t r a n s p o r t c a p a c i t y o f w a t e r fl o w i n g o v e r t h e s o i l s u r f a c e b y c r e a t i n g b a r r i e r s t o fl o w . S u r f a c e c o v e r a l s o a c t s a s a p r o t e c t i o n t o t h e s o i l f r o m r a i n d r o p i m p a c t . ( 2 . 4 9 ) S C = e x p l - b S , ( 0 . 2 4 / R , ) ° ' ° ' ] w h e r e : b = c o e f fi c i e n t r e p r e s e n t i n g t h e e f f e c t i v e n e s s o f s u r f a c e c o v e r i n r e d u c i n g s o i l e r o s i o n S , a p e r c e n t a g e o f l a n d a r e a c o v e r e d b y s u r f a c e c o v e r 5 4 R , = s o i l s u r f a c e r o u g h n e s s T h e S R s u b f a c t o r r e p r e s e n t s t h e r o u g h n e s s o f t h e s u r f a c e a n d i t s a b i l i t y t o d a m p e n s o i l e r o s i o n . S o i l s t h a t h a v e b e e n t i l l e d c o n t a i n d e p r e s s i o n s a n d b a r r i e r s i n h i b i t i n g t h e fl o w o f w a t e r a n d t h e t r a n s p o r t o f s e d i m e n t s . S R i s c a l c u l a t e d b y : ( 2 . 5 0 ) S R = e x p [ - 0 . 0 2 6 5 ( R , - 1 . 2 4 ) ] T h e P f a c t o r i s c a l c u l a t e d b a s e d u p o n t h e t y p e o f c o n s e r v a t i o n p r a c t i c e t a k i n g p l a c e o n t h e h i l l s i d e . C o n s e r v a t i o n p r a c t i c e s m o d e l e d i n R U S L E i n c l u d e c o n t o u r i n g , s t r i p c r o p p i n g , a n d t e r r a c i n g . P f a c t o r c a l c u l a t i o n s a r e b a s e d u p o n p l a c e m e n t a n d c o n fi g u r a t i o n o f t h e p r a c t i c e w i t h i n t h e h i l l s l o p e a n d h o w i t a f f e c t s t h e h y d r a u l i c s o f o v e r l a n d fl o w , w h i c h i n t u r n i n fl u e n c e s t h e s e d i m e n t t r a n s p o r t c a p a c i t y o f t h e r u n o f f . T h e P f a c t o r a l g o r i t h m s f o r R U S L E w e r e d e v e l o p e d b y c o m b i n i n g p h y s i c a l - b a s e d e r o s i o n t h e o r y w i t h a n a l y s i s o f e x p e r i m e n t a l d a t a ( F o s t e r e t a l . , 1 9 9 1 ) . T h e c o n t o u r p l o w i n g P s u b f a c t o r w a s d e v e l o p e d b y c o n s i d e r i n g r i d g e h e i g h t , t h e e f f e c t s o f r a i n s t o r m i n t e n s i t y a n d t h e i m p a c t o f o f f - c o n t o u r t i l l a g e . A b a s e P v a l u e i s fi r s t d e t e r m i n e d f o r t h r e e s e p a r a t e r i d g e h e i g h t c o n d i t i o n s u s i n g e q u a t i o n s d e r i v e d f r o m fi t t i n g c u r v e s t o o b s e r v e d d a t a ( F o s t e r e t a l . 1 9 9 1 ) : ( 2 . 5 1 ) P , = a ( s . I - s ) ” + P . . . s c < s I l l ( 2 . 5 2 ) P . = c ( s , - s _ ) ‘ + P . . . s e 2 s . ( 2 . 5 3 ) P , = 1 . 0 s c 2 s e w h e r e : P . = b a s e P v a l u e s . = s l o p e w h e r e c o n t o u r i n g h a s g r e a t e s t e f f e c t 5 5 s . = a c t u a l s l o p e s , = s l o p e a b o v e w h i c h c o n t o u r i n g i s i n e f f e c t i v e P . = m i n i m u m P v a l u e f o r a g i v e n r i d g e h e i g h t a , b , c , d = c o e f fi c i e n t s T h e b a s e P v a l u e i s t h e n a d j u s t e d a c c o r d i n g t o t h e s e v e r i t y o f r a i n s t o r m a s r e p r e s e n t e d i n t h e e n e r g y i n t e n s i t y v a l u e ( E l ) . ( 2 . 5 4 ) P , = 1 . 0 - e “ ' " " ” ’ " ° ° ' ° E I w h e r e : P , = a d j u s t e d b a s e P f a c t o r v a l u e P = b a s e P f a c t o r v a l u e T h e P f a c t o r i s n e x t a d j u s t e d t o a c c o u n t f o r t h e o f f - g r a d e c o n t o u r i n g u t i l i z i n g t h e e q u a t i o n : I ( 2 . 5 5 ) P , = P , + ( 1 - P . ) ( S , / S . ) % ’ w h e r e : P , = P f a c t o r a c c o u n t i n g f o r o f f - g r a d e e f f e c t S , = g r a d e a l o n g t h e f u r r o w s S . = s l o p e o f h i l l s i d e P f a c t o r v a l u e s f o r s t r i p e r o p p i n g w e r e d e t e r m i n e d w i t h a n e m p i r i c a l e q u a t i o n r e p r e s e n t i n g s i m u l a t e d o u t p u t r e s u l t s f r o m a s i m p l e e r o s i o n - d e p o s i t i o n a l m o d e l ( R e n a r d a n d F o s t e r , 1 9 8 3 ) . T h r e e c a s e s o f s t r i p e f f e c t i v e n e s s w e r e d e t e r m i n e d : ( 1 ) e r o s i o n o c c u r r i n g e v e r y w h e r e a l o n g t h e s l o p e , ( 2 ) b o t h d e p o s i t i o n a n d e r o s i o n o c c u r r i n g w i t h i n a s t r i p , a n d ( 3 ) d e p o s i t i o n o c c u r r i n g o v e r t h e e n t i r e s l o p e . M o d e l 5 6 i n p u t d a t a r e q u i r e d a s p a r a m e t e r s i n t h e e m p i r i c a l e q u a t i o n i n c l u d e : t y p e o f t i l l a g e p r a c t i c e f o r a r e a b e t w e e n s t r i p s , n u m b e r o f s t r i p s i n fi e l d , s t r i p w i d t h , l a n d s l o p e , a n d n u m b e r o f c r o p y e a r s a s s o c i a t e d w i t h s t r i p ( F o s t e r e t a l . , 1 9 9 1 ) . A P f a c t o r v a l u e f o r t e r r a c e s i s d e t e r m i n e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s : ( 2 . 5 6 ) P y = 0 . 1 e " " s < 0 . 9 % ( 2 . 5 7 ) P y = 1 . 0 s 2 0 . 9 % w h e r e : P y = s e d i m e n t d e l i v e r y f a c t o r s = t h e t e r r a c e s l o p e g r a d e T h e s e d i m e n t d e l i v e r y f a c t o r i s i n c o r p o r a t e d i n t o : ( 2 . 5 8 ) P = l - B ( l - P y ) w h e r e B i s a p a r a m e t e r r e fl e c t i n g d e p o s i t i o n a l c a p a c i t y a s a f u n c t i o n o f t e r r a c e s p a c i n g a n d l - P y i s t h e a m o u n t o f d e p o s i t i o n o c c u r r i n g . P s u b f a c t o r v a l u e s f o r r i d g e h e i g h t , s t r i p c r o p s a n d t e r r a c e s a r e m u l t i p l i e d t o g e t h e r t o a r r i v e a t a fi n a l P f a c t o r v a l u e . D l ' B . T h e s e d i m e n t d e l i v e r y r a t i o ( D R ) r e p r e s e n t s m a t h e m a t i c a l l y t h e r a t i o o f t h e s e d i m e n t y i e l d a t t h e w a t e r s h e d o u t l e t t o t h e s u m o f e r o d e d s e d i m e n t s w i t h i n t h e w a t e r s h e d . I t i s s h o w n i n i t s s i m p l e s t f o r m a s : ( 2 . 5 9 ) D R = S J E , w h e r e : D R = d e l i v e r y r a t i o 5 7 S , = s e d i m e n t y i e l d E . - = g r o s s e r o s i o n R e n f r o ( 1 9 7 5 ) a n d R o e h l ( 1 9 6 2 ) h a v e i d e n t i fi e d a n u m b e r o f f a c t o r s c o n t r o l l i n g s e d i m e n t d e l i v e r y , i n c l u d i n g s e d i m e n t s o u r c e , m a g n i t u d e a n d p r o x i m i t y o f s e d i m e n t s o u r c e s r e l a t i v e t o c h a n n e l s a n d d r a i n a g e b a s i n c h a r a c t e r i s t i c s . T h e b a s i c d e l i v e r y e q u a t i o n c a n b e e n h a n c e d t o r e p r e s e n t m a j o r p h y s i c a l i n fl u e n c e s i n s e d i m e n t g e n e r a t i o n a n d i t s t r a n s p o r t t o t h e o u t l e t . P a r a m e t e r s t h a t h a v e b e e n i n c o r p o r a t e d i n t h e d e l i v e r y r a t i o r e p r e s e n t i n g u p l a n d p r o c e s s e s i n c l u d e r a i n f a l l c h a r a c t e r i s t i c s , s o i l c h a r a c t e r i s t i c s , v e g e t a t i o n , t o p o g r a p h y a n d h u m a n a c t i v i t i e s . P a r a m e t e r s t h a t r e p r e s e n t c h a n n e l p r o c e s s e s i n c l u d e v e l o c i t y , d e p t h o f fl o w , c h a n n e l s l o p e , h y d r a u l i c r o u g h n e s s , a n d c r o s s - s e c t i o n a r e a ( S i n g h , 1 9 8 9 ) . D r a i n a g e b a s i n c h a r a c t e r i s t i c s c a n a l s o b e i n c l u d e d a s m o d e l p a r a m e t e r s , s u c h a s s i z e o f b a s i n , r e l i e f - l e n g t h r a t i o , c h a n n e l d e n s i t y a n d b i f u r c a t i o n r a t i o ( R e n f r o , 1 9 7 5 ) . P h y s i c a l - b a s e d a s s u m p t i o n s a r e i n c o r p o r a t e d i n t o t h e G A M E S ( G u e l p h m o d e l f o r e v a l u a t i n g t h e e f f e c t s o f A g r i c u l t u r a l M a n a g e m e n t s y s t e m s o n E r o s i o n a n d S e d i m e n t a t i o n ) ( R u d r a e t a l . , 1 9 8 6 ) d e l i v e r y r a t i o w h e r e s e d i m e n t t r a n s p o r t i s r e l a t e d t o fl o w v e l o c i t y a n d t h e o v e r l a n d fl o w p a t h l e n g t h . T h e fl o w p a t h s a r e d e t e r m i n e d b y c o n n e c t i n g f a r m fi e l d s i n a d o w n s l o p e f a s h i o n t h r o u g h o u t t h e w a t e r s h e d . T h e G A M E S D R i s r e p r e s e n t e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 2 . 6 0 ) D R = a ( V I L ) w h e r e : a = c a l i b r a t e d w a t e r s h e d p a r a m e t e r 5 8 V = v e l o c i t y o f fl o w b e t w e e n l o c a t i o n , d e t e r m i n e d w i t h a m o d i fi e d M a n n i n g s e q u a t i o n L = l e n g t h o f fl o w b e t w e e n fi e l d s A n u p l a n d e r o s i o n a m o u n t i s c a l c u l a t e d f o r e a c h fi e l d u s i n g t h e U S L E . T h e d e l i v e r y r a t i o i s t h e n a p p l i e d t o a fi e l d ’ s s e d i m e n t t o d e t e r m i n e h o w m u c h a n i v e s a t t h e d o w n s l o p e fi e l d . S e d i m e n t i s t h u s c a s c a d e d d o w n t h r o u g h t h e w a t e r s h e d t o t h e w a t e r s h e d o u t l e t . I I ! S . 1 E . l l I l T h e N e g e v s o i l e r o s i o n m o d e l ( N e g e v , 1 9 6 7 ) , i n c o r p o r a t e d i n t o t h e L A N D R U N a n d I - I S P F m o d e l s , i s a n e m p i r i c a l - b a s e d s e t o f t w o e q u a t i o n s r e p r e s e n t i n g r a i n f a l l i m p a c t o n t h e s o i l a n d o v e r l a n d fl o w d e t a c h m e n t a n d t r a n s p o r t . E r o s i o n o f t h e s m a l l e r p a r t i c l e s i z e s i l t s a n d c l a y f r a c t i o n s b y r a i n s p l a s h i s r e p r e s e n t e d b y : ( 2 . 6 1 ) A ( t ) = ( l - C O V ) K _ P ( t ) m m w h e r e : A = e r o s i o n p r o d u c e d f o r p e r i o d ( t ) C O V = f r a c t i o n o f v e g e t a t i o n c o v e r a t r a i n f a l l K . - c o e f fi c i e n t f o r s o i l p r o p e r t y P = - p r e c i p i t a t i o n d u r i n g t i m e i n t e r v a l P E R a e x p o n e n t T h e fi n e r p a r t i c l e s d e t a c h e d b e c o m e a v a i l a b l e t o o v e r l a n d t r a n s p o r t i f p r e c i p i t a t i o n i s s u f fi c i e n t t o g e n e r a t e o v e r l a n d fl o w . I f o v e r l a n d fl o w i s n o t a c h i e v e d , 5 9 s e d i m e n t s r e m a i n a s a p o t e n t i a l s o u r c e f o r t h e n e x t r u n o f f e v e n t . O v e r l a n d fl o w ' t r a n s p o r t o f r a i n - e r o d e d p a r t i c l e s i s r e p r e s e n t e d w i t h t h e e q u a t i o n : ( 2 . 6 2 ) S E R ( t ) = = K S E R S R E R ( t - 1 ) R 0 8 3 0 ) “ S E R 8 p a r t i c l e s t r a n s p o r t e d d u r i n g t i m e p e r i o d ( t ) K S E R = c o e f fi c i e n t o f t r a n s p o r t S R E R ( t - l ) = s o u r c e o f p o t e n t i a l s e d i m e n t a t b e g i n n i n g o f t i m e p e r i o d R O S B = o v e r l a n d fl o w v o l u m e S R = e x p o n e n t C o e f fi c i e n t s f o r b o t h r a i n s p l a s h e r o s i o n a n d o v e r l a n d fl o w s o i l d e t a c h m e n t m u s t b e d e t e r m i n e d b y i n c o r p o r a t i n g fi e l d d a t a w i t h m o d e l c a l i b r a t i o n . “ l ' l l ‘ fi ‘ { 1 " 1 | . . U ' 1 ! U l l i ' l i f ? U - l - " H " ! ‘ l C H . d U ' J F H T h e C R E A M S m o d e l i s a n a p p r o x i m a t i o n o f t h e q u a s i - s t e a d y s t a t e c o n t i n u i t y e q u a t i o n r e p r e s e n t i n g s e d i m e n t t r a n s p o r t d o w n s l o p e ( F o s t e r e t a l . , 1 9 8 0 ) : ( 2 . 6 3 ) : q u D L - r v , w h e r e : q , = s e d i m e n t l o a d p e r u n i t w i d t h p e r u n i t t i m e x = d i s t a n c e D L = l a t e r a l i n fl o w o f s e d i m e n t D , = d e t a c h m e n t o r d e p o s i t i o n b y fl o w 6 0 T h e g e n e r a l p r o c e s s i s d i v i d e d a m o n g i n t e r r i l l , r i l l a n d c h a n n e l e l e m e n t s . T h e C R E A M S m o d e l i s n o t a t r u e p h y s i c a l - b a s e d m o d e l b e c a u s e i t i n c o r p o r a t e s m a n y o f t h e e m p i r i c a l — b a s e d p a r a m e t e r s f o r w a r d e d i n t h e U S L E m o d e l . T h e e m p i r i c a l ! f u n d a m e n t a l C R E A M S i s , h o w e v e r , a n i m p r o v e m e n t o v e r a c o m p l e t e l y e m p i r i c a l m o d e l s u c h a s t h e U S L E . F o s t e r ( 1 9 8 2 ) l i s t s s e v e r a l o f t h e e m p i r i c a l / f u n d a m e n t a l i m p r o v e m e n t s : ( 1 ) i s m o r e p h y s i c a l l y b a s e d a n d c o n s e q u e n t l y c a n b e m o r e a c c u r a t e l y e x t r a p o l a t e d , ( 2 ) m o r e a c c u r a t e l y r e p r e s e n t s p r o c e s s e s b y c o n s i d e r i n g i n t e r r i l l a n d r i l l e r o s i o n s e p a r a t e l y , ( 3 ) i s m o r e a c c u r a t e f o r a s i n g l e s t o r m e v e n t , ( 4 ) c a n c o n s i d e r m o r e c o m p l e x a r e a s , ( 5 ) o v e r l a n d d e p o s i t i o n p r o c e s s e s a r e a c c o u n t e d f o r d i r e c t l y , ( 6 ) c h a n n e l e r o s i o n a n d d e p o s i t i o n a r e a c c o u n t e d f o r d i r e c t l y . D e t a c h m e n t o f s o i l p a r t i c l e s b e g i n s i n i n t e r r i l l a r e a s f r o m t h e c o m b i n a t i o n o f r a i n s p l a s h a n d w a t e r fl o w . I t i s r e p r e s e n t e d i n t h e f o r m : 1 ( 2 . 6 4 ) D u = 0 . 2 1 0 E I ( S + 0 . 0 1 4 ) K C P ( Q , / V . ) w h e r e : D u = D e t a c h m e n t i n i n t e r r i l l a r e a E 1 = U S L E r a i n f a l l e r o s i v i t y f a c t o r S = s i n e o f s l o p e a n g l e K = U S L E s o i l e r o d i b i l i t y f a c t o r C = U S L E c r o p p i n g f a c t o r P = U S L E c o n s e r v a t i o n p r a c t i c e f a c t o r Q , = p e a k r u n o f f fl o w V . = fl o w v o l u m e 6 1 I n t e r r i l l - g e n e r a t e d s e d i m e n t s , o r l a t e r a l fl o w c o n c e n t r a t i o n s , c o m b i n e w i t h u p s l o p e r i l l e r o d e d s e d i m e n t s . I f t h e r e s u l t i n g c a l c u l a t e d t r a n s p o r t c a p a c i t y i s s u f fi c i e n t l y l a r g e t o e n t r a i n s o i l p a r t i c l e s i n t h e r i l l , d e t a c h m e n t o c c u r s a t t h e f o l l o w i n g r a t e : ( 2 . 6 5 ) D 9 , = 3 7 9 8 3 m V . Q , " ’ ( x / 7 2 . 6 ) " S ’ K C P ( Q , I V . ) w h e r e : D . . . = D e t a c h m e n t r a t e i n r i l l a r e a m - s l o p e l e n g t h e x p o n e n t x - d i s t a n c e d o w n s l o p e T r a n s p o r t c a p a c i t y i s s o l v e d i m p l e m e n t i n g t h e Y a l i n e q u a t i o n ( 1 9 6 3 ) m o d i fi e d t o a c c o u n t f o r a d i s t r i b u t e d c a p a c i t y a m o n g fi v e d e fi n e d p a r t i c l e c l a s s e s ( F o s t e r e t a l . , 1 9 8 0 ) . P a r t i c l e s a r e t h e n r o u t e d a c r o s s t h e o v e r l a n d fl o w a n d c h a n n e l e l e m e n t s . S e d i m e n t s c a n b e d e p o s i t e d w i t h i n t h e r i l l s d e p e n d i n g u p o n w h e t h e r t h e c a p a c i t y t o t r a n s p o r t t h e p r e v i o u s l y e n t r a i n e d m a t e r i a l i s l e s s t h a n t h e p o t e n t i a l s e d i m e n t l o a d . D e p o s i t i o n i s r e p r e s e n t e d b y t h e e q u a t i o n : ( 1 6 6 ) D = 0 0 ‘ . - q . ) w h e r e : D = - t h e d e p o s i t i o n r a t e a = fi r s t o r d e r r e a c t i o n c o e f fi c i e n t w h e r e : a = e V / q u e = p a r a m e t e r e q u a l t o 0 . 5 f o r o v e r l a n d fl o w a n d 1 . 0 f o r c h a n n e l fl o w . V , - = p a r t i c l e f a l l v e l o c i t y 6 2 q L , = r u n o f f d i s c h a r g e p e r u n i t w i d t h T , = t r a n s p o r t c a p a c i t y q , s s e d i m e n t l o a d T h e C R E A M S m o d e l s i m u l a t e s t h e c h a n n e l e l e m e n t s i m i l a r t o a r i l l w h e r e u p s l o p e s e d i m e n t i n p u t i s f r o m a n a b o v e c h a n n e l s e g m e n t a n d l a t e r a l i n fl o w i s f r o m t h e e n t i r e o v e r l a n d e l e m e n t . I n a d d i t i o n , t h e c h a n n e l m o d e l c o m p o n e n t o f C R E A M S c a n e s t i m a t e t h e d e g r a d a t i o n o f a c h a n n e l t o a n o n - e r o s i v e s o i l l a y e r , w h i c h i s u s u a l l y a s s u m e d t o b e t h e d e p t h o f p r i m a r y t i l l a g e . T h e c h a n n e l e r o s i o n r a t e b e f o r e a n o n - e r o d i b l e l a y e r i s r e a c h e d i s e x p r e s s e d a s : ( 2 . 6 7 ) E d , = W n K , ( 1 . 3 5 1 4 , , " “ t , w h e r e : E , I I = s o i l l o s s p e r u n i t c h a n n e l l e n g t h o f t h e s t o r m W , = w i d t h o f t h e c h a n n e l K , = U S L E s o i l e r o d i b i l i t y f a c t o r 1 = a v e r a g e s h e a r s t r e s s a r o u n d w e t t e d p e r i m e t e r o f c h a n n e l 1 , , = c r i t i c a l s h e a r s t r e s s , b e l o w w h i c h e r o s i o n i s n e g l i g i b l e t , = t i m e a t w h i c h s h e a r s t r e s s e x c e e d s c r i t i c a l s h e a r s t r e s s O n c e t h e n o n - e r o d i b l e l a y e r i s r e a c h e d , t h e c h a n n e l s i d e s b e c o m e t h e s o u r c e o f c h a n n e l e r o s i o n . E r o s i o n f r o m c h a n n e l s i d e s i s : ( 2 - 6 3 ) B . . . = A W I i u m w h e r e : A W = c h a n g e i n c h a n n e l w i d t h , w h e r e ( d W / d t ) , = 2 K ¢ ( r . - r , , ) " ° 5 / p , , a 6 3 r , a s h e a r s t r e s s i n c h a n n e l a t n o n - e r o d i b l e b o u n d a r y H . = h e i g h t o f c h a n n e l s i d e w a l l p “ = m a s s d e n s i t y o f s o i l i n t h e c h a n n e l s i d e w a l l C h a n n e l w i d t h i n c r e a s e s u n t i l s h e a r s t r e s s a t t h e n o n - e r o d i b l e b o u n d a r y e q u a l s t h e c r i t i c a l s h e a r s t r e s s . . a l ' f ‘ s t r u t . _ l “ . A - p a n e s o a r - r u m 1 . 1 - J r : n - 9 - r a s I l l T h e A N S W E R S m o d e l u t i l i z e s s e p a r a t e e q u a t i o n s t o r e p r e s e n t s o i l d e t a c h m e n t p r o c e s s e s f o r r a i n d r o p i m p a c t ( M e y e r a n d W i s c h m e i e r , 1 9 6 9 ) a n d o v e r l a n d fl o w ( M e y e r a n d W i s c h m e i e r , 1 9 6 9 ; F o s t e r , 1 9 7 6 ) . T h e f o r m a n d p a r a m e t e r s u t i l i z e d a r e s i m i l a r t o t h e C R E A M S p r o c e d u r e . R a i n d r o p d e t a c h m e n t i s c a l c u l a t e d w i t h : ( 2 . 6 9 ) D , = s o m e r s e t ; 2 w h e r e : C = U S L E c r o p p i n g f a c t o r K = U S L E s o i l e r o d i b i l i t y f a c t o r A , = a r e a i n c r e m e n t I = r a i n f a l l i n t e n s i t y D e t a c h m e n t b y o v e r l a n d fl o w i s r e p r e s e n t e d b y : ( 2 . 7 0 ) D , = 0 . 0 1 8 C K A , S Q w h e r e : S = s l o p e s t e e p n e s s Q a fl o w r a t e p e r u n i t w i d t h 6 4 A t r a n s p o r t c a p a c i t y v a l u e i s r e q u i r e d i n a s t e a d y - s t a t e c o n t i n u i t y e q u a t i o n t o d e t e r m i n e i f d e p o s i t i o n o r d e t a c h m e n t o c c u r i n o v e r l a n d a n d c h a n n e l r o u t i n g . P o t e n u ' a l t r a n s p o r t c a p a c i t y i s c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s : ( 2 . 7 1 ) T , = 1 6 1 ( S Q ‘ ” ) Q 5 0 . 0 4 6 m ’ l m i n u t e ( 2 . 7 2 ) T , = 1 6 3 2 0 ( S Q ’ ) Q > 0 . 0 4 6 E . 1 I I I . S 2 1 1 ' M I H E G H E S J A G N P S a n d A N N - A G N P S m o d e l c h a n n e l s e d i m e n t t r a n s p o r t a n d d e p o s i t e d s e d i m e n t e n t r a i n m e n t u t i l i z i n g t h e s a m e f o r m o f s t e a d y - s t a t e c o n t i n u i t y e x p r e s s i o n f o r w a r d e d i n t h e C R E A M S m o d e l ( F o s t e r e t a l . , 1 9 8 0 ) . T h e s e d i m e n t d e p o s i t i o n r a t e i n t h e c h a n n e l i s g i v e n a s : ( 1 7 3 ) D = ( V t / Q U E . - G ) T r a n s p o r t c a p a c i t y i s d e t e r m i n e d w i t h t h e B a g n o l d s t r e a m p o w e r e q u a t i o n ( 1 9 6 6 ) : ( 2 . 7 3 ) g , = k r v ’ N , w h e r e : s . = t r a n s p o r t c a p a c i t y 1 : = = t r a n s p o r t c a p a c i t y f a c t o r 1 ’ = s h e a r s t r e s s v = fl o w v e l o c i t y U p l a n d a s w e l l a s c h a n n e l e r o s i o n i s b r o k e n d o w n i n t o t h e fi v e p a r t i c l e c l a s s e s d e fi n e d b y F o s t e r e t a l . ( 1 9 8 0 ) . 6 5 l 1 ! ! E . E l . . E E M E E E T h e e r o s i o n m o d e l w i t h i n W E P P ( F o s t e r e t a l . , 1 9 8 9 ) i n c o r p o r a t e s m a n y o f t h e s a m e p h y s i c a l c o n c e p t s o f e r o s i o n p r o c e s s e s a n d m a t h e m a t i c a l a l g o r i t h m s p r e s e n t e d i n t h e C R E A M S m o d e l . T h e s i m i l a r i t i e s i n c l u d e : t h e d e l i n e a t i o n o f o v e r l a n d a r e a s i n t o i n t e r r i l l s a n d r i l l s f o r d e fi n i n g e r o s i o n a l p r o c e s s e s , t h e u s e o f t h e s t e a d y - s t a t e s e d i m e n t c o n t i n u i t y e q u a t i o n f o r t r a n s p o r t i n g s e d i m e n t s a c r o s s o v e r l a n d e l e m e n t s a n d t h r o u g h c h a n n e l s . T h e m a j o r d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o e r o s i o n m o d e l s i s t h e u s e o f m o r e p h y s i c a l - b a s e d p a r a m e t e r s i n W E P P . I n t e r r i l l d e t a c h m e n t i s c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 2 - 7 5 ) D : = K a L ’ C . G . ( R . / W ) w h e r e : K , = - b a s e l i n e i n t e r r i l l e r o d i b i l i t y f a c t o r I , = e f f e c t i v e r a i n f a l l i n t e n s i t y C , = e f f e c t o f c a n o p y c o v e r G , = e f f e c t o f g r o u n d c o v e r R , = s p a c i n g o f r i l l s W = r i l l w i d t h R i l l d e t a c h m e n t i s c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 2 . 7 6 ) D , = D , ( l - G / T , ) w h e r e : D , = d e t a c h m e n t c a p a c i t y b y r i l l fl o w , w h e r e D , = K , ( r r r , ) K , = r i l l e r o d i b i l i t y p a r a m e t e r i i : — F P - r m w A - u r , = fl o w s h e a r s t r e s s 7 , = c r i t i c a l s h e a r s t r e s s T , = t r a n s p o r t c a p a c i t y D e p o s i t i o n w i t h i n t h e r i l l o c c u r s w h e n t r a n s p o r t c a p a c i t y i s l e s s t h a n t h e s e d i m e n t l o a d . I t i s r e p r e s e n t e d a s : ( 2 . 7 7 ) D : = ( fi v e / ( 1 ) 0 2 4 9 ) w h e r e : V , = e f f e c t i v e f a l l v e l o c i t y f o r t h e s e d i m e n t . q = fl o w d i s c h a r g e 3 = r a i n d r o p t u r b u l e n c e c o e f fi c i e n t ( = 0 . 5 ) T h e o v e r l a n d t r a n s p o r t c a p a c i t y i n W E P P i s d e t e r m i n e d b y t h e f o l l o w i n g s i m p l i fi e d t r a n s p o r t e q u a t i o n : 1 ( 2 - 7 8 ) T e = k m ” T , i s c a l c u l a t e d f o r r i l l s t h r o u g h o u t t h e s l o p e u t i l i z i n g a c a l i b r a t e d t r a n s p o r t c o e f fi c i e n t ( 1 : ) a n d t h e h y d r a u l i c s h e a r s t r e s s ( 1 , ) . T h e t r a n s p o r t c o e f fi c i e n t i s d e t e r m i n e d b y u s i n g t h e a b o v e r e l a t i o n s h i p t o g e t h e r w i t h a c a l c u l a t e d Y a l i n - d e r i v e d t r a n s p o r t c a p a c i t y a t t h e e n d o f t h e s l o p e a n d a s l o p e b o t t o m s h e a r s t r e s s v a l u e . E r o d i b i l i t y p a r a m e t e r s K , - a n d K , f o r i n t e r r i l l a n d r i l l f e a t u r e s a r e c a l c u l a t e d w i t h e m p i r i c a l e q u a t i o n s d e v e l o p e d f r o m d a t a c o l l e c t e d f o r 3 6 c r o p l a n d s o i l s ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) . T h e t w o e q u a t i o n s d e v e l o p e d r e p r e s e n t t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e s o i l e r o d i b i l i t y p a r a m e t e r a s a f u n c t i o n o f p h y s i c a l a n d c h e m i c a l s o i l p a r a m e t e r s . C h a n n e l e r o s i o n i n t h e W E P P m o d e l s i n c o r p o r a t e s t h e s a m e m a t h e m a t i c a l r o u t i n e s f o r c h a n n e l 6 7 d o w n - g r a d i n g a n d b a n k c u t t i n g a s p r e s e n t e d i n C R E A M S . K ' . B fi t I E . r r n c r m n a s o s r T h e e r o s i o n c o m p o n e n t o f K I N E R O S i s b a s e d u p o n a f o r m o f t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n f o r w a r d e d b y B e n n e t t ( 1 9 7 4 ) : ( 2 . 7 9 ) £ + § ( 0 0 . ) - e ( x , c ) - q . ( x . c ) w h e r e : C , a s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n A = c r o s s s e c t i o n a l a r e a o f fl o w e = e r o s i o n r a t e o f t h e s o i l b e d q , = l a t e r a l s e d i m e n t i n fl o w f o r c h a n n e l T h e e r o s i o n r a t e o f t h e s o i l b e d i s d e r i v e d f r o m t w o s e p a r a t e e r o s i o n s o u r c e s ; r a i n s p l a s h e r o s i o n a n d h y d r a u l i c e r o s i o n . R a i n s p l a s h e r o s i o n i s c a l c u l a t e d w i t h t h e e q u a t i o n : ( 2 . 8 0 ) g . = e r k t h m w h e r e : g , = r a i n s p l a s h e r o s i o n c , a c o n s t a n t k ( h ) - = r e d u c t i o n f a c t o r r e l a t e d t o i n c r e a s i n g d e p t h o f p o n d e d w a t e r - r a r a i n f a l l q = r u n o f f v o l u m e 6 8 H y d r a u l i c e r o s i o n i s l i n e a r l y d e p e n d e n t o n t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t r a n s p o r t c a p a c i t y a n d t h e c u r r e n t s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n . ( 2 . 8 1 ) g . = e . ( c . . . . - c . ) A w h e r e : g . = h y d r a u l i c e r o s i o n c . . . = s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n a t e q u i l i b r i u m c , = c u r r e n t s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n c , = t r a n s f e r r a t e c o e f fi c i e n t , w h e n d e t a c h m e n t i s o c c u r r i n g c , r e p r e s e n t s e r o d i b i l i t y c o n s t r a i n e d b y c o h e s i v e n e s s i n t h e s o i l . W h e n d e p o s i t i o n i s o c c u r r i n g , c , i s r e l a t e d t o t h e f a l l v e l o c i t y o f t h e e n t r a i n e d s o i l p a r t i c l e s . C h a n n e l e r o s i o n i s r e p r e s e n t e d b y t h e h y d r a u l i c e r o s i o n p r i n c i p l e s p r e s e n t e d a b o v e f o r u p l a n d e r o s i o n . 1 2 . 1 . 5 N u t r i e n t F a t e T h e p r o c e s s e s i n v o l v e d i n t h e t r a n s p o r t o f n u t r i e n t s f r o m a w a t e r s h e d a r e e x t r e m e l y c o m p l e x . N u t r i e n t s a r e t r a n s f o r m e d f r o m d i f f e r e n t f o r m s a n d s t a t e s u n d e r e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s w h i c h c h a n g e a c r o s s b o t h t i m e a n d s p a c e . B a i l e y e t a l . ( 1 9 7 4 ) d i v i d e t h e p r o c e s s e s o f c h e m i c a l ( i n c l u d i n g n u t r i e n t ) t r a n s p o r t i n t o f o u r m e c h a n i s m s : ( 1 ) d i f f u s i o n a n d t u r b u l e n t t r a n s p o r t o f d i s s o l v e d c h e m i c a l s f r o m s o i l b y m o v e m e n t o f s o i l w a t e r i n t o o v e r l a n d fl o w , ( 2 ) c h e m i c a l d e s o r p t i o n f r o m s o l i d p h a s e a d s o r p t i o n i n t o s o i l w a t e r o r d i r e c t l y i n t o o v e r l a n d fl o w , ( 3 ) d i s s o l u t i o n o f c h e m i c a l s f r o m s o l i d p h a s e s i n t o t h e s o i l w a t e r o r o v e r l a n d fl o w , a n d ( 4 ) d e t a c h m e n t a n d t r a n s p o r t o f c h e m i c a l s a t t a c h e d t o s o i l p a r t i c l e s o r o r g a n i c m a t t e r b y h y d r a u l i c f o r c e s 6 9 a n d t h e s u b s e q u e n t r e l e a s e o f t h e c h e m i c a l t o o v e r l a n d fl o w b y d i s s o l u t i o n o r d e s o r p t i o n . T h e r e l a t i v e i m p o r t a n c e o f t r a n s p o r t p r o c e s s e s i s c o n t r o l l e d b y a p a r t i c u l a r c h e m i c a l , i t s a p p l i c a t i o n m e t h o d , a s w e l l a s s o i l c h a r a c t e r i s t i c s , v e g e t a t i o n , c l i m a t e a n d r e c e n t h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s ( B a i l e y e t a l . , 1 9 7 4 ) . T w o a g r i c u l t u r a l n u t r i e n t s t h a t h a v e b e e n p r o v e n t o a f f e c t w a t e r q u a l i t y a n d h a v e b e c o m e a p r i m a r y f o c u s o f b e s t m a n a g e m e n t p r a c t i c e s a r e n i t r o g e n ( N ) a n d p h o s p h o r u s ( P ) ( S h a r p l e y a n d M e n z e l , 1 9 8 7 ) . S o i l s g e n e r a l l y c o n t a i n 0 . 0 5 - 0 . 3 % N ( N o v o t n y a n d C h e s t e r s , 1 9 8 1 ) a n d 0 . 0 1 - 0 . 1 3 % P w i t h i n t h e t o p 1 5 c m o f t h e p r o fi l e ( F r e r e e t a l . , 1 9 8 0 ) . I n i n t e n s i v e m o n o - c u l t u r e c r o p p i n g s y s t e m s , n u t r i e n t s a r e d e p l e t e d f r o m t h e s o i l b y p l a n t u p t a k e , s e d i m e n t e r o s i o n , o v e r l a n d a n d s u b s u r f a c e d r a i n a g e , o r i m m o b i l i z e d w i t h i n t h e s o i l i t s e l f . T h u s i n o r d e r t o s u p p l e m e n t c r o p s , f a r m e r s a p p l y a d d i t i o n a l s o u r c e s o f n u t r i e n t s t o fi e l d s . N u t r i e n t f o r m s a p p l i e d i n c l u d e i n o r g a n i c f e r t i l i z e r s , m a n u r e s a n d p l a n t r e s i d u e . C o m m e r c i a l f e r t i l i z e r s c o m p r i s e 4 6 % a n d m a n u r e s 7 % o f t h e N i n p u t ( S t e w a r d e t a l . , 1 9 7 5 ) . N a n d P a r e t h e t w o p r i m a r y n u t r i e n t s i n c o r p o r a t e d i n t o N P S w a t e r q u a l i t y m o d e l s f o r e s t i m a t i n g l o a d i n g s a n d i d e n t i f y i n g s o u r c e s o f s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t i o n . M o d e l s r e p r e s e n t t h e t w o n u t r i e n t s i n t h e i r b a s i c t r a n s p o r t a b l e s t a t e s : w a t e r s o l u b l e s t a t e N . . . a n d P . . . , a n d s e d i m e n t / p a r t i c u l a t e b o u n d N . . a n d P . . . T h e s e d i m e n t a b s o r b e d s t a t e o f P a n d t h e s o l u b l e f o r m o f N a r e t h e m a j o r p o l l u t a n t s a n d d r a w t h e m o s t a t t e n t i o n i n B M P f o r m u l a t i o n . H o w e v e r , t h e d i s s o l v e d s t a t e o f P c a n b e c o m e a s i g n i fi c a n t s o u r c e o f n u t r i e n t s u n d e r l o c a l e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s ( A h u j a , 1 9 8 2 ) . I t i s t h e r e f o r e i m p o r t a n t t h a t N P S w a t e r q u a l i t y m o d e l s a c c o u n t f o r e a c h f o r m o f t h e 7 0 c h e m i c a l s . 2 . 1 . 5 . 1 D i s s o l v e d N u t r i e n t T r a n s p o r t F e r t i l i z e r s a p p l i e d t o t h e fi e l d a r e e i t h e r i n l i q u i d o r s o l i d f o r m s t h a t e a s i l y c o n v e r t t o a s o l u b l e f o r m w i t h r a i n f a l l o r i r r i g a t i o n . S o l u b l e f o r m s o f n u t r i e n t s t h u s b e c o m e a v a i l a b l e t o p l a n t u p t a k e . N i t r o g e n f e r t i l i z e r s p r i m a r i l y t a k e t h e f o r m o f a m m o n i u m s a l t s w h i c h a r e r e a d i l y n i t r i fi e d t o N i t r a t e s ( N 0 3 ) u n d e r n o r m a l fi e l d c o n d i t i o n s ( N o v o t n y a n d C h e s t e r s , 1 9 8 1 ) . D i s s o l v e d i n o r g a n i c p h o s p h a t e s ( H P O , a n d H , P O , ) a r e a p p l i e d t o e n a b l e d i r e c t p l a n t u p t a k e b e f o r e p a r t i c u l a t e a b s o r p t i o n c a n 5 ‘ o c c u r ( W e n d t a n d A l b e r t s , 1 9 8 4 ) . O r g a n i c a l l y b o u n d n u t r i e n t s i n m a n u r e s a n d p l a n t m a t e r i a l s a r e l e a c h a b l e t o s o l u b l e f o r m s , w i t h r e s i d u e s p r o v i d i n g m o r e P , i n t h e f o r m o f o r t h o p h o s p h a t c ( 1 ’ 0 4 ) , t h a n m i n e r a l i z e d a m m o n i u m ( N I L ) ( N o v o t n y a n d C h e s t e r s , 1 9 8 1 ) . R e p r e s e n t i n g t h e t r a n s p o r t o f d i s s o l v e d n u t r i e n t s f r o m t h e i r o r i g i n a t t h e s o i l s u r f a c e i n t o o v e r l a n d fl o w i s t h e w e a k e s t a s p e c t o f n u t r i e n t m o d e l i n g d u e t o t h e ” v a r i e t y o f n u t r i e n t s o u r c e s a n d p r o c e s s e s o f e x t r a c t i o n ” ( F r e r e e t a l . , 1 9 8 0 , p . 6 9 ) . A n u m b e r o f a p p r o a c h e s h a v e b e e n f o r w a r d e d b y t h e d i f f e r e n t n u t r i e n t m o d e l s l i s t e d i n T a b l e 2 . 1 . T h e s e m e t h o d s i n c l u d e ; e q u i v a l e n t s o i l w a t e r / r u n o f f c o n c e n t r a t i o n s : S W R B B , e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t s : C R E A M S a n d A G N P S , a n d k i n e t i c s : A N S W E R S . ! E . C E fi . T h e e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t s f o r w a r d e d i n C R E A M S a r e d e t e r m i n e d w i t h t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p : ( 2 . 8 2 ) E X K = d P O R K 7 1 w h e r e : E X K = s u r f a c e r u n o f f e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t ( 1 = - 1 0 0 m m d e p t h o f s u r f a c e l a y e r P O R = s o i l p o r o s i t y K - = r a t e c o n s t a n t f o r m o v e m e n t i n t o r u n o f f T h e m o v e m e n t o f d i s s o l v e d n u t r i e n t s f r o m t h e s o i l s u r f a c e , i n c l u d i n g t h e s o i l a n d s o i l - w a t e r , i s c a l c u l a t e d i n c o r p o r a t i n g t h e e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t s . ( 2 . 8 3 ) R O C = C E X K Q 0 . 0 1 w h e r e : R O C a c o n c e n t r a t i o n o f n u t r i e n t s i n s u r f a c e fl o w C - m e a n c o n c e n t r a t i o n d u r i n g r u n o f f Q a r u n o f f v o l u m e C o n c e n t r a t i o n s f o r d i s s o l v e d N a n d P w i l l d i f f e r , w i t h N c o n c e n t r a t i o n i n c l u d i n g N i t r o g e n o r i g i n a t i n g f r o m r a i n f a l l , w h e r e a s P c o n c e n t r a t i o n s e x c l u d e r a i n f a l l a d d i t i o n s a n d i n c o r p o r a t e a b a s e c o n c e n t r a t i o n t h a t a c c o u n t s f o r t h e P b u f f e r i n g c a p a c i t y o f s o i l s ( F r e r e e t a l . , 1 9 8 0 ) T h e r e l e a s e o f a t t a c h e d P t o r u n o f f c a n b e d e s c r i b e d t h r o u g h a n e m p i r i c a l l y d e r i v e d k i n e t i c - b a s e d e q u a t i o n ( S h a r p l e y e t a l . , 1 9 8 1 ; S h a r p l e y , 1 9 8 5 ) . T h i s d e s o r p t i o n o f n u t r i e n t s t o s o i l - w a t e r a n d s u r f a c e r u n o f f w a t e r i s d u e t o t u r b u l e n t r a i n d r o p i m p a c t , fl o w a t t h e s o i l - w a t e r i n t e r f a c e a n d d i s e q u i l i b r i u m o f c o n c e n t r a t i o n s a t t a c h e d t o t h e s o i l a n d d i s s o l v e d i n t h e s u r r o u n d i n g w a t e r . T h e k i n e t i c e q u a t i o n 7 2 p r e s e n t e d b y S h a r p l e y f o r P i s a s f o l l o w s : ( 2 . 8 4 ) P , = K P . t ‘ W ” w h e r e : P , - a m o u n t o f P r e l e a s e d f r o m t h e s o i l t - a v e r a g e t i m e o f c o n t a c t b e t w e e n s o i l s u r f a c e a n d r u n o f f P . = i n i t i a l a v a i l a b l e P c o n t e n t i n s o i l W : - w a t e r / s o i l r a t i o K a B = c o n s t a n t s f o r a g i v e n s o i l A n i m p o r t a n t f e a t u r e i n t h e l o s s o f n u t r i e n t s f r o m t h e s o i l s u r f a c e i s t h e d e p t h o f i n t e r a c t i o n b e t w e e n r a i n f a l l , s o i l - w a t e r a n d t h e s o i l . T h i s s o i l r e g i o n o f i n t e r a c t i o n i s c a l l e d t h e m i x i n g z o n e . C R E A M S , S W R B B a n d H S P F a s s u m e a c o n s t a n t d e p t h w h e r e c o m p l e t e m i x i n g o f n u t r i e n t s o c c u r s . I n g r a m a n d W o o l h i s e r ( 1 9 8 0 ) d e t e r m i n e d t h a t c o n c e n t r a t i o n s o f s o l u b l e c h e m i c a l s m i x c o m p l e t e l y f o r i n fi l t r a t i n g w a t e r . H o w e v e r , w a t e r p o n d i n g a t t h e s o i l s u r f a c e a n d fl o w i n g o v e r l a n d d o e s n o t m i x c o m p l e t e l y w i t h d i s s o l v e d c h e m i c a l s . C o n c e n t r a t i o n s w i t h i n t h e m i x i n g z o n e a r e h i g h e s t a t t h e w a t e r - s o i l c o n t a c t a n d d e c r e a s e e x p o n e n t i a l l y w i t h d e p t h ( I n g r a m a n d W o o l h i s e r , 1 9 8 0 ) . A h u j a ( 1 9 8 2 ) f o r w a r d e d t h e c o n c e p t o f a n e f f e c t i v e d e p t h o f i n t e r a c t i o n ( E D I ) w h i c h i n t e g r a t e s c o n c e n t r a t i o n d i f f e r e n c e s i n t o a r e p r e s e n t a t i v e d e p t h a p p r o x i m a t e t o c h e m i c a l c o n c e n t r a t i o n . T h e E D I v a r i e s b a s e d u p o n s o i l , t o p o g r a p h y a n d r a i n f a l l c h a r a c t e r i s t i c s . T h e A N S W E R S m o d e l i n c o r p o r a t e s t h e E D I c o n c e p t i n d e t e r m i n i n g s o l u b l e P d e s o r p t i o n . 7 3 S e v e r a l n u t r i e n t t r a n s p o r t r e s e a r c h m o d e l s h a v e a p p l i e d c o n s e r v a t i o n o f m a s s e q u a t i o n s t o c h e m i c a l m i x i n g a n d t r a n s p o r t b y o v e r l a n d fl o w ( E m m e r i c h e t a l . , 1 9 8 9 ; I n g r a m a n d W o o l h i s e r , 1 9 8 1 ; A s h o f a n d B o r a h , 1 9 9 2 ; a n d L e e e t a l . , 1 9 8 9 ) . S i m i l a r t o r u n o f f a n d s e d i m e n t r o u t i n g , a d i s t r i b u t e d p r o c e s s m o d e l i n g a p p r o a c h f o r n u t r i e n t s r e p r e s e n t s t h e s p a t i a l l y a n d t e m p o r a l l y d y n a m i c e n v i r o n m e n t f o r o v e r l a n d a n d c h a n n e l fl o w s . E m m e r i c h e t a l . ( 1 9 8 9 ) f o u n d t h a t t h e t i m i n g o f c h e m i c a l a r r i v a l a n d p e a k c o n c e n t r a t i o n s w e r e b e t t e r r e p r e s e n t e d w i t h a d i s t r i b u t e d m o d e l t h a n a s p a t i a l l y l u m p e d m o d e l . H o w e v e r , p r e d i c t i o n s o f t o t a l c h e m i c a l c o n c e n t r a t i o n s w e r e s i m i l a r . 2 . 1 . 5 . 2 S e d i m e n t B o u n d N u t r i e n t T r a n s p o r t F o r m s o f N a n d P b o u n d t o s o i l o r i n c o r p o r a t e d w i t h i n o r g a n i c m a t t e r c o m p r i s e t h e l a r g e s t s o u r c e o f n u t r i e n t s ( N o v o t n y a n d C h e s t e r s , 1 9 8 1 ) . T h e c o n t r o l o f s o i l e r o s i o n a n d s e d i m e n t t r a n s p o r t h a s t h u s b e e n t h e p r i m a r y m e a n s o f c o n t r o l l i n g n u t r i e n t l o a d i n g t o w a t e r ( D a n i e l e t a l . , 1 9 9 3 ) . O f t h e t w o n u t r i e n t s , s o l u b l e f o r m s o f P a r e m o r e r e a d i l y fi x e d b y s o i l s t h a n s o l u b l e f o r m s o f N . P p r i m a r i l y p r e c i p i t a t e s i n c o m b i n a t i o n w i t h c a l c i u m ( C a ) , h o w e v e r i n s o i l s w i t h p H l e s s t h a n 7 , p r e c i p i t a t i o n o c c u r s w i t h i o n s o f i r o n ( F e ) a n d a l u m i n u m ( A l ) ( N o v o t n y a n d C h e s t e r s , 1 9 8 1 ) . S o l u b l e a m m o n i u m i s a l s o c a p a b l e o f a d h e r i n g t o s o i l p a r t i c l e s , p r i m a r i l y w i t h l a y e r s o f e x p a n d i n g c l a y s u c h a s m o n t r n o r i l l o n i t e . F u r t h e r , b o t h N a n d P e x i s t a s o r g a n i c f o r m s i n p l a n t r e s i d u e . T h e l o w d e n s i t y o f r e s i d u e s a l l o w s t h e m t o b e e a s i l y t r a n s p o r t e d i n o v e r l a n d fl o w . T h e s o r p t i o n o f s o l u b l e f o r m s o f N a n d P a n d t h e i r t r a n s p o r t i s a s e l e c t i v e p r o c e s s ( M a s s e y a n d J a c k s o n , 1 9 5 2 ) . I t b e g i n s w i t h n u t r i e n t s m o r e r e a d i l y a d h e r i n g 7 4 t o s m a l l e r p a r t i c l e s w i t h l a r g e r s u r f a c e a r e a s . A l a r g e r p o r t i o n o f s m a l l e r s o i l p a r t i c l e s i s t h e n d e t a c h e d b y r a i n s p l a s h a n d o v e r l a n d fl o w a n d t r a n s p o r t e d d o w n s l o p e / c h a n n e l . S e d i m e n t d e p o s i t i o n s e l e c t i v e l y d e p o s i t s t h e l a r g e r p a r t i c l e s u n d e r d e c r e a s i n g t r a n s p o r t c a p a c i t y , w h e r e a s s m a l l e r p a r t i c l e s c o n t i n u e o n i n t h e fl o w . T h i s p r o c e s s r e s u l t s i n d o w n s t r e a m s e d i m e n t s h a v i n g g r e a t e r n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s t h a n t h e o r i g i n a l l y e r o d e d s o i l s . T w o m e t h o d s o f m o d e l i n g a b s o r b e d n u t r i e n t m o v e m e n t a r e c o n t a i n e d i n t h e m o d e l l i s t ( T a b l e 2 . 1 ) . T h e fi r s t m e t h o d i s t h e e m p i r i c a l - b a s e d e n r i c h m e n t r a t i o w h i c h r e l a t e s m a t h e m a t i c a l l y t h e c o n c e n t r a t i o n o f n u t r i e n t s i n t h e t r a n s p o r t e d s e d i m e n t s t o t h e o r i g i n a l l y e r o d e d s e d i m e n t s . T h e C R E A M S , S W R B B , A G N P S , G A M E S a n d G W L F m o d e l s i m p l e m e n t t h i s p r o c e d u r e . T h e s e c o n d m e t h o d i s b a s e d u p o n i n c o r p o r a t i n g a s p a t i a l l y d i s t r i b u t e d e r o s i o n a n d s e d i m e n t t r a n s p o r t m o d e l w i t h n u t r i e n t a b s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o n e q u a t i o n s . A N S W E R S , H S P F a n d A C T M O u t i l i z e t h i s p r o c e d u r e . 5 I I . E . l B . T h e e n r i c h m e n t r a t i o ( E R ) d e s c r i b e s t h e r a t i o o f n u t r i e n t c o n t e n t o f t r a n s p o r t e d s o i l t o t h a t o f t h e s e d i m e n t s o u r c e . M e n z e l ( 1 9 8 0 ) a n d S h a r p l e y ( 1 9 8 5 ) h a v e f o u n d t h e E R t o b e a n e g a t i v e l y l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e l o g a r i t h m o f E R a n d s e d i m e n t l o s s . B o t h C R E A M S a n d A G N P S u s e t h e f o l l o w i n g m e t h o d : ( 2 . 8 5 ) S E D N = S O I L N S E D N ( 2 . 8 6 ) S E D P = S O I L P S E D ‘ " w h e r e : ( 2 . 8 7 ) E R N = A N S E D ' " w t ( ( ( h 2 2 h 2 e e - . . s 0 1 2 e e ) ) ) : r 9 9 9 d i m e n t d e l i v e r y r a t i o , a n d a l o w e E x l , x , = r R o b o = ( = g - u r / n d x / . ( D R o 1 c ) . d e l i v e r y r a t i o v a l u e : t i E . " R 2 9 9 / 2 2 5 . ) ' 6 a 7 5 ( 2 . 8 8 ) E R P = A P S E D ” B a s e d o n e v a l u a t i n g a v a i l a b l e d a t a f o r a n u m b e r o f s o i l a n d v e g e t a t i v e c o n d i t i o n s , C R E A M S a s s i g n s A N a n d A P e q u a l t o 7 . 4 a n d E N a n d H P t o « 0 . 2 . S h a r p l e y ( 1 9 8 5 ) f o r w a r d s a n e m p i r i c a l - b a s e d r e l a t i o n s h i p f o r d e t e r m i n i n g E R : ( 2 . 8 9 ) l n ( E R ) = 1 . 2 1 - 0 . 1 6 l n ( S E D ) S W R B B d e t e r m i n e s t h e e n r i c h m e n t r a t i o b a s e d u p o n a n e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a n u p p e r b o u n d e n r i c h m e n t r a t i o v a l u e , w h i c h i s a s s u m e d t o b e t h e i n v e r s e o f c , = s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n D R a s e d i m e n t d e l i v e r y r a t i o E E . I S I ' I A m o r e p h y s i c a l - b a s e d m e t h o d o f c a l c u l a t i n g c o n c e n t r a t i o n s o f s e d i m e n t - a b s o r b e d N a n d P i s t o d e t e r m i n e s e d i m e n t s i z e d i s t r i b u t i o n i n r u n o f f o r i g i n a t i n g f r o m o v e r l a n d e r o s i o n ( F o s t e r e t a l . , 1 9 8 0 ) . A t t a c h e d n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s a t a g i v e n p o i n t i n t h e w a t e r s h e d a r e r e p r e s e n t e d b y t h e s u m o f p a r t i c l e c l a s s c o n c e n t r a t i o n s p r e s e n t i n t h e r u n o f f a fi e r s e l e c t i v e d e p o s i t i o n a n d e r o s i o n t a k e p l a c e . S e v e r a l m e t h o d s h a v e b e e n u s e d i n m o d e l s t o r e p r e s e n t t h e a b s o r p t i o n o f s o l u b l e n u t r i e n t s t o s e d i m e n t s . N o n - l i n e a r a b s o r p t i v e i s o t h e r m s r e l a t e d i s e q u i l i b r i u m 7 6 e x c h a n g e p o t e n t i a l b e t w e e n c o n c e n t r a t i o n s o f a b s o r b e d a n d d i s s o l v e d n u t r i e n t s w i t h i n t h e m i x i n g z o n e ( B o l a n e t a l . , 1 9 8 5 ; C h i e n a n d C l a y t o n , 1 9 8 0 ) . T h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a s o f s o i l p a r t i c l e s h a v e b e e n u s e d i n d e t e r m i n i n g a t t a c h e d n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s ( S t o r m e t a l . , 1 9 8 8 ; W i l l i a m s , 1 9 8 0 ; F r e r e e t a l . , 1 9 7 5 ) . A b s o r b e d n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s a r e e m p i r i c a l l y r e l a t e d t o t h e o r i g i n a l s o i l c o n c e n t r a t i o n b a s e d u p o n t h e s p e c i fi c s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l . T h e s p e c i fi c a r e a c h a r a c t e r i s t i c s c a n b e q u a n t i fi e d b y d e t e r m i n i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a s f o r a l l p a r t i c l e c l a s s e s i n t h e s o i l ( W i l l i a m s , 1 9 8 0 ) . 2 2 5 I ' I fi . S ” “ 1 . “ 1 1 . 2 . 2 . 1 I n t r o d u c t i o n A G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m ( G I S ) c a n b e d e fi n e d a s a s p a t i a l d a t a m a n a g e m e n t s y s t e m w h i c h p r o c e s s e s g e o g r a p h i c a l l y r e f e r e n c e d s p a t i a l d a t a ( m a p s ) a n d r e l a t i o n a l a t t r i b u t e i n f o r m a t i o n ( d e s c r i p t i o n s ) . T h e d i g i t a l s t r u c t u r e o f s p a t i a l d a t a c a n b e r e p r e s e n t e d a s t o p o l o g i c a l l y r e l a t e d n o d e s , a r c s a n d p o l y g o n s o r g r i d s o f u n i f o r m s q u a r e s , T l e , a n d o t h e r g e o m e t r i c s h a p e s ( G o o d c h i l d , 1 9 9 3 ) . T h e d i g i t a l s t r u c t u r e e n a b l e s c o m p u t e r p r o c e s s i n g o f i n d i v i d u a l a n d m u l t i p l e d a t a s e t s i n c a r r y i n g o u t g e o g r a p h i c - b a s e d a n a l y s i s . G I S r o u t i n e s t y p i c a l l y u s e d i n d a t a a n a l y s i s i n c l u d e ; c o n n e c t i v i t y O p e r a t i o n s , n e i g h b o r h o o d o p e r a t i o n s , m e a s u r e m e n t o p e r a t i o n s , s t a t i s t i c a l a n a l y s i s a n d c a r t o g r a p h i c m o d e l i n g o r o v e r l a y o p e r a t i o n s ( S t a r a n d E s t e s , 1 9 9 0 ) . T r a d i t i o n a l d a t a m a n a g e m e n t u t i l i t i e s c a n a l s o b e p e r f o r m e d o n t h e r e l a t i o n a l d a t a b a s e o f a t t r i b u t e s . D a t a m a n a g e m e n t o p e r a t i o n s i n c l u d e ; B o o l e a n s e a r c h e s , q u e r i e s a n d a r i t h m e t i c o p e r a t i o n s ( E S R I , 1 9 9 1 ) . C h a n g e s m a d e i n t h e r e l a t i o n a l d a t a b a s e w i l l b e r e fl e c t e d i n t h e s p a t i a l d a t a . T h e u t i l i t y o f a G I S f o r d e c i s i o n m a k i n g h a s b e e n w e l l a r t i c u l a t e d o v e r t h e y e a r s . U n w i n a n d W i l s o n ( 1 9 9 0 ) i d e n t i f y t h e v e r s a t i l i t y a n d c a p a b i l i t i e s o f a G I S a c c o r d i n g l y : 1 . I n t e g r a t e s s p a t i a l a n d o t h e r i n f o r m a t i o n w i t h i n a s i n g l e s y s t e m ; 2 . O f f e r s a c o n s i s t e n t f r a m e w o r k f o r a n a l y z i n g t h e s p a t i a l v a r i a t i o n a c r o s s a r e a s ; 3 . P e r m i t s g e o g r a p h i c k n o w l e d g e t o b e m a n i p u l a t e d a n d d i s p l a y e d i n n e w a n d e x c i t i n g w a y s b y p u t t i n g m a p s a n d o t h e r k i n d s o f s p a t i a l i n f o r m a t i o n i n t o d i g i t a l f o r m ; 4 . A l l o w s c o n n e c t i o n s t o b e m a d e b e t w e e n a c t i v i t i e s b a s e d o n g e o g r a p h i c p r o x i m i t y a n d c h a r a c t e r i s t i c s w h i c h c a n b e v i t a l t o u n d e r s t a n d i n g a n d m a n a g i n g a c t i v i t i e s a n d r e s o u r c e s ; 5 . A l l o w s a c c e s s t o a d m i n i s t r a t i v e , fi n a n c i a l a n d o t h e r s o c i o l o g i c a l r e c o r d s v i a t h e i r g e o g r a p h i c a l p o s i t i o n s . D e s c r i p t i v e a n d m a t h e m a t i c a l d e fi n i t i o n s o f h y d r o l o g i c I N P S p o l l u t a n t t r a n s p o r t m o d e l s w e r e p r o v i d e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . T h e c o n n e c t i o n b e t w e e n G I S a n d h y d r o l o g i c m o d e l i n g r e l a t i v e t o s p a t i a l d a t a l o c a t i o n a n d d e s c r i p t i o n f o r M e t e r i z a t i o n o f i n p u t d a t a i s o b v i o u s . H o w e v e r , t h e a b i l i t y o f a G I S t o m a n a g e t e m p o r a l c h a n g e s i n t h o s e l a n d f e a t u r e s i s n o t s t r a i g h t f o r w a r d ( M a i d m e n t , 1 9 9 3 ) . M a i d m e n t ( 1 9 9 3 ) i d e n t i fi e s t h e f o l l o w i n g fi v e l e v e l s o f G I S a n d h y d r o l o g i c m o d e l i n g i n t e g r a t i o n : ( 1 ) h y d r o l o g i c a s s e s s m e n t , ( 2 ) h y d r o l o g i c p a r a m e t e r d e t e r m i n a t i o n , ( 3 ) l i n l n ' n g G I S a n d h y d r o l o g i c m o d e l s , ( 4 ) h y d r o l o g i c m o d e l i n g i n s i d e 7 8 G I S , a n d ( 5 ) o b j e c t - o r i e n t e d l i n k a g e . T h e r e m a i n d e r o f t h e l i t e r a t u r e r e v i e w w i l l u t i l i z e t h e s e a b o v e l e v e l s o f G I S / m o d e l i n t e g r a t i o n t o o r g a n i z e t h e d i s c u s s i o n . A l s o c o v e r e d w i l l b e t h e G I S m e t h o d s e m p l o y e d f o r g e n e r a t i n g m o d e l p a r a m e t e r v a l u e s . 2 . 2 . 2 H y d r o l o g i c A s s e s s m e n t H y d r o l o g i c a s s e s s m e n t i s t h e s i m p l e s t f o r m o f h y d r o l o g i c m o d e l i n g / G I S i n t e g r a t i o n . T h i s p r o c e d u r e d o e s n o t i n c o r p o r a t e e x p l i c i t p h y s i c a l l a w s i n t o i t s a n a l y s i s ( M a i d m e n t , 1 9 9 3 ) . R a t h e r , r a t i n g s a r e a s s i g n e d t o m a p c l a s s e s b a s e d u p o n e x p e r t 1 o p i n i o n a n d e x p e r i e n c e a s t o h o w a n i n d i v i d u a l f e a t u r e ( d i s t a n c e f r o m a r i v e r ) w i l l i t s i n fl u e n c e t h e o v e r a l l i m p a c t ( c h e m i c a l t r a n s p o r t ) . T h e h y d r o l o g i c a s s e s s m e n t p r o c e d u r e i s p r i m a r i l y u s e d a s a p l a n n i n g t o o l ( N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l , 1 9 9 3 ) w h e r e t h e r e l a t i v e r a t i n g s o f t h e fi n a l m a p h e l p p r i o r i t i z e a n d t a r g e t r e s o u r c e s f o r a d d r e s s i n g p o t e n t i a l i m p a c t . H y d r o l o g i c a s s e s s m e n t p r o c e d u r e s u t i l i z e m u l t i p l e G I S c o v e r a g e s o f p h y s i c a l f e a t u r e s a n d c u l t u r a l a c t i v i t i e s i n c o m b i n a t i o n t o d e t e r m i n e t h e p o t e n t i a l i m p a c t o f h y d r o l o g i c - r e l a t e d p h e n o m e n a s u c h a s fl o o d i n g , e r o s i o n , a n d c o n t a m i n a n t f a t e . T h e G I S i s fi r s t u s e d t o g e n e r a t e m a p c o v e r a g e s o n f e a t u r e s w h i c h i n fl u e n c e t h e d e g r e e o f p o t e n t i a l i m p a c t . G I S ’ s s p a t i a l d a t a m a n i p u l a t i o n c a p a b i l i t i e s a r e n e x t i n c o r p o r a t e d t o d e l i n e a t e m a p p e d a r e a s i n t o d i f f e r e n t d e s c r i p t i v e c l a s s i fi c a t i o n s , s u c h a s d i s t a n c e f r o m r i v e r s a n d p e s t i c i d e a p p l i c a t i o n r a t e s , a n d t h e n a s s i g n r a t i n g s d e s c r i b i n g t h e f e a t u r e ’ s i n fl u e n c e o n p o t e n t i a l i m p a c t . F i n a l l y , t h e G I S i s u s e d t o c o m b i n e i n d i v i d u a l r a t i n g c o v e r a g e s t o g e n e r a t e a n o v e r a l l r a t i n g r e p r e s e n t i n g t h e c o m b i n e d i n fl u e n c e o f a l l i n d i v i d u a l c o v e r a g e s ( A l l e r e t a l . , 1 9 8 5 ) . 7 9 T h e m o s t p o p u l a r u s e o f t h i s p r o c e d u r e h a s b e e n a s s o c i a t e d w i t h a s s e s s i n g p o t e n t i a l g r o u n d w a t e r v u l n e r a b i l i t y . T h e D R A S T I C g r o u n d w a t e r v u l n e r a b i l i t y a s s e s s m e n t p r o c e d u r e ( A l l e r e t a l . , 1 9 8 5 ) a s s e s s e s t h e l i k e l i h o o d o f g r o u n d w a t e r c o n t a m i n a t i o n f r o m c h e m i c a l s b a s e d u p o n t h e m a k e u p o f t h e h y d r o g e o l o g i c e n v i r o n m e n t . G I S - D R A S T I C a p p l i c a t i o n s i n c l u d e i n t e r m e d i a t e - s c a l e v u l n e r a b i l i t y a s s e s s m e n t o f r e g i o n a l a q u i f e r s ( G r i n e r , 1 9 9 3 ; H e a r n e e t a l . , 1 9 9 1 ; E v a n s a n d M y e r s , 1 9 9 0 ) a n d s m a l l - s c a l e a s s e s s m e n t o f s t a t e - w i d e g r o u n d w a t e r r e s o u r c e s ( I - l a l l i d a y a n d W o l f e , 1 9 9 1 ; R u n d q u i s t e t a l . , 1 9 9 1 ) . 5 . : H a r n l e t t a n d P e t e r s e n ( 1 9 9 2 ) g e n e r a t e d a n i n d e x i n g p r o c e d u r e , w h i c h t h e y r e f e r r e d t o a s t h e A g r i c u l t u r a l P o l l u t i o n I n d e x ( A P I ) , t o r a n k w a t e r s h e d s t h r o u g h o u t t h e s t a t e o f P e n n s y l v a n i a b a s e d o n t h e i r p o t e n t i a l t o c o n t r i b u t e a g r i c u l t u r a l n o n p o i n t s o u r c e p o l l u t a n t s . F o u r i n d e x c o v e r a g e s w e r e g e n e r a t e d f r O m b a s e c o v e r a g e s o f s o i l s , l a n d u s e / l a n d c o v e r , p r e c i p i t a t i o n , s l o p e , a n d a n i m a l d e n s i t y . T h e f o u r i n d e x c o v e r a g e s a r e : ( 1 ) a r u n o f f i n d e x b a s e d o n u s e o f t h e S C S C N m e t h o d t o c a l c u l a t e a t o t a l w a t e r s h e d r u n o f f v a l u e , ( 2 ) a s e d i m e n t p r o d u c t i o n i n d e x g e n e r a t e d b y c a l c u l a t i n g e r o s i o n w i t h t h e M o d i fi e d U S L E ( M U S L E ) e q u a t i o n a n d a p p l y i n g a s e d i m e n t d e l i v e r - y r a t i o , ( 3 ) a n a n i m a l l o a d i n g i n d e x d e t e r m i n e d w i t h a l o a d i n g f a c t o r f o r t h e t o t a l n u m b e r o f a n i m a l s i n a w a t e r s h e d , a n d ( 4 ) a c h e m i c a l u s e i n d e x b a s e d u p o n p o t e n t i a l l o a d i n g o f a g r i c u l t u r a l c h e m i c a l s f r o m e a c h w a t e r s h e d . T h e r u n o f f i n d e x a n d s e d i m e n t p r o d u c t i o n i n d e x a r e g e n e r a t e d b y c r u d e l y a p p l y i n g t h e e m p i r i c a l C N m e t h o d a n d M U S L E e r o s i o n e q u a t i o n w i t h a s e d i m e n t d e l i v e r y r a t i o . 8 0 2 . 2 . 3 H y d r o l o g i c P a r a m e t e r D e t e r m i n a t i o n H y d r o l o g i c p a r a m e t e r d e t e r m i n a t i o n r e q u i r e s i d e n t i f y i n g G I S d a t a t h a t c a n b e u s e d a s p a r a m e t e r i n p u t i n t o t h e h y d r o l o g i c / N P S m o d e l . S p a t i a l d a t a w i t h i n t h e G I S i s p a s s e d o u t o f G I S d a t a f o r m a t t o a n i n t e r m e d i a t e A S C I I fi l e w h i c h i s t h e n r e a d i n t o t h e h y d r o l o g i c / N P S m o d e l p r o g r a m . T h e r e v e r s e p r o c e s s o c c u r s o n c e t h e m o d e l h a s g e n e r a t e d i t s r e s u l t s . T h e G I S r e a d s m o d e l o u t p u t fi l e s a n d c o n v e r t s t h e m b a c k i n t o G I S d a t a f o r m a t f o r d i s p l a y i n g . T h e h y d r o l o g i c / N P S p r o g r a m ’ s I / O r o u t i n e s a r e n o t m o d i fi e d . T h e G I S o r a n i n t e r m e d i a t e d a t a p r o c e s s i n g p r o g r a m f o r m a t s t h e i n p u t p a r a m e t e r d a t a s o t h a t i t i s r e a d a b l e b y t h e m o d e l . M a n y o f t h e e f f o r t s c a r r i e d o u t a t t h i s l e v e l o f i n t e g r a t i o n h a v e b e e n e i t h e r r e s e a r c h p r o j e c t s i n v e s t i g a t i n g t h e u s e o f G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s i n h y d r o l o g i c / N P S m o d e l s o r i s o l a t e d w a t e r s h e d p r o j e c t s f o r i d e n t i f y i n g p o t e n t i a l N P S p o l l u t i o n c o n t r i b u t i o n a n d t e s t i n g t h e e f f e c t i v e n e s s o f B M P s . M o s t o f t h e w o r k i n G I S / m o d e l i n t e g r a t i o n h a s b e e n d o n e i n t h i s a r e a ( M a i d m e n t , 1 9 9 3 ) . N e e d h a m a n d V i e u x ( 1 9 8 9 ) g e n e r a t e d p a r a m e t e r v a l u e s f o r t h e g r i d - b a s e d A G N P S m o d e l u t i l i z i n g t h e v e c t o r - b a s e d P C A R C / I N F O . A p o l y g o n c o v e r a g e o f s q u a r e g r i d s w a s c r e a t e d e x t r a c t i n g t h e r e q u i r e d p a r a m e t e r i n f o r m a t i o n f r o m s o i l s , l a n d u s e / c o v e r a n d t o p o g r a p h i c c o v e r a g e s . W o l f e a n d N e a l e ( 1 9 8 8 ) g e n e r a t e d i n p u t d a t a f o r t h e d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r H R U - b a s e d F E S H M m o d e l u t i l i z i n g t h e g r i d - b a s e V I R G I S G I S . H e s s i o n a n d S h a n h o l t z ( 1 9 8 8 ) g e n e r a t e d r e q u i r e d i n p u t d a t a f r o m t h e V I R G I S G I S f o r a d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r g r i d - b a s e d U S L E - e r o s i o n / d e l i v e r y r a t i o m o d e l t o e s t i m a t e s e d i m e n t l o a d i n g . S t e u b e a n d J o h n s t o n ( 1 9 9 0 ) u s e d a G I S t o 8 1 g e n e r a t e p a r a m e t e r s r e q u i r e d i n t h e S C S C N m e t h o d f o r e s t i m a t i n g r u n o f f . R o u s s e a u ' e t a l . ( 1 9 8 8 ) u t i l i z e d P C A R C / I N F O t o c a l c u l a t e s e d i m e n t a n d n u t r i e n t l o a d i n g b a s e d u p o n t h e G A M E S fi e l d - b a s e d n e t w o r k r o u t i n g s c h e m e . 2 . 2 . 4 L i n k i n g G I S a n d H y d r o l o g i c M o d e l s M o d e l l i n k a g e w i t h G I S r e p r e s e n t s t h e i m p r o v e m e n t o f a f r a g m e n t e d p r o c e s s o f h y d r o l o g i c p a r a m e t e r g e n e r a t i o n , p a r a m e t e r o u t p u t a n d m o d e l s i m u l a t i o n t o a m o r e i n t e g r a t e d a n d “ s e a m l e s s " a p p r o a c h . T h e U 0 p r o c e d u r e s o f t h e m o d e l a r e m o d i fi e d , e l i m i n a t i n g t h e n e e d t o g e n e r a t e i n t e r m e d i a t e fi l e s . T h e r e l a t i o n a l a t t r i b u t e d a t a s t r u c t u r e o f t h e G I S n o w d i r e c t l y p r o v i d e s d a t a i n p u t p a r a m e t e r s t o t h e m o d e l . A f t e r t h e m o d e l i s r u n , t h e G I S r e l a t i o n a l d a t a b a s e i s a p p e n d e d w i t h t h e o u t p u t r e s u l t s . T h i s l e v e l o f G I S / m o d e l i n t e g r a t i o n i s c o n s i d e r e d a ” t o o l b o x ” a p p r o a c h w h i c h e n h a n c e s t h e f u n c t i o n a l i t y o f t h e G I S ( S a g h a fi a n , 1 9 9 3 ) . T h e G I S / m o d e l b e c o m e s a d e c i s i o n s u p p o r t t o o l f o r w a t e r r e s o u r c e p l a n n e r s a n d m a n a g e r s ( E n g e l e t a l . , 1 9 9 3 ) w h e r e b y t h e u s e r i n t e r a c t s w i t h t h e s o f t W a r e , c r e a t i n g a n d t e s t i n g a l t e r n a t i v e m a n a g e m e n t s c e n a r i o s . E x a m p l e s o f l i n k i n g G I S w i t h m o d e l s i n c l u d e , E n g e l e t a l . ( 1 9 9 3 ) , w h o h a v e i n t e g r a t e d A G N P S w i t h t h e G R A S S G I S , a n d t h e S o i l C o n s e r v a t i o n S e r v i c e w h o i s c u r r e n t l y l i n k i n g A G N P S a n d G R A S S ( C r o n s h e y e t a l . , 1 9 9 3 ) . Y o o n e t a l . ( 1 9 9 3 ) h a v e i n t e g r a t e d A G N P S a n d A R C / O R A C L E , a n d R e w e r t s a n d E n g e l ( 1 9 9 1 ) h a v e i n t e g r a t e d G R A S S G I S w i t h A N S W E R S . V i e u x e t a l . ( 1 9 9 3 ) h a v e i n t e g r a t e d a g r i d - b a s e d r a i n f a l l - r u n o f f m o d e l c a l l e d r . w a t e r . f e a , w h i c h u t i l i z e s t h e G r e e n a n d A m p t e q u a t i o n f o r i n fi l t r a t i o n a n d a F i n i t e E l e m e n t s o l u t i o n t o t h e k i n e m a t i c w a v e f o r 8 2 o v e r l a n d a n d c h a n n e l fl o w , w i t h G R A S S . T h e C o r p s o f E n g i n e e r s h a s d e v e l o p e d a l i n k a g e b e t w e e n C A S C 2 D ( S a g h a fi a n , 1 9 9 3 ) , a g r i d - b a s e d w a t e r s h e d r a i n f a l l - r u n o f f m o d e l w h i c h i n c o r p o r a t e s G r e e n a n d A m p t i n fi l t r a t i o n a n d a d i f f u s i o n w a v e o v e r l a n d a n d c h a n n e l r o u t i n g r o u t i n e i m p l e m e n t i n g fi n i t e d i f f e r e n c e s o l u t i o n s , w i t h t h e r a s t e r - b a s e d G R A S S G I S . 2 . 2 . 5 H y d r o l o g i c M o d e l i n g I n s i d e G I S M o d e l i n g h y d r o l o g i c / N P S p r o c e s s e s i n s i d e t h e G I S r e q u i r e s i m b e d d i n g t h e h y d r o l o g i c a l g o r i t h m s w i t h i n t h e a c t u a l G I S c o d e . T h e G I S r o u t i n e s a n d t h e m o d e l t h u s b e c o m e o n e s i n g l e c o m p i l e d p r o g r a m . M a i d m e n t ( 1 9 9 3 ) p o i n t s o u t t h e l i m i t a t i o n s o f s u c h a l i n k a g e b e c a u s e t h e r e p r e s e n t a t i o n o f t i m e i s n o t a n e x p l i c i t p a r t o f t h e G I S d a t a s t r u c t u r e . T h e r e p r e s e n t a t i o n o f d y n a m i c h y d r o l o g i c p r o c e s s e s w i t h p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s g e n e r a t e s i n c r e m e n t a l c h a n g e s i n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f g e o g r a p h i c e n t i t i e s , s u c h a s s o i l m o i s t u r e c o n t e n t o r t h e c o n c e n t r a t i o n o f s e d i m e n t i n c h a n n e l fl o w . A c o m p l e t e l y i n t e g r a t e d G I S / h y d r o l o g i c m o d e l w o u l d b e a b l e t o r e c o r d a n d d i s p l a y c h a n g e s i n t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f h y d r o l o g i c p h e n o m e n a o v e r t i m e . B e c a u s e o f t h i s t e m p o r a l l i n r i t a t i o n o n l y s t a t i c a v e r a g e a n n u a l o r p e a k fl o w m o d e l s e m p l o y i n g c l o s e d f o r m a n a l y t i c o r e m p i r i c a l - b a s e d e q u a t i o n s c a n b e r e p r e s e n t e d w i t h i n e x i s t i n g G I S ( M a i d m e n t , 1 9 9 3 ) . S e v e r a l o f t h e m o r e p o p u l a r G I S s y s t e m s ; A R C / I N F O , G R A S S , E R D A S , h a v e i n t e g r a t e d i n t o t h e i r p r o g r a m s s i m p l e g r i d a l g e b r a f u n c t i o n a l i t y . T h i s e n a b l e s t h e u s e r t o e n c o d e b a s i c h y d r o l o g i c e q u a t i o n s i n t o t h e G I S s t r u c t u r e ( E S R I , 1 9 9 1 ) . T h e p a r a m e t e r v a r i a b l e s i n t h e a l g o r i t h m s a r e d i r e c t l y l i n k e d t o d a t a f r o m t h e G I S c o v e r a g e s . W h e n t h e m o d e l r u n s , r e q u i r e d 8 3 v a l u e s , s u c h a s s l o p e , s o i l e r o d i b i l i t y a n d c h a n n e l s l o p e , a r e d i r e c t l y e x t r a c t e d f r o m t h e G I S c o v e r a g e s . 2 . 2 . 6 O b j e c t - O r i e n t e d L i n k a g e O b j e c t - o r i e n t e d l i n k a g e o f G I S a n d h y d r o l o g i c / N P S m o d e l s r e p r e s e n t s a p r o g r a m m i n g a p p r o a c h t o d e v e l o p i n g a s p a t i a l d e c i s i o n s u p p o r t s y s t e m ( S D S S ) ( L o u c k s e t a l . , 1 9 8 5 ; D j o k i c , 1 9 9 3 ) w h i c h i n c o r p o r a t e s t h e p r i n c i p l e s o f O b j e c t - O r i e n t e d P r o g r a m m i n g ( A h a e t a l . , 1 9 8 3 ) . T h e S D S S c o n s i s t s o f a g r a p h i c a l i n t e r f a c e l i n k e d t o a G I S , a n e x p e r t s y s t e m , n u m e r i c a l m o d e l s , a n d u t i l i t y s o f t w a r e ( D j o k i c , 1 9 9 3 ) . H y d r o l o g i c / N P S m o d e l s a r e p r o g r a m m e d s o t h a t t h e i n d i v i d u a l h y d r o l o g i c p r o c e s s e s a r e r e p r e s e n t e d a s o b j e c t s . O b j e c t s c a n a c c e s s b o t h l o c a t i o n a l f e a t u r e d a t a f r o m t h e G I S a n d n o n - l o c a t i o n a l d a t a , s u c h a s r e a c t i o n r a t e s , f r o m a d a t a b a s e ( M a i d m e n t , 1 9 9 3 ) . M o d e l i n g a h y d r o l o g i c s y s t e m i s a c c o m p l i s h e d b y s e l e c t i n g a n d c o n fi g u r i n g t h e a p p r o p r i a t e h y d r o l o g i c p r o c e s s e s ( o b j e c t s ) i n r e p r e s e n t i n g a p a r t i c u l a r w a t e r s h e d o r b a s i n . F o r e x a m p l e , a s i m p l e w a t e r s h e d c a n b e r e p r e s e n t e d b y t w o o v e r l a n d fl o w o b j e c t s j o i n e d t o a c h a n n e l r u n o f f o b j e c t w h i c h c a n t h e n b e j o i n e d t o a r e s e r v o i r o b j e c t . T h e d e v e l o p m e n t o f S D S S u t i l i z i n g o b j e c t - o r i e n t e d l i n k a g e t o G I S h a s p r i m a r i l y a d d r e s s e d b a s i n - w i d e h y d r o l o g i c m o d e l i n g , w h e r e t h e s y s t e m i s a c o m p l e x s t r u c t u r e o f r i v e r s r e s e r v o i r s a n d d i v e r s i o n s . B o y e r ( 1 9 9 3 ) d e s c r i b e s a S D S S d e v e l o p e d b y t h e B u r e a u o f R e c l a m a t i o n r e f e r r e d t o a s C A L I D A D . O n e o f C A L I D A D ’ s t a s k s h a s b e e n t o a s s i s t i n t h e m a n a g e m e n t o f t h e C e n t r a l V a l l e y P r o j e c t i n C a l i f o r n i a . 1 5 1 s e p a r a t e o b j e c t s r e p r e s e n t e d b y 1 8 o b j e c t c l a s s e s w e r e c r e a t e d t o 8 4 r e p r e s e n t t h e c o m p l e x h y d r o l o g i c s t r u c t u r e o f t h e C e n t r a l V a l l e y . T h e U S G e o l o g i c a l S u r v e y i s d e v e l o p i n g t h e M o d u l a r H y d r o l o g i c M o d e l i n g S y s t e m ( M H M S ) b a s e d u p o n t h e O b j e c t - O r i e n t e d A p p r o a c h ( L e a v e s l e y e t a l . , 1 9 9 3 ) . T h e c o m p u t e r t o o l w i l l b e u s e d i n e v a l u a t i n g a l t e r n a t i v e r e s o u r c e m a n a g e m e n t p o l i c i e s i n s h o r t a n d l o n g t e r m r e s o u r c e m a n a g e m e n t p l a n s . D j o k i c ( 1 9 9 3 ) i s d e v e l o p i n g a S D S S w h i c h u t i l i z e s t h e e x p e r t s y s t e m N e x p e r t O b j e c t t o i n t e g r a t e t h e C o r p s o f E n g i n e e r s ’ I - I E C - l h y d r o l o g i c m o d e l w i t h t h e A R C / I N F O G I S . 2 . 2 . 7 R e q u i r e d H y d r o l o g i c / N P S P a r a m e t e r D a t a T h e i n p u t p a r a m e t e r s f o r h y d r o l o g i c / N P S m o d e l s a r e d e r i v e d f r o m a n u m b e r o f k e y p h y s i c a l f e a t u r e s , i n c l u d i n g s o i l s , l a n d c o v e r o r l a n d u s e , t o p o g r a p h y a n d c h a n n e l s . O n c e i n d i g i t a l G I S f o r m a t , t h e f e a t u r e c o v e r a g e s c a n b e m a n i p u l a t e d i m p l e m e n t i n g G I S r o u t i n e s t o g e n e r a t e t h e r e q u i r e d m o d e l p a r a m e t e r i n p u t s . T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s d i s c u s s G I S m a n i p u l a t i o n o f f e a t u r e c o v e r a g e s f o r h y d r o l o g i c / N P S m o d e l p a r a m e t e r g e n e r a t i o n . 2 . 2 . 7 . 1 S o i l s C o v e r a g e S o i l s d a t a r e q u i r e d i n h y d r o l o g i c m o d e l i n g a r e d e r i v e d f r o m U S D A S o i l C o n s e r v a t i o n S e r v i c e c o u n t y - w i d e s o i l s u r v e y m a p s . T h e s e m a p s e x i s t a t s c a l e s r a n g i n g f r o m 1 : 1 5 , 0 0 0 t o l : 2 0 , 0 0 0 . T h e S C S i n c o o p e r a t i o n w i t h t h e i n d i v i d u a l s t a t e s a r e c o n v e r t i n g t h e s e h a r d c o p y m a p s t o d i g i t a l f o r m a t . T h i s n e w d i g i t a l s p a t i a l d a t a b a s e i s r e f e r r e d t o a s S S U R G O ( U S D A - S C S , 1 9 9 1 ) . D e s c r i p t i o n o f t h e s o i l p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a s s o c i a t e d w i t h t h e m a p p i n g u n i t s i s c o n t a i n e d i n t a b u l a r d i g i t a l fi l e s c a l l e d s o n s - 5 . 8 5 H y d r o l o g i c / N P S m o d e l s t h a t i m p l e m e n t t h e C N m e t h o d f o r e s t i m a t i n g r u n o f f , s u c h a s A G N P S ( N e e d h a m a n d V i e u x , 1 9 8 9 ; C r o n s h e y e t a l . , 1 9 9 3 ; Y o o n c t a l . , 1 9 9 3 ; E n g e l e t a l . , 1 9 9 3 ) , r e q u i r e a s o i l s h y d r o l o g i c g r o u p i n d e x ( A , B , C , D ) d e t e r m i n e d f o r a p a r t i c u l a r m a p p i n g u n i t , a n d a n a n t e c e d e n t m o i s t u r e c o n d i t i o n . H y d r o l o g i c / N P S m o d e l s i n c o r p o r a t i n g p h y s i c a l - b a s e d i n fi l t r a t i o n e q u a t i o n s ( V i e u x e t a l . , 1 9 9 3 ; S a g h a fi a n , 1 9 9 3 ; G a o e t a l . , 1 9 9 3 ) u t i l i z e p e r c e n t s a n d , s i l t , c l a y a n d o r g a n i c m a t t e r f o r t h e s o i l m a p p i n g u n i t a s d e t e r m i n e d f r o m t h e S O I L S - 5 r e c o r d s . T h e s e G I S c o v e r a g e s a r e a p p l i e d t o e m p i r i c a l m o d e l s ( R a w l s e t a l . , 1 9 8 3 ) f o r d e t e r m i n i n g t h e r e q u i r e d s o i l p a r a m e t e r v a l u e s ; s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y , c a p i l l a r y s u c t i o n , b u l k d e n s i t y a n d p o r o s i t y . S o i l c o v e r a g e s a l s o s u p p l y t h e r e q u i r e d d a t a f o r e s t i m a t i n g e r o s i o n . T h e s o i l s m a p p i n g u n i t U S L E K ( s o i l e r o d i b i l i t y ) v a l u e i s u s e d i n t h e U S L E , M U S L E a n d R U S L E c a l c u l a t i o n s . P h y s i c a l - b a s e d s o i l e r o s i o n e q u a t i o n s r e q u i r e i n f o r m a t i o n o n s o i l p a r t i c l e s i z e , w h i c h c a n b e d e r i v e d f r o m t h e p e r c e n t s a n d , s i l t , c l a y . 2 . 2 . 7 . 2 T o p o g r a p h i c C o v e r a g e s T o p o g r a p h i c i n f o r m a t i o n i s a k e y i n p u t p a r a m e t e r r e q u i r e d i n h y d r o l o g i c m o d e l s . T h e i n fl u e n c e s o f e l e v a t i o n c h a n g e a n d t h e r a t e o f c h a n g e a r e c r u c i a l i n r e p r e s e n t i n g w a t e r e r o s i o n a n d s e d i m e n t t r a n s p o r t p r o c e s s e s ( M o o r e a n d N i e b e r , 1 9 8 9 ) . T h e m o s t c o m m o n s o u r c e o f d i g i t a l e l e v a t i o n d a t a i s t h e U S G S D E M ( d i g i t a l e l e v a t i o n m o d u l e ) . 7 . 5 m i n u t e D E M s a r e l a t t i c e r e p r e s e n t a t i o n o f e l e v a t i o n h e i g h t s b a s e d u p o n a 3 0 - m e t e r i n t e r v a l . S p e i g h t ( 1 9 8 0 ) a n d M o o r e e t a l . ( 1 9 9 1 ) h a v e i d e n t i fi e d a n u m b e r o f t o p o g r a p h i c p a r a m e t e r s t h a t c a n b e c o m p u t e d f r o m D E M d a t a , 8 6 w i t h m a n y o f t h e m r e q u i r e d a s i n p u t p a r a m e t e r s t o h y d r o l o g i c / N P S m o d e l s , i n c l u d i n g ; a s p e c t , s l o p e , u p s l o p e s l o p e , u p s l o p e a r e a , u p s l o p e l e n g t h , p r o fi l e c u r v a t u r e , fl o w p a t h l e n g t h a n d c a t c h m e n t a r e a . C a u t i o n m u s t b e p r a c t i c e d i n u s i n g D E M s f o r c e r t a i n l a n d s c a p e t o p o g r a p h i e s ( P a n u s k a e t a l . , 1 9 9 1 ) . D E M s a r e g e n e r a t e d u t i l i z i n g i n t e r p o l a t i o n m e t h o d s w i t h i n h e r e n t l e v e l s o f e r r o r . P a n u s k a e t a l . ( 1 9 9 1 , p . 6 3 ) n o t e " t h e a c c u r a c y w i t h w h i c h a D E M r e p r e s e n t s t h e l a n d s u r f a c e d e p e n d s o n t h e a c c u r a c y a n d r e s o l u t i o n , b o t h h o r i z o n t a l l y a n d v e r t i c a l l y , o f t h e o r i g i n a l s u r v e y d a t a “ . E r r o r i n D E M s g e n e r a t e d f r o m i n t e r p o l a t i o n o f d i g i t i z e d c o n t o u r l i n e s c a n r a n g e f r o m a m a x i m u m r o o t m e a n s q u a r e o f o n e - h a l f a c o n t o u r i n t e r v a l t o a n a b s o l u t e e r r o r n o g r e a t e r t h a n t w o c o n t o u r i n t e r v a l s ( U S G S , 1 9 8 7 ) . F o r a c o n t o u r m a p w i t h a 1 0 - m e t e r i n t e r v a l , t h e p o t e n t i a l e r r o r r a n g e s f r o m 5 - 2 0 m e t e r s . 1 T h e c o m p l e x i t y o f e r o s i o n p r o c e s s e s o c c u r r i n g i n a v a r i a b l e m i c r o - t e r r a i n o f a h i l l s i d e c a n n o t b e r e p r e s e n t e d b y D E M s a t t h e r e s o l u t i o n p r e s e n t l y a v a i l a b l e . T h e d e v e l o p e r s o f t h e R U S L E L S F a c t o r ( M c C o o l e t a l . , 1 9 9 1 , p . 4 ) s t a t e : “ S l o p e m a y b e e s t i m a t e d f r o m c o n t o u r m a p s h a v i n g 2 - f t c o n t o u r i n t e r v a l s i f c o n s i d e r a b l e c a r e i s u s e d “ . H o w e v e r , t h e m i n i m u m p o s s i b l e e r r o r c o n t a i n e d i n a D E M i s s e v e r a l t i m e s l a r g e r t h a n 2 f e e t . T h e y f u r t h e r e m p h a s i z e t h a t : " S l o p e l e n g t h s e s t i m a t e d f r o m c o n t o u r m a p s a r e u s u a l l y t o o l o n g b e c a u s e m o s t m a p s d o n o t h a v e t h e d e t a i l t o i n d i c a t e a l l c o n c e n t r a t e d fl o w a r e a s ” . T h e l i m i t e d r e s o l u t i o n o f a v a i l a b l e D E M s p r e s e n t s p r a c t i c a l p r o b l e m s i n g e n e r a t i n g p h y s i c a l l y r e p r e s e n t a t i v e h y d r o l o g i c a n d e r o s i o n p a r a m e t e r s f o r u p l a n d a r e a s . F r e e z o r ’ s e t a l . ( 1 9 8 9 ) i n t e g r a t i o n o f A G N P S 8 7 a n d A R C / I N F O d e t e r m i n e d s l o p e a n d s l o p e l e n g t h w i t h o u t e n l i s t i n g D E M s . T h e d o m i n a n t s o i l m a p p i n g u n i t w a s d e t e r m i n e d f o r e a c h c e l l , a n d t h e a s s o c i a t e d p e r c e n t s l o p e r e p o r t e d i n t h e S O I L S - 5 fi l e w a s a s s i g n e d t o t h a t c e l l . S l o p e l e n g t h s w e r e d e t e r m i n e d f r o m e s t a b l i s h e d l o o k - u p t a b l e s r e l a t i n g s l o p e t o a g i v e n s l o p e l e n g t h . O t t e r b y a n d O n s t a d ( 1 9 7 8 ) h a v e d e v e l o p e d t h e s e r e l a t i o n s h i p s f o r M i n n e s o t a . 2 . 2 . 7 . 3 L a n d U s e I L a n d C o v e r C o v e r a g e s M o s t r e s e a r c h i n t o G I S I m o d e l l i n k a g e f o r h y d r o l o g i c / N P S m o d e l i n g h a s b e e n c a r r i e d o u t i n r e s e a r c h w a t e r s h e d s , w h e r e l a n d c o v e r i n f o r m a t i o n i s g e n e r a t e d f r o m d e t a i l e d s u r v e y s . H o w e v e r , d e l i n e a t i o n o f w a t e r s h e d l a n d u s e a n d c o v e r a n d t h e d e t e r m i n a t i o n o f s u r f a c e h y d r a u l i c p a r a m e t e r s c a n b e o b t a i n e d f r o m a n u m b e r o f s o u r c e s . O l i v i e r i e t a l . ( 1 9 9 1 ) a n d H a m e d a n d E n g e l ( 1 9 9 3 ) i n c o r p o r a t e d T h e m a t i c M a p p e r ( T M ) s a t e l l i t e i m a g e r y , l o w l e v e l a e r i a l p h o t o g r a p h y w a s u t i l i z e d i n t h e s t u d y b y N e e d h a m a n d V i e u x ( 1 9 8 8 ) , a n d l : 1 0 0 , 0 0 0 s c a l e U S G S L a n d U s e I L a n d C o v e r a g e d i g i t a l c o v e r a g e s h a v e b e e n u s e d b y H a r n e d a n d E n g e l ( 1 9 9 3 ) a n d E n g e l ( 1 9 9 3 ) . E v e n t - d r i v e n h y d r o l o g y / N P S m o d e l s c a n u s e t h e i n f o r m a t i o n i n t e r p r e t e d f r o m " s n a p s h o t “ i m a g e s f r o m s a t e l l i t e s o r p h o t o g r a p h s r e p r e s e n t i n g a g i v e n g r o u n d c o n d i t i o n . C o n t i n u o u s s i m u l a t i o n m o d e l i n g r e q u i r e s i n f o r m a t i o n o n c h a n g e s i n l a n d c o v e r a n d s o i l s r e s u l t i n g f r o m a g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n t p r a c t i c e s a n d p l a n t g r o w t h , i n c l u d i n g t y p e a n d t i m i n g o f c u l t i v a t i o n a n d r a t e s o f c h e m i c a l a p p l i c a t i o n . F o r N P S p o l l u t i o n m o d e l i n g t h e t i m i n g a n d t y p e o f p r a c t i c e i s c r u c i a l f o r a c c u r a t e l y e s t i m a t i n g t h e l o a d i n g o f N P S p o l l u t a n t s ( Y o u n g e t a l . , 1 9 9 2 ) . 8 8 2 . 2 . 7 . 4 C h a n n e l C o v e r a g e s I n f o r m a t i o n o n c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s i s r e q u i r e d i n m o d e l i n g r o u t i n g o f r u n o f f t h r o u g h a w a t e r s h e d . C h a n n e l l e n g t h d a t a i n d i g i t a l f o r m a t c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e U S G S D L G ( D i g i t a l L i n e G r a p h ) fi l e s a t l : 2 4 , 0 0 0 s c a l e . T h e s e s t r e a m l i n e s , h o w e v e r , d o n o t c a p t u r e fi r s t o r d e r c o n c e n t r a t e d fl o w p a t h s t h a t c a n b e c o m e c r i t i c a l s o u r c e s o f s e d i m e n t s d u r i n g a r a i n s t o r m e v e n t ( M o o r e e t a l . , 1 9 9 3 ) . T e r r a i n a n a l y s i s p r o c e d u r e s c a n p r o c e s s D E M d a t a g e n e r a t i n g fl o w p a t h n e t w o r k s a s w e l l a s o t h e r t o p o g r a p h y - r e l a t e d p a r a m e t e r s . O ’ C a l l a g h a n a n d M a r k s ( 1 9 8 4 ) e s t a b l i s h e d a s e t o f t e c h n i q u e s ( D 8 ) f o r d e t e r m i n i n g t o p o g r a p h i c p a r a m e t e r s s u c h a s d r a i n a g e a r e a s a n d fl o w p a t h n e t w o r k s . B a n d ( 1 9 8 6 ) a n d J e n s o n a n d D o m i n g u e ( 1 9 8 8 ) h a v e i m p r o v e d t h e t e c h n i q u e s , m a k i n g t h e m m o r e e f fi c i e n t . T h e s e D E M t e c h n i q u e s a r e b a s e d u p o n d e t e r m i n i n g a fl o w p a t h d i r e c t i o n b y l o c a t i n g o n e o f t h e e i g h t n e i g h b o r i n g l a t t i c e v a l u e s w i t h t h e l a r g e s t e l e v a t i o n d i f f e r e n c e . A s e c o n d w e i g h t i n g m a t r i x i s u s e d t o k e e p t r a c k o f fl o w a c c u m u l a t i o n s , a s s i g n i n g a w e i g h t o f 1 t o a r e c e i v i n g p o s i t i o n a n d 0 t o a n o n - r e c e i v i n g p o s i t i o n . A n a c c u m u l a t i o n m a t r i x i s d e r i v e d f r o m t h e w e i g h t m a t r i x , s u m m i n g u p t h e w e i g h t s o f a l l e l e m e n t s d r a i n i n g i n t o a g i v e n e l e m e n t . A s t r e a m l i n e i s r e p r e s e n t e d b y fl o w d i r e c t i o n s f o r t h o s e c e l l s w i t h u p s l o p e a c c u m u l a t e d c e l l n u m b e r s g r e a t e r t h a n a u s e r - s e l e c t e d t h r e s h o l d v a l u e . T h i s t e r r a i n a n a l y s i s p r o c e d u r e i s i n c o r p o r a t e d i n t o m o s t G I S s i n c l u d i n g A R C / I N F O ( E S R I , 1 9 9 1 ) . I n l o n g , n o n - u n d u l a t i n g a n d c o n s t a n t s l o p e h i l l s i d e s a n d fl a t , m i n i m a l l y s l o p e d a r e a s , t h e a b o v e t e c h n i q u e t e n d s t o c r e a t e p a r a l l e l s t r e a m l i n e s . A f u r t h e r l i m i t a t i o n o f 8 9 t h i s t e c h n i q u e i s t h a t i t c a n n o t r e p r e s e n t c o n v e r g e n c e o r d i s p e r s i o n i n s t r e a m l i n e s ( M o o r e , 1 9 9 3 ) . A n u m b e r o f a l t e r n a t i v e t e r r a i n a n a l y s i s p r o c e d u r e s a r e u s e d t o o v e r c o m e t h e l i m i t a t i o n o f t h e D 8 m e t h o d . F a i r fi e l d a n d L e y m a i r e ( 1 9 9 1 ) i n t r o d u c e a r a n d o m v a r i a b l e t o a v o i d t h e f o r m a t i o n o f p a r a l l e l s t r e a m l i n e s . I n fl a t a r e a s a n d c o n s t a n t s l o p i n g h i l l s i d e s , s t r e a m s w i l l b e g i n t o c o n v e r g e , e v e n t u a l l y f o r m i n g o n e s t r e a m r a t h e r t h a n m u l t i p l e p a r a l l e l s t r e a m s . T h i s m e t h o d , h o w e v e r , d o e s n o t a c c o u n t f o r fl o w d i v e r g e n c e i n u p p e r s l o p e s . M o o r e ( 1 9 9 3 ) h a s m o d i fi e d t h e D 8 a n d F a i r fi e l d a n d L e y m a i r e m e t h o d t o a c c o u n t f o r c a t c h m e n t s p r e a d i n g . T h e b r a n c h i n g f r o m a s i n g l e fl o w d i r e c t i o n t o m u l t i p l e d o w n s l o p e l a t t i c e p o i n t s a n d t h e p a r t i t i o n i n g o f u p s l o p e c o n t r i b u t i n g a r e a s i s a c h i e v e d b y a s l o p e w e i g h t i n g p r o c e d u r e a s f o r w a r d e d b y F r e e m a n ( 1 9 9 1 ) a n d Q u i n n e t a l . ( 1 9 9 1 ) . R u n o f f r o u t i n g m o d e l i n g r e q u i r e s a d d i t i o n a l c h a n n e l i n f o r m a t i o n b e y o n d a r e a l d i m e n s i o n o f w a t e r s h e d a n d l e n g t h o f c h a n n e l s . C h a n n e l s l o p e , c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h e c h a n n e l a n d h y d r a u l i c r a d i u s a r e n e e d e d i n p h y s i c a l - b a s e d m o d e l s . C h a n n e l s l o p e c a n b e a p p r o x i m a t e d b y o v e r l a y i n g a c o v e r a g e o f c h a n n e l p a t h s o n t o a D E M - g e n e r a t e d l a n d s l o p e c o v e r a g e . T h i s m e t h o d h a s b e e n a p p l i e d b y m o s t G I S / m o d e l l i n k a g e s , i n c l u d i n g N e e d h a m a n d V i e u x ( 1 9 8 9 ) , O l i v i e r i e t a l . ( 1 9 9 1 ) a n d P a n u s k a e t a l . ( 1 9 9 1 ) . C a u t i o n m u s t b e p r a c t i c e d i n u s i n g D E M - g e n e r a t e d s l o p e v a l u e s f o r d e t e r m i n i n g c h a n n e l s l o p e . T h e c r o s s - w i d t h d i m e n s i o n o f t h e n a r r o w v a l l e y i n w h i c h t h e s m a l l o r d e r s t r e a m s fl o w m a y b e l e s s t h a n t h e 3 0 - m e t e r r e s o l u t i o n o f t h e D E M . C h a n n e l d i m e n s i o n c a n n o t b e r e s o l v e d b y a D E M . 2 . 2 . 7 . 5 G r i d C e l l R e p r e s e n t a t i o n D i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r m o d e l s r e q u i r e t h a t t h e w a t e r s h e d b e d e l i n e a t e d i n t o a r e a s r e p r e s e n t i n g h o m o g e n e o u s p h y s i c a l p r o p e r t i e s . T h e p r e v i o u s s e c t i o n p r e s e n t e d a d e s c r i p t i o n o f d i f f e r e n t t y p e s o f s p a t i a l d e l i n e a t i o n t h a t h a v e b e e n a p p l i e d i n h y d r o l o g i c a n d N P S m o d e l i n g . A G I S c a n f a c i l i t a t e t h e p r o c e s s o f c o m p u t a t i o n a l u n i t d e l i n e a t i o n a n d t h e d e t e r m i n a t i o n o f a r e p r e s e n t a t i v e p h y s i c a l p r o p e r t y ( V i e u x e t a l . , 1 9 8 9 ) . T h e f o l l o w i n g d i s c u s s i o n w i l l p e r t a i n t o o n e p a r t i c u l a r u n i t d e l i n e a t i o n ; a g r i d c e l l . T h e g r i d - c e l l u n i t i s t h e m e t h o d o f d e l i n e a t i o n u s e d i n t h e A N N - A G N P S m o d e l a n d i s t h e m o s t c o m m o n r e p r e s e n t a t i o n i n t h o s e m o d e l s l i n k e d t o G I S ( E n g e l , 1 9 9 3 ) . R e d u c i n g t h e c o m p u t a t i o n a l u n i t ’ s c e l l s i z e w i l l r e d u c e t h e v a r i a b i l i t y o f p h y s i c a l f e a t u r e s w i t h i n t h e b o u n d a r i e s o f t h e c e l l a n d b e t t e r r e p r e s e n t t h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y o f f e a t u r e s a c r o s s a w a t e r s h e d . L e s s i n t e r n a l v a r i a b i l i t y e n s u r e s a m o r e r e p r e s e n t a t i v e p a r a m e t e r v a l u e f r o m t h e c o m p u t a t i o n a l u n i t a n d a t r u e r r e p r e s e n t a t i o n o f r e l a t i v e f e a t u r e l o c a t i o n t h r o u g h o u t a w a t e r s h e d . A t r u e r r e p r e s e n t a t i o n o f a c t u a l f e a t u r e s i n t h e m o d e l i n p u t p a r a m e t e r s i s a s s u m e d t o l e a d t o b e t t e r m o d e l r e s u l t s . T h e r e a r e , h o w e v e r , t r a d e o f f s i n d e c r e a s i n g c e l l s i z e . A s m a l l e r c e l l s i z e r e q u i r e s a d d i t i o n a l d a t a b e c o l l e c t e d , m a n i p u l a t e d , s t o r e d a n d p r o c e s s e d . S e l e c t i n g a g r i d - c e l l s i z e f o r g e n e r a t i n g i n p u t p a r a m e t e r s r e q u i r e s c a r e f u l l y w e i g h i n g n e e d e d a c c u r a c y i n r e s u l t o u t p u t a g a i n s t t h e a m o u n t o f d a t a c o m p i l a t i o n a n d c o m p u t e r p r o c e s s i n g ( V i e u x a n d N e e d h a m , 1 9 9 3 ) . P a n u s k a e t a l . ( 1 9 9 1 ) f o u n d t h a t g r i d - c e l l s i z e w i l l i n fl u e n c e t h e d e t e r m i n a t i o n o f s e v e r a l k e y p a r a m e t e r s u s e d i n h y d r o l o g i c / N P S m o d e l i n g , i n c l u d i n g u p s l o p e 9 1 c o n t r i b u t i n g a r e a s a n d m a x i m u m fl o w p a t h l e n g t h . T h e y c o n c l u d e d t h a t t h e s m a l l c e l l s i z e g e n e r a l l y c h a r a c t e r i z e s t e r r a i n v a r i a b i l i t y b e s t , t h e r e f o r e a p p l i c a t i o n o f a s m a l l e r g r i d - c e l l s i z e i s d e s i r a b l e w h e n r e p r e s e n t i n g a c r u c i a l h y d r o l o g i c p a r a m e t e r s u c h a s fl o w p a t h l e n g t h . V i e u x a n d N e e d h a m ( 1 9 9 3 ) r e i t e r a t e d t h e s e fi n d i n g s b y d e m o n s t r a t i n g t h e i n fl u e n c e o f c e l l s i z e a n d r e l a t e d fl o w p a t h l e n g t h o n s e d i m e n t l o a d i n g f o r t h e A G N P S m o d e l . B y v a r y i n g c e l l s i z e , t h e y d e t e r m i n e d t h a t o f a l l t h e h y d r o l o g i c p a r a m e t e r s , s e d i m e n t l o a d i n g w a s m o s t s e n s i t i v e t o fl o w p a t h l e n g t h . F r e e z o r e t a 1 . ( 1 9 8 9 ) c o m p a r e d c e l l s i z e c h a n g e s f o r 4 , 1 6 , 6 4 a n d 2 5 6 a c r e s a g a i n s t a o n e - a c r e b a s e c e l l s i z e a l s o u t i l i z i n g t h e A G N P S m o d e l . T h e y f o u n d t h a t t h e f o u r - a c r e c e l l b e s t a p p r o x i m a t e d t h e v a l u e s g e n e r a t e d w i t h t h e b a s e o n e — a c r e c e l l , a n d t h a t a n i n c r e a s i n g c e l l s i z e i n c r e a s e d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e v a r i o u s o u t p u t r e s u l t s . C H A P T E R 3 W A T E R S H E D D E S C R I P T I O N T h e U S D A - A g r i c u l t u r a l R e s e a r c h S e r v i c e ( A R S ) s u p p o r t e d r e s e a r c h w a t e r s h e d ( M o y e r w a t e r s h e d ) i s l o c a t e d 1 9 m i l e s s o u t h o f M o r r i s a n d 1 5 m i l e s w e s t o f B e n s o n , M i n n e s o t a w i t h i n S w i f t C o u n t y ( F i g u r e 1 . 1 ) . T h e w a t e r s h e d i n c l u d e s p a r t s o f s e c t i o n s 3 3 , 3 4 , 3 5 o f F a i r fi e l d T o w n s h i p a s w e l l a s p a r t s o f s e c t i o n s 2 , 3 , 4 o f M o y e r T o w n s h i p . T h e w a t e r s h e d i s c o m p r i s e d o f 1 0 7 6 a c r e s o f p r i v a t e f a r m l a n d , w i t h 8 d i f f e r e n t o p e r a t o r s f a r m i n g 2 2 s e p a r a t e fi e l d s . T h e 8 o p e r a t o r s w e r e fi r s t c o n t a c t e d d u r i n g t h e w i n t e r a n d s p r i n g o f 1 9 9 2 . P e r m i s s i o n w a s o b t a i n e d f o r s e t t i n g u p g a u g i n g a n d s a m p l i n g e q u i p m e n t , a n d f o r s u r v e y i n g h i l l s i d e t o p o g r a p h y a n d c h a n n e l s . M o s t o f t h e o p e r a t o r s w e r e w i l l i n g p a r t i c i p a n t s i n t h e s t u d y , f r e e l y p r o v i d i n g fi e l d m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n . A f e w , h o w e v e r , w e r e m o r e r e l u c t a n t , a n d d i d n o t p r o v i d e fi e l d m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n . A f u r t h e r c o n s t r a i n t o f w o r k i n g o n p r i v a t e l a n d s w a s t h e i n a b i l i t y t o p l a c e w e i r s t r u c t u r e s w i t h i n t h e c o n c e n t r a t e d fl o w c h a n n e l s . A l t e r n a t i v e a n d l e s s a c c u r a t e c h a n n e l m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e t o b e u s e d i n c h a n n e l fl o w c a l c u l a t i o n s . T h e p h y s i o g e o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i c s o f W e s t - C e n t r a l M i n n e s o t a a n d o f M o y e r w a t e r s h e d , w h i c h i n c l u d e t o p o g r a p h y , s o i l s , a n d d r a i n a g e n e t w o r k s , a r e a p r o d u c t o f i t s g l a c i a l h i s t o r y . T h e M a n k a t o S u b s t a g e o f t h e W i s c o n s i n G l a c i a t i o n c o v e r e d t h e r e g i o n d u r i n g t h e l a s t g l a c i a l e p i s o d e . 8 , 0 0 0 y e a r s a g o , t h e g l a c i e r s b e g a n r e c e d i n g , 9 2 9 3 l e a v i n g b e h i n d a t h i c k m a n t l e o f g l a c i a l d r i f t . M e l t w a t e r s fl o w i n g f r o m t h e g l a c i e r s m o d i fi e d d r i f t i n t o l a c u s t r i n e a n d o u t w a s h d e p o s i t s . T e r m i n a l m o r a i n e s a r e f o u n d s c a t t e r e d a c r o s s t h e l a n d s c a p e c r e a t i n g t h e r e g i o n ’ s o n l y f o r m o f l o c a l r e l i e f . T h e M o y e r w a t e r s h e d i s a n a m p h i t h e a t e r - s h a p e d i m p r e s s i o n c u t b y e r o s i o n a l p r o c e s s e s i n t o t h e s o u t h s i d e o f t h e B i g s t o n e M o r a i n e . O v e r l a n d fl o w c o n c e n t r a t e s i n t o a n u m b e r o f n a t u r a l c h a n n e l fl o w d e p r e s s i o n s a n d a r t i fi c i a l d r a i n a g e n e t w o r k s r u n n i n g t h r o u g h fi e l d s a n d a l o n g r o a d e m b a n k r n e n t s . T h e o v e r a l l t o p o g r a p h y o f t h e w a t e r s h e d i s r e p r e s e n t e d b y g r a d u a l o v e r l a n d fl o w s l o p e s i n t e r s e c t e d b y s t e e p e r s h o r t s l o p e s d e s c e n d i n g i n t o c o n c e n t r a t e d fl o w p a t h s . O v e r a l l w a t e r s h e d s l o p e s d e c r e a s e f r o m u p l a n d p o r t i o n s o f t h e w a t e r s h e d t o w a r d s t h e w a t e r s h e d o u t l e t , w h e r e t h e l a n d i s n e a r l y l e v e l . A l s o , i n t e r s p e r s e d t h r o u g h o u t t h e w a t e r s h e d a r e l o c a l a r e a s o f l o w - s l o p e t o fl a t l a n d . ' S l o p e s w i t h i n t h e w a t e r s h e d r a n g e f r o m 0 t o 6 . 8 % w i t h a w e i g h t e d a v e r a g e s l o p e o f 1 . 9 % . A b r e a k d o w n o f t h e s l o p e c l a s s e s , a s d e t e r m i n e d f r o m a G I S - g e n e r a t e d 3 0 — m e t e r D E M e l e v a t i o n l a t t i c e , i s a s f o l l o w s : 0 - 1 % 2 8 5 a c r e s , 1 - 2 % 3 1 8 a c r e s , 2 - 3 % 2 5 6 a c r e s , 3 4 % 1 3 8 a c r e s , 4 - 5 % 6 3 a c r e s , 5 - 6 % 1 5 a c r e s a n d 6 - 7 % 2 a c r e s . F i g u r e 3 . 1 a d i s p l a y s t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f s l o p e c l a s s e s . F i g u r e 3 . l b d i s p l a y s t h e c o n c e n t r a t e d fl o w p a t h s f o r b o t h n a t u r a l a n d a r t i fi c i a l c h a n n e l s , d i v i d i n g c h a n n e l s i n t o g r a s s a n d s o i l - b a s e d . A l s o s h o w n a r e c o n t o u r l i n e s f r o m t h e 7 . 5 n r i n u t e U S G S t o p o g r a p h i c q u a d . s h e e t . F i g u r e 3 . 1 a P e r c e n t S l o p e F i g u r e 3 . 1 b C o n c e n t r a t e d F l o w P a t h s a n d C o n t o u r E l e v a t i o n L i n e s 9 5 S o i l s w i t h i n t h e M o y e r w a t e r s h e d a r e a d i r e c t p r o d u c t o f t h e g l a c i a l t i l l , ‘ f o r m i n g t h e f u n d a m e n t a l p a r e n t m a t e r i a l c o m p r i s i n g t h e t e r m i n a l m o r a i n e . T h e s e s o i l s r e p r e s e n t a r a n g e o f t e x t u r e s b a s e d u p o n t o p o g r a p h i c l o c a t i o n a n d p a r e n t m a t e r i a l . T h e v a s t m a j o r i t y o f s o i l s a r e a B a m e s - B u s e s e r i e s c o m p l e x d e r i v e d d i r e c t l y f r o m c a l c a r e o u s l o a m g l a c i a l t i l l . B a r n e s - B u s e c o m p l e x e s a r e l o c a t e d t h r o u g h o u t t h e u p p e r r e a c h e s a s w e l l a s i n t e r i o r r i d g e s a n d k n o l l s . P o r o s i t y o f t h i s c o m p l e x i s r e l a t i v e l y h i g h i n t h e s e l a r g e r t e x t u r e d l o a m s o i l s . E r o s i v e p o t e n t i a l f o r t h e s e s o i l s i s a l s o r e l a t i v e l y h i g h . C o n t i n u o u s f a r m i n g p r a c t i c e s h a v e c a u s e d e r o s i o n r e s u l t i n g i n e x p o s u r e o f p a r e n t c a l c a r e o u s m a t e r i a l s o n s m a l l - s c a l e r i d g e s a n d k n o l l s . S o i l s f o r m i n g w i t h i n t h e fl a t t e r d e p r e s s i o n a l a r e a s a l o n g - s i d e c o n c e n t r a t e d fl o w c h a n n e l s a r e p r i m a r i l y P a r n e l l s e r i e s s o i l . T h e s e s o i l s a r e d e r i v e d f r o m m a t e r i a l s t r a n s p o r t e d f r o m u p l a n d B a r n e s - B u s e c o m p l e x e s . P a r n e l l s o i l s a r e c o m p r i s e d o f s m a l l s i l t s a n d c l a y s w i t h v e r y l o w p o r o s i t y . T o p o g r a p l r i c a l l y a n d s t r u c t u r a l l y b e t w e e n t h e B a m e s - B u s e a n d P a r n e l l s o i l s a r e t h e T a r a a n d H a r n e r l y s o i l s s e r i e s . T h e s e s o i l s h a v e b e e n f o r m e d f r o m e r o d e d s i l t e d m a t e r i a l s d e p o s i t e d o n t o p o f fl a t t e r a r e a s o f g l a c i a l t i l l . P o r o s i t y c h a r a c t e r i s t i c s a r e i n t e r m e d i a t e b e t w e e n B a r n e s - B u s e a n d P a r n e l l . T a b l e 3 . 1 l i s t s t h e s o i l s m a p p i n g u n i t s a n d a c r e a g e a s f o u n d i n t h e M o y e r w a t e r s h e d . F i g u r e 3 . 2 a d i s p l a y s t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f t h e s o i l m a p p i n g u n i t s . A p p e n d i x A c o n t a i n s t h e d e t a i l e d d e s c r i p t i v e s o i l s d a t a d e r i v e d f r o m S C S ’ s S O I L S - 5 d a t a b a s e . T h e w e a t h e r o f W e s t - C e n t r a l M i n n e s o t a i s r e p r e s e n t a t i v e o f a N o r t h e r n P l a i n s C o n t i n e n t a l c l i m a t e . N o n - g r o w i n g s e a s o n w i n t e r t e m p e r a t u r e s f o r M o r r i s , M N r a n g e f r o m a n a v e r a g e h i g h o f 3 1 d e g r e e s F t o a n a v e r a g e l o w o f 1 1 d e g r e e s F b e t w e e n t h e 9 6 m o n t h s o f N o v e m b e r a n d M a r c h . A 5 0 p e r c e n t p r o b a b i l i t y e x i s t s t h a t a f r o s t w i l l o c c u r i n s p r i n g l a t e r t h a n M a y 1 5 a n d a 5 0 p e r c e n t p r o b a b i l i t y t h a t a f r o s t w i l l o c c u r i n t h e f a l l e a r l i e r t h a n S e p t e m b e r 2 5 . S n o w a c c u m u l a t i o n s v a r y s i g n i fi c a n t l y f r o m y e a r t o y e a r , w i t h a n a v e r a g e a c c u m u l a t e d s n o w f a l l o f 2 9 i n c h e s a n d m a x i m u m s n o w f a l l o c c u r r i n g i n M a r c h . T h e a v e r a g e n u m b e r o f d a y s w i t h m o r e t h a n 1 i n c h o f s n o w o n t h e g r o u n d i s 9 8 . T a b l e 3 . 1 S o i l M a p p i n g U n i t s i n M o y e r W a t e r s h e d M a p S y m b o l M a p p i n g U n i t A c r e s B e A B a r n e s l o a m , 0 - 2 % 1 1 B b B Z B a r n e s - B u s s l o a m s , 2 - 6 % 6 6 1 B b C 2 B a r n e s - R u s e l o a m s , 6 . 1 2 1 5 2 B u B 2 B u s e - B a m e s l o a m s , 2 - 6 % 2 6 D 1 3 D o l a n d s i l t l o a m , 2 - 6 % 9 H M H a m e r l y l o a m , 0 - 3 % 2 7 I - I h A H a n t l l o s i l t l o a m , 0 - 2 % 1 P a P a r n e l l s i l t y c l a y l o a m 9 P f P a r n e l l m d F l o r n s o i l s 1 5 0 S M S v e e l o a m , 0 — 2 % 6 0 S u B S v e e l o a m , 2 4 % 3 I T a A T a r a s i l t l o a m , 0 - 2 % 1 1 1 V a V a l l e r s - W i n g e r s i l t y c l a y l o a m 6 G r o w i n g s e a s o n m o n t h s e x p e r i e n c e w a r m t e m p e r a t u r e s a n d h u m i d c o n d i t i o n s . D u r i n g t h i s p e r i o d m a x i m u m a v e r a g e t e m p e r a t u r e s a r e 7 3 d e g r e e s F a n d m i n i m u m a v e r a g e t e m p e r a t u r e s a r e 4 8 d e g r e e s F . T h e l e n g t h o f t h e g r o w i n g s e a s o n i s 1 3 8 d a y s g i v e n t h e 5 0 p e r c e n t p r o b a b i l i t y l e v e l o f s p r i n g a n d f a l l f r o s t . S e v e n t y - fi v e p e r c e n t 9 7 o f t h e p r e c i p i t a t i o n f a l l s d u r i n g t h e g r o w i n g p e r i o d . T h e e a r l y s u m m e r m o n t h s o f M a y a n d J u n e r e c e i v e a l a r g e p e r c e n t a g e o f r a i n f a l l f r o m t h u n d e r s t o r m s . T h e p e r c e n t a g e o f r a i n a t t r i b u t e d t o t h u n d e r s t o r m s d e c l i n e s i n J u l y a n d a g a i n i n A u g u s t . T a b l e 3 . 2 p r o v i d e s t h e a v e r a g e m o n t h l y a n d a v e r a g e a n n u a l t e m p e r a t u r e s a n d p r e c i p i t a t i o n f o r S w i f t C o u n t y ( U S D A - S C S , 1 9 7 3 ) . T a b l e 3 . 2 C l i m a t e S u m m a r i e s f o r M o r r i s , M N F i g u r e 3 . 2 a S o i l M a p p i n g U n i t s F i g u r e 3 . 2 b 1 9 9 2 C r o p s 9 9 T h e m a j o r c r o p s g r o w n i n W e s t - C e n t r a l M i n n e s o t a a r e c o r n , s o y b e a n s a n d s m a l l g r a i n s w h i c h i n c l u d e s p r i n g w h e a t , b a r l e y a n d r y e . T h e M o y e r w a t e r s h e d r e fl e c t s t h i s r e g i o n a l c r o p p i n g p a t t e r n . W i t h i n t h e w a t e r s h e d , 6 3 4 a c r e s o f c o m , 2 3 2 a c r e s o f s o y b e a n s a n d 1 7 3 a c r e s o f s p r i n g w h e a t w e r e p l a n t e d d u r i n g t h e 1 9 9 2 g r o w i n g s e a s o n . A l s o i n c l u d e d i n t h e w a t e r s h e d a r e 1 5 a c r e s o f t r e e s h e l t e r s , 1 0 a c r e s o f f a l l o w fi e l d s , 1 0 a c r e s o f h o m e s t e a d / b a r n y a r d a r e a , a n d 3 a c r e s o f p a s t u r e s . T h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f 1 9 9 2 c r o p s i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 2 b . A g r o n o m i c a n d c o n s e r v a t i o n p r a c t i c e s v a r y g r e a t l y b a s e d o n t h e p r e f e r e n c e o f t h e i n d i v i d u a l f a r m e r . N o r m a l l y , f a l l fi l l i n g f o l l o w s h a r v e s t f o r i n c o r p o r a fi n g p l a n t r e s i d u e s i n t o t h e s o i l a s a m e t h o d t o p r o t e c t s o i l s f r o m w i n d a n d w a t e r e r o s i o n a s w e l l a s i n c r e a s e i n fi l t r a fi o n f o r r e c h a r g i n g s o i l m o i s t u r e l e v e l s . F a l l fi l l i n g i s a l s o p r e f e r a b l e o n l e s s p e r m e a b l e s o i l s i n l o w - l y i n g a r e a s . S p r i n g t i l l a g e i n t h e s e a r e a s i s d i f fi c u l t d u e t o w e t s o i l c o n d i t i o n s f r o m s n o w m e l t a n d h e a v y r a i n s . I n a r e a s w i t h i n c r e a s e d s l o p e s , f a l l t i l l a g e i s s o m e t i m e s s k i p p e d t o a v o i d r u n o f f a n d s o i l e r o s i o n o c c u r r i n g i n t h e e a r l y s p r i n g m o n t h s f r o m s n o w m e l t a n d h e a v y r a i n s . T h e r e s e a r c h w a t e r s h e d r e fl e c t s t h e d i v e r s i t y o f f a r m i n g t e c h n i q u e s p r a c fi c e d t h r o u g h o u t t h e r e g i o n . F o r t h e 1 9 9 2 s e a s o n , c e r t a i n fi e l d s w e r e f a l l fi l l e d w h i l e o t h e r s w e r e fi r s t fi l l e d i n t h e s p r i n g . T h e s e l e c t i o n o f fi l l a g e i m p l e m e n t s a l s o v a r i e d . S o m e f a r m e r s u s e d d i s k fi l l s w h i l e o t h e r s fi l l e d w i t h c u l fi v a t o r s . T h e i m p l e m e n t a fi o n o f m o s t o p e r a fi o n s , i n c l u d i n g fi l l a g e , p l a n fi n g , f e r fi l i z e r a n d p e s fi c i d e a p p l i c a fi o n , h o w e v e r , o c c u r r e d a p p r o x i m a t e l y d u r i n g t h e s a m e w e e k s o f t h e y e a r . A p p e n d i x B c o n t a i n s t h e d e s c r i p fi o n a n d fi m i n g o f m a n a g e m e n t p r a c fi c e s f o r 1 9 9 2 a s w e l l a s f o r t h e p r e v i o u s y e a r . 1 0 0 - 1 5 : 5 9 1 0 - ; i . fi é " ‘ r ‘ . F fl ‘ . f m ‘ - 1 fi ‘ f fi ‘ . - > i ( r ‘ s fi z fl fi : I " ‘ 5 ‘ . m u — n o c - 2 : . . ‘ a } . f . . 3 : 6 4 . - 7 5 1 ‘ - ° r : . “ : 5 . 9 1 ; : ‘ x . : 2 . ‘ ( J . n . _ ‘ L L ‘ _ . . 0 , J P N " . . - - m » ‘ 1 - 2 : 3 3 4 " m s ? . x I ? IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII IIIIIIIIIIIIIIII IIIIIIIII M i L h n c U I i l B g v R a e r n A s R S Y t l t y a t e T E I V U N 3 0 1 2 9 3 0 1 0 2 1 P T L O E O A A D V C A I T " D R F E I E T N D U E R S N M B u O n X t o U E . o n o D m r A w b d T o o d r b o d d d E D o n U e d u E n fl o m y k o u . D A T w E m a D d U . E l A " C H A P T E R 4 R E S E A R C H M E T H O D S T h e r e s e a r c h i s d i v i d e d i n t o t w o s e p a r a t e b u t c o n n e c t e d p h a s e s f o r t e s t i n g t h e s t a t e d r e s e a r c h h y p o t h e s e s . T h e fi r s t p h a s e i n v e s t i g a t e s t h e t w o m e t h o d s o f g e n e r a t i n g d a t a i n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e A N N - A G N P S m o d e l . T h e s e m e t h o d s a r e : ( 1 ) m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d r e c o n n a i s s a n c e fi e l d s u r v e y i n g , a n d ( 2 ) G I S t e c h n i q u e s , a s d e v e l o p e d f o r t h i s r e s e a r c h . T h e s e c o n d p h a s e o f t h e r e s e a r c h i s c o n c e r n e d w i t h t e s t i n g t h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f t h e A N N - A G N P S m o d e l u t i l i z i n g t h e m a p i n t e r p r e t a t i o n - a n d fi e l d s u r v e y i n g - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s . M o d e l - g e n e r a t e d r e s u l t s f o r r u n o f f v o l u m e , p e a k r u n o f f fl o w , s e d i m e n t l o a d i n g a n d s o l u b l e T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g w i l l b e c o m p a r e d t o d a t a c o l l e c t e d f r o m t h e w a t e r s h e d f o r t w o s t o r m e v e n t s . T h i s c h a p t e r i s s p l i t i n t o f o u r m a i n s e c t i o n s . T h e fi r s t s e c t i o n w i l l d e t a i l t h e t w o t e c h n i q u e s f o r m o d e l p a r a m e t e r c o l l e c t i o n a n d g e n e r a t i o n , a n d p r e s e n t t h e d e r i v e d i n f o r m a t i o n . T h e s e c o n d s e c t i o n w i l l d e s c r i b e t h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n a n d t e c h n i q u e s f o r c o l l e c t i n g m o d e l v e r i fi e a t i o n d a t a , a n d p r e s e n t t h e c o l l e c t e d d a t a . T h e t h i r d s e c t i o n p r o v i d e s a d e t a i l e d m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n o f p r o c e s s e s m o d e l e d b y t h e , A N N - A G N P S m o d e l n o t c o v e r e d w i t h i n t h e l i t e r a t u r e r e v i e w c h a p t e r . T h e fi n a l s e c t i o n o f t h i s c h a p t e r w i l l d e s c r i b e t h e a n a l y t i c t e c h n i q u e s e m p l o y e d f o r t e s t i n g t h e t w o r e s e a r c h h y p o t h e s e s . 1 0 1 G e n e r a t i n g p a r a m e t e r i n p u t d a t a f o r A N N - A G N P S i s a t w o - s t e p p r o c e s s . T h e fi r s t s t e p r e q u i r e s d e l i n e a t i o n o f t h e w a t e r s h e d i n t o g r i d c e l l - b a s e d c o m p u t a t i o n a l u n i t s . T h e g r i d s i z e s c h o s e n f o r t h i s s t u d y a r e 4 0 a n d 1 0 a c r e s . T h e s e c o n d s t e p i s t o i d e n t i f y a s i n g l e p a r a m e t e r v a l u e t o r e p r e s e n t t h e ' o n - t h e - g r o u n d " p h y s i e a l a n d a g r o n o m i c c h a r a c t e r i s t i c s . B o t h s t e p s a r e r e q u i r e d b y t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s a s s e s s e d i n t h i s s t u d y , m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d r e c o n n a i s s a n c e fi e l d s u r v e y i n g , a n d G I S t e c h n i q u e s . 4 . 1 . 1 M a p I n t e r p r e t a t i o n a n d R e c o n n a i s s a n c e F i e l d S u r v e y i n g M a p i n t e r p r e t a t i o n a n d r e c o n n a i s s a n c e fi e l d s u r v e y i n g r e p r e s e n t t h e c o n v e n t i o n a l m e t h o d o f g a t h e r i n g p a r a m e t e r i n p u t d a t a f o r N P S w a t e r p o l l u t i o n m o d e l i n g a n d a r e u s u a l l y e m p l o y e d b y c o n s e r v a t i o n p l a n n e r s . R e a d i l y a v a i l a b l e t o p o g r a p h i c a n d s o i l s m a p s t o g e t h e r w i t h a e r i a l p h o t o g r a p h y a r e i n t e r p r e t e d f o r d e t e r m i n i n g a b a s e - l i n e s e t o f m o d e l p a r a m e t e r v a l u e s . F o l l o w - u p r e c o n n a i s s a n c e fi e l d s u r v e y s a r e t h e n u n d e r t a k e n t o v e r i f y a n d a d j u s t t h e m a p - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s . M a p i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d s u r v e y i n g c a r r i e d o u t f o r t h i s r e s e a r c h a r e r e p r e s e n t a t i v e o f t h e e f f o r t a c o n s e r v a t i o n p l a n n e r c o u l d g i v e t o o n e p r o j e c t . T h e s u r v e y u n d e r t a k e n f o r t h i s r e s e a r c h , t h e r e f o r e , d o e s n o t r e p r e s e n t a s c i e n t i fi c d a t a g a t h e r i n g e f f o r t . R a t h e r i t w a s a c u r s o r y c h e c k r e l a t i n g m a p - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s t o t h e l a n d s c a p e ’ s p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s . I f c o n s i d e r a b l e d i v e r g e n c e w a s f o u n d b e t w e e n m a p i n t e r p r e t a t i o n s a n d fi e l d s u r v e y , m a p i n t e r p r e t e d p a r a m e t e r v a l u e s w e r e c h a n g e d t o o b s e r v e d r e c o r d i n g s . 1 0 3 F i e l d s u r v e y i n g c o n s i s t e d o f m e a s u r i n g s l o p e s a n d s l o p e l e n g t h f o r o n l y t o p o g r a p h i c a l l y s t e e p e r a r e a s i n t h e w a t e r s h e d t h a t w e r e a s s u m e d t o b e m o r e h i g h l y e r o d i b l e . M a p - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s f o r c h a n n e l l e n g t h , c h a n n e l s l o p e a n d c h a n n e l s i d e s l o p e w e r e fi e l d - c h e c k e d b y w a l k i n g t h e m a j o r c h a n n e l s i d e n t i fi e d o n t h e U S G S q u a d . s h e e t a n d r e c o r d i n g l e n g t h s a n d s l o p e b y p a c i n g a n d s u r v e y i n g . F i e l d m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n w a s o b t a i n e d t h r o u g h i n f o r m a l i n t e r v i e w s w i t h t h e f a r m e r s a n d / o r o b s e r v a t i o n o f p r a c t i c e s i n t h e fi e l d s . T h e fi e l d m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n r e q u i r e d b y t h e A N N - A G N P S m o d e l i n c l u d e s t y p e a n d t i m i n g o f fi e l d o p e r a t i o n s . F i e l d m a n a g e m e n t p r a c t i c e s a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x B . M a n u a l l y d e l i n e a t i n g a g r i d c e l l f r a m e w o r k i s a c c o m p l i s h e d w i t h t h e u s e o f a U S G S 7 . 5 m i n u t e q u a d . s h e e t . F o r t h e U p p e r M i d w e s t , a l a r g e - s c a l e g r i d d e l i n e a t i o n e x i s t s o n t h e s e m a p s i n t h e f o r m o f r o a d s a n d fi e l d b o u n d a r i e s c o n f o r m i n g t o t h e 6 4 0 a c r e - s e c t i o n . S e c t i o n s c a n b e q u a r t e r e d u n t i l t h e d e s i r e d s i z e c e l l i s a c h i e v e d . U s i n g t h e e x i s t i n g p u b l i c s u r v e y b o u n d a r i e s a s a f r a m e w o r k f o r g r i d d e l i n e a t i o n i s a d v a n t a g e o u s b e e a u s e g r i d c e l l s l i n e u p w i t h fi e l d b o u n d a r i e s , t h u s e n a b l i n g b e t t e r g r o u n d r e p r e s e n t a t i o n . O n c e t h e a r e a e n c o m p a s s i n g a n d s u r r o u n d i n g t h e w a t e r s h e d i s g r i d d e d , o n l y w a t e r s h e d g r i d c e l l s a r e r e t a i n e d f o r p a r a m e t e r d a t a c o l l e c t i o n . T h e A G N P S U s e r s ’ G u i d e ( Y o u n g e t a l . 1 9 8 9 ) s u g g e s t s t h a t g r i d c e l l s w i t h o n e - h a l f o r m o r e o f t h e i r a r e a w i t h i n t h e w a t e r s h e d s h o u l d b e r e t a i n e d . F i g u r e s 4 . 1 a - b d i s p l a y t h e g r i d c e l l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e w a t e r s h e d f o r 4 0 a n d 1 0 a c r e g r i d c e l l s . 1 0 4 4 " ~ _ _ _ I ‘ ~ . . ~ ' — — - - ‘ - - ‘ \ I \ I ‘ \ I \ l \ I \ I 4 ‘ \ \ \ \ _ l I I / \ . ’ 1 ’ \ I ’ I a V \ / \ l \ I J I , 1 I i # - - - - h 0 \ , J I ’ 0 ” I 1 ” L / F i g u r e 4 . l a 4 0 A c r e I n t e r p r e t e d W a t e r s h e d G r i d s A ’ ~ s _ ~ ~ I ‘ I < . _ - . . . — . . . _ . , . . _ \ 1 ‘ ~ I T . , I \ I I \ \ - \ . _ _ I ‘ I 1 I ! \ ‘ I t , \ i ’ 4 ’ \ / \ l \ I ) I I w ’ / r > — - — - - I I ) A I [ J I , — ’ - = = = = T 7 — — - ' 1 0 0 0 o 1 0 0 0 a o o o a c c o r d - t F i g u r e 4 . l b 1 0 A c r e I n t e r p r e t e d W a t e r s h e d G r i d s 1 0 5 T h e p h y s i e a l a n d a g r o n o m i c i n f o r m a t i o n r e q u i r e d a s p a r a m e t e r d a t a i n p u t i n t o t h e A N N - A G N P S m o d e l e a n b e d i v i d e d i n t o f o u r b a s i c f e a t u r e c l a s s e s : ( 1 ) l a n d c o v e r / l a n d u s e , ( 2 ) s o i l s , ( 3 ) t o p o g r a p h y , a n d ( 4 ) c h a n n e l s . T h e s e f o u r c l a s s e s o f i n f o r m a t i o n c a n b e d e t e r m i n e d f r o m t h r e e b a s i c s o u r c e s o f a v a i l a b l e d a t a a s w e l l a s fi e l d s u r v e y s . T h e s o u r c e s u s e d i n t h i s p r o j e c t i n c l u d e : ( 1 ) a e r i a l p h o t o g r a p h y ; l : 4 0 , 0 0 0 s e a l e N a t i o n a l A e r i a l P h o t o g r a p h y P r o g r a m ( N A P P ) ( A p r i l 2 8 , 1 9 9 1 ) , ( 2 ) U S D A - S C S l : 1 6 , 0 0 0 S o i l S u r v e y o f S w i f t C o u n t y ( 1 9 7 3 ) , a n d ( 3 ) U S G S 7 . 5 m i n u t e 1 : 2 4 , 0 0 0 s e a l e H a n c o c k S W t o p o g r a p h i c q u a d r a n g l e ( 1 9 6 8 ) . T h e s e m a p s r e p r e s e n t a p r i m a r y s o u r c e o f i n f o r m a t i o n f o r g e n e r a t i n g m o d e l p a r a m e t e r s . T h e f o l l o w - u p fi e l d s u r v e y i s a n e e d e d s e c o n d l e v e l o f p a r a m e t e r v e r i f i e a t i o n . T h e i n f o r m a t i o n s o u r c e o f A N N - A G N P S p a r a m e t e r v a l u e s a s s o c i a t e d w i t h e a c h f e a t u r e i s g i v e n i n T a b l e 4 . 1 . A s e a n b e n o t e d f r o m t h e t a b l e , m o s t m a p - d e r i v e d p a r a m e t e r v a l u e s r e q u i r e d a fi e l d s u r v e y v a l i d a t i o n . T h e f o u r f e a t u r e c l a s s e s r e p r e s e n t e d i n t h e t h r e e d a t a s o u r c e s c a n b e d e fi n e d a s e i t h e r a r e a - b a s e d o r l i n e a r - b a s e d g e o g r a p h i c e l e m e n t s . T h e t w o e l e m e n t s r e q u i r e d i f f e r e n t t e c h n i q u e s f o r e x t r a c t i n g p a r a m e t e r d a t a f r o m t h e m a p s o u r c e s . S o i l s a n d l a n d u s e m a p s a r e r e p r e s e n t a t i v e o f p a r a m e t e r s d e r i v e d f r o m a r e a - b a s e d e l e m e n t s , a n d c h a n n e l a n d h i l l s i d e s l o p e i n f o r m a t i o n i s r e p r e s e n t a t i v e o f l i n e a r - b a s e d e l e m e n t d a t a . 1 0 6 T a b l e 4 . 1 I n f o r m a t i o n S o u r c e s f o r A N N - A G N P S P a r a m e t e r s F i e l d S u r v e y F o r a r e a - b a s e d f e a t u r e s , t h e d o m i n a n t m a p c h a r a c t e r i s t i c w i t h i n t h e c e l l b e c o m e s t h e s i n g l e p a r a m e t e r v a l u e u s e d a s i n p u t i n t o t h e m o d e l . A s i m p l e ' d o t - c o u n t i n g “ m e t h o d w a s e n l i s t e d t o d e t e r m i n e a t t r i b u t e d o m i n a n c e w h e n a l a r g e d e g r e e o f s p a t i a l v a r i a b i l i t y e x i s t e d . T h e d o m i n a n t fi e l d o r s o i l m a p p i n g u n i t w a s c h o s e n f o r a c e l l b y s u p e r i m p o s i n g a l a t t i c e o f p o i n t s o n t o t h e l a n d c o v e r / l a n d u s e a n d s o i l s m a p s , t h e n s e l e c t i n g t h e fi e l d o r s o i l m a p p i n g u n i t w i t h t h e l a r g e s t n u m b e r o f p o i n t s . F i g u r e s 4 . 2 a - b a n d 4 . 3 a - b s h o w 4 0 a n d 1 0 a c r e c e l l s i z e s u p e r i m p o s e d o n t o s o i l m a p s a n d a e r i a l p h o t o g r a p h s . O n c e a s o i l s m a p p i n g u n i t i s i d e n t i fi e d f o r t h e c e l l , s o i l d e s c r i p t i v e i n f o r m a t i o n i s r e q u i r e d a s i n p u t t o t h e m o d e l . S o i l d e s c r i p t i v e d a t a c a n b e l o c a t e d i n e i t h e r t h e U S D A - S C S S o i l s 5 s h e e t s a v a i l a b l e a t t h e c o u n t y S C S o f fi c e o r 1 0 7 f r o m t h e c o u n t y s o i l s u r v e y . F i e l d m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n m u s t a l s o b e o b t a i n e d f o r e a c h o f t h e i d e n t i fi e d c e l l s . T h i s t y p e o f d e s c r i p t i v e i n f o r m a t i o n e a n b e o b t a i n e d t h r o u g h o b s e r v a t i o n , f a r m e r i n t e r v i e w o r q u e s t i o n n a i r e s , o r t h r o u g h t h e u s e o f l o e a l l y r e p r e s e n t a t i v e p r a c t i c e s . L i n e a r a t t r i b u t e s a r e d e t e r m i n e d b y fi r s t i d e n t i f y i n g t h e s p a t i a l e x t e n t o f t h e f e a t u r e , t h e n m e a s u r i n g t h e v e r t i c a l d i s t a n c e a n d h o r i z o n t a l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e e s t a b l i s h e d e n d p o i n t s . I n f o r m a t i o n r e q u i r e d i n l i n e a r m e a s u r e m e n t s i s d e r i v e d f r o m t h e U S G S q u a d . s h e e t a s s h o w n i n F i g u r e s 4 . 4 a - b f o r 4 0 a n d 1 0 a c r e c e l l s . E s t i m a t i n g a r e p r e s e n t a t i v e h i l l s i d e s ’ p e r c e n t s l o p e r e q u i r e s i n t e r p r e t i n g c o n t o u r l i n e c r e n u l a t i o n t o d e t e r m i n e t h e r i d g e t o p b e g i n n i n g o f t h e s l o p e a n d i t s t e r m i n a t i o n i n a g u l l y d e p r e s s i o n . T h e h o r i z o n t a l d i s t a n c e b e t w e e n t h e b e g i n n i n g a n d e n d i n g p o i n t i s d i v i d e d i n t o a n e s t i m a t e d e l e v a t i o n d i f f e r e n c e . A n e l e v a t i o n c o n t o u r i n t e r v a l o f 1 0 f e e t d o e s n o t p r o v i d e s u f fi c i e n t v e r t i e a l r e s o l u t i o n t o d e t e r m i n e a n a c c u r a t e e l e v a t i o n . C o n s i d e r a b l e i n t e r p r e t a t i o n i s t h u s r e q u i r e d , a n d e r r o r o f u p t o 1 0 f e e t i n t h e v e r t i e a l d i r e c t i o n i s p o s s i b l e . 1 0 8 F i g u r e 4 . 2 a 4 0 A c r e G r i d a n d S o i l M a p p i n g U n i t s F i g u r e 4 . 2 b 1 0 A c r e G r i d a n d S o i l M a p p i n g U n i t s % « ( . . , . l > : s a v m - a g I a ' x ‘ r m ' " ' W f b ' J “ a r e " ’ 4 . F r e e f w e " $ 3 4 5 5 “ ; e r " " § " ~ € é § é g é é - a r e a s d e a a a a e g e a e ‘ i g ? E i g s g a ‘ a g e ” ? Q : $ 9 3 : " ' \ ¥ . 1 § ‘ ; 3 8 : " ) K I 6 € “ “ 8 ' t h 3 3 ; : . ' . i f ' V b a f d o b . I I ‘ 1 . . F i g u r e 4 . 3 b 1 0 A c r e G r i d a n d A e r i a l P h o t o g r a p h I’l 1 1 0 n . 6 \ Q : - F i g u r e 4 . 4 b A c r e 1 l 1 C h a n n e l l e n g t h s a r e m e a s u r e d d i r e c t l y o f f t h e t o p o g r a p h i c m a p w i t h t h e b e g i n n i n g a n d e n d i n g m e a s u r e m e n t p o i n t s l o e a t e d a t t h e g r i d c e l l e d g e . C h a n n e l s l o p e s a r e c a l c u l a t e d b y d i v i d i n g t h e d i f f e r e n c e i n e l e v a t i o n f r o m o n e e n d o f t h e c e l l t o t h e o t h e r b y t h e c h a n n e l l e n g t h . F o r t h o s e c e l l s w i t h o u t a m a p p e d c h a n n e l , c h a n n e l l e n g t h i s e a l c u l a t e d a s a s t r a i g h t - l i n e d i s t a n c e a c r o s s t h e c e l l b a s e d u p o n t h e f l o w d i r e c t i o n i n t o a n d t h e fl o w d i r e c t i o n o u t o f t h e c e l l . T h i s i s t h e c h a n n e l l e n g t h m e t h o d e n l i s t e d i n t h e A G N P S m o d e l ( Y o u n g e t a l . , 1 9 8 9 ) . C h a n n e l s l o p e i s a s s i g n e d a v a l u e o f o n e - h a l f t h e h i l l s i d e s l o p e . F l o w d i r e c t i o n a n d r e c e i v i n g c e l l p a r a m e t e r d a t a a r e a l s o g e n e r a t e d u s i n g c o n t o u r a n d c h a n n e l l i n e s o f f t h e q u a d . s h e e t s . C h a n n e l n e t w o r k l i n e s d e t e r m i n e t h e d i r e c t i o n o f fl o w a n d t h e r e c e i v i n g c e l l . H o w e v e r , i f a c e l l d o e s n o t c o n t a i n a c h a n n e l , e l e v a t i o n c o n t o u r l i n e s m u s t b e e v a l u a t e d t o d e t e r m i n e t h e d o m i n a n t fl o w d i r e c t i o n a s w e l l a s t h e c e l l w h i c h r e c e i v e s t h e fl o w . M u l t i p l e c h a n n e l s m a y e x i s t w i t h i n a c e l l . T h e p r i m a r y fl o w d i r e c t i o n a n d r e c e i v i n g c e l l a r e r e p r e s e n t e d b y t h e c h a n n e l w i t h t h e l a r g e s t d r a i n a g e a r e a . T h e fi n a l i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s d e v e l o p e d t h r o u g h m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d r e c o n n a i s s a n c e fi e l d s u r v e y i n g a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x C T a b l e C l f o r 4 0 a c r e c e l l s i z e a n d T a b l e C 2 f o r 1 0 a c r e c e l l s i z e . 4 . 1 . 2 G I S - I n t e r f a c e P r o g r a m A G I S - i n t e r f a c e t o t h e A N N - A G N P S m o d e l w a s d e v e l o p e d f o r t h i s r e s e a r c h p r o j e c t . I t a l l o w s r e s o u r c e p l a n n e r s w i t h n o p r e v i o u s G I S e x p e r i e n c e t o i n t e r a c t w i t h a v a i l a b l e d i g i t a l c o v e r a g e s i n g e n e r a t i n g i n p u t p a r a m e t e r s t o t h e A N N - A G N P S m o d e l . 1 1 2 T h e G I S - i n t e r f a c e c o n s i s t s o f a s e t o f b a s e m e n u s , d a t a s p e c i fi c ” p o p - u p ” m e n u s , a n d a g r a p h i e a l d i s p l a y w i n d o w , t h a t l e a d t h e u s e r i n e n t e r i n g d e s c r i p t i v e p a r a m e t e r i n p u t d a t a , r u n n i n g G I S p r o c e s s e s , a n d e d i t i n g G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r r e s u l t s . T h e i n t e r f a c e p r o g r a m w a s w r i t t e n i n A R C / I N F O ’ s A u t o m a t e d M a c r o L a n g u a g e ( A M L ) . A M I . i s a h i g h - l e v e l s c r i p t l a n g u a g e w h i c h i n t e g r a t e s A R C / I N F O c o m m a n d l i n e r o u t i n e s w i t h t h e U N I X g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e . T h e G I S — i n t e r f a c e p r o g r a m p r o c e s s e s t h e s a m e b a s e m a p s a s u t i l i z e d i n m a p i n t e r p r e t a t i o n p r o c e d u r e s , h o w e v e r , i n a s p a t i a l d i g i t a l f o r m a t . T h e d i g i t a l c o v e r a g e s u s e d i n t h e G I S - i n t e r f a c e p r o g r a m i n c l u d e : ( 1 ) a 1 0 f t r e s o l u t i o n s c a n n e d N A P P p h o t o g r a p h , s c a n n e d a t 3 0 0 d o t s p e r i n c h , ( 2 ) a d i g i t a l c o v e r a g e o f t h e U S D A - S C S s o i l s m a p p i n g u n i t s f r o m t h e c o u n t y s o i l s u r v e y , ( 3 ) a d i g i t a l c o v e r a g e o f e l e v a t i o n c o n t o u r l i n e s , ( 4 ) a d i g i t a l c o v e r a g e o f U 8 6 8 i n t e r m i t t e n t s t r e a m l i n e s , a n d ( 5 ) a d i g i t a l c o v e r a g e o f s e c t i o n l i n e s . P r e - p r o c e s s i n g o f t h e d i g i t a l e l e v a t i o n c o n t o u r l i n e s w a s n e e d e d t o c o n v e r t t h e d i g i t a l l i n e f o r m a t d a t a i n t o r a s t e r f o r m a t d a t a w h e r e b y t h e G I S e a p a b i l i t i e s w e r e u s e d t o d e l i n e a t e t h e w a t e r s h e d b o u n d a r y . T h e c o n t o u r l i n e s w e r e fi r s t c o n v e r t e d t o a n i n t e r m e d i a t e T I N ( T r i a n g u l a t c d I r r e g u l a r N e t w o r k ) c o v e r a g e , t h e T I N c o v e r a g e w a s t h e n c o n v e r t e d t o a l a t t i c e o f e l e v a t i o n h e i g h t s ( D E M ) w i t h a 9 0 f t r e s o l u t i o n . A s a D E M , t h e t o p o g r a p h i c i n f o r m a t i o n w a s p r o c e s s e d w i t h r a s t e r - b a s e d t e c h n i q u e s f o r c a l c u l a t i n g fl o w d i r e c t i o n s a n d fl o w a c c u m u l a t i o n . T h i s i n f o r m a t i o n w a s i n t u r n u s e d t o d e l i n e a t e t h e w a t e r s h e d b o u n d a r y . T h e s p a t i a l r e s o l u t i o n o f t h e D E M i n h o r i z o n t a l a n d v e r t i e a l d i m e n s i o n s d e t e r m i n e s t h e s h a p e t h e w a t e r s h e d b o u n d a r y a s s u m e s . M a j o r 1 1 3 d i f f e r e n c e s i n b o t h t h e s h a p e a n d a r e a o c c u r b e t w e e n t h e G I S - g e n e r a t e d a n d t h e v i s u a l l y i n t e r p r e t e d b o u n d a r i e s . T a b l e s 4 . 2 , 4 . 3 , 4 . 4 l i s t t h e d i f f e r e n c e s i n a r e a f o r f e a t u r e c l a s s e s o f c r o p s , s o i l s a n d s l o p e s b e t w e e n t h e v i s u a l l y i n t e r p r e t e d a n d t h e G I S - g e n e r a t e d w a t e r s h e d b o u n d a r i e s . F i g u r e s 4 . 5 a , 4 . 5 b , 4 . 6 a a n d 4 . 6 b d e m o n s t r a t e t h e b a s i c m a p f e a t u r e s c l i p p e d t o t h e G I S - g e n e r a t e d w a t e r s h e d b o u n d a r y f o r p e r c e n t s l o p e , f l o w p a t h s , s o i l s a n d c r o p s r e s p e c t i v e l y . T a b l e 4 . 2 S o i l s A c r e a g e D i f f e r e n c e 1 1 4 T a b l e 4 . 3 C r o p A c r e a g e D i f f e r e n c e T a b l e 4 . 4 P e r c e n t S l o p e A c r e a g e D i f f e r e n c e F i g u r e 4 . 5 a P e r c e n t S l o p e F i g u r e 4 . 5 b C o n c e n t r a t e d F l o w P a t h s I M a s I 1 - 2 % I 2 - 3 % I 3 - 5 9 5 E l 7 - 8 9 6 1 1 6 S p r i n g W h e a t D F a l l o w @ F a r m s t e a d W o o d l o t P a s t u r e 1 W 0 0 1 0 0 0 2 M 3 0 0 0 M F i g u r e 4 . 6 b 1 9 9 2 C r o p s l 1 7 T h e G I S - i n t e r f a c e p r o g r a m c r e a t e s a g r i d s t r u c t u r e i n t h e s a m e w a y i t w o u l d b e d o n e b y h a n d . T h e p r o g r a m i d e n t i fi e s a s e c t i o n c o r n e r s o u t h a n d w e s t o f t h e w a t e r s h e d a n d t h e n g e n e r a t e s a g r i d s t r u c t u r e b a s e d u p o n t h e s e l e c t e d c e l l s i z e . Q u a r t e r e d d e r i v a t i v e s o f t h e 6 4 0 a c r e c e l l s i z e w i l l b e s t r e p r e s e n t g r o u n d i n f o r m a t i o n , a s m e n t i o n e d a b o v e . T h e G I S t h e n d e t e r m i n e s w h i c h c e l l s h a v e o n e - h a l f o r m o r e o f t h e i r a r e a w i t h i n t h e w a t e r s h e d . F i g u r e s 4 . 7 a - b s h o w t h e g r i d c o n fi g u r a t i o n f o r t h e G I S - g e n e r a t e d w a t e r s h e d b o u n d a r y . B a s e d u p o n t h e c h o s e n g r i d c e l l s i z e a n d s p a t i a l p l a c e m e n t o f t h e c e l l w i t h i n t h e w a t e r s h e d , t h e G I S - i n t e r f a c e p r o g r a m d e t e r m i n e s a s i n g l e p a r a m e t e r v a l u e f o r t h e a r e a - b a s e d fi e l d s a n d s o i l s d i g i t a l c o v e r a g e s b y c o n v e r t i n g t h e p o l y g o n ( a r c - n o d e ) f o r m a t c o v e r a g e s i n t o a r a s t e r - b a s e d f o r m a t . T h e G I S o p e r a t i o n u t i l i z e s t h e s a m e b a s i c p r i n c i p l e o f d o m i n a n t a r e a a t t r i b u t e i n a s s i g n i n g a s i n g l e v a l u e t o t h e g r i d c e l l . A p o r t i o n o f t h e S o i l s - 5 t a b u l a r d i g i t a l fi l e w a s s u b s e t a n d e n t e r e d i n t o t h e I N F O d a t a b a s e . A f t e r a s i n g l e s o i l m a p p i n g u n i t i s d e t e r m i n e d f o r a g r i d c e l l , a r e l a t i o n a l l i n k b e t w e e n t h e g r i d a n d t h e s o i l s d a t a b a s e i s a u t o m a t i c a l l y c r e a t e d b y t h e p r o g r a m . T h e G I S - i n t e r f a c e p r o g r a m p r o v i d e s t h e c a p a c i t y t o u p d a t e s o i l d a t a . F i g u r e 4 . 8 s h o w s t h e i n t e r f a c e p r o g r a m s c r e e n f o r s e l e c t i n g a n d u p d a t i n g s o i l s d a t a o n a c e l l - b y - c e l l b a s i s . 1 1 8 1 . . . . . . . " - I - I - - - - - I - I a ' 0 I . _ - 0 I - W " . " . . . . . . . . . . _ _ . ' " I . ” " " . I ' " o ‘ . I . e . - 1 : - e . " I ' I E 2 . " I y . I i 1 . . " I I I : . ' L ‘ I . r " ' . 1 " i n " r ' . . - - I " : J " I . r " - - 1 , " 3 I , ' - - 1 _ . I - . " t ‘ ’ - I - - - - - - I . ‘ I H " I - o I r - F i g u r e 4 . 7 a 4 0 A c r e G I S - D e l i n e a t e d W a t e r s h e d G r i d s J 7 ' - _ I ‘ . ‘ “ ' I - I - - - - I - . a I . . ‘ - H . . . " , I — “ g - ‘ I fi ' - - . - - - . - - - . ' . “ " " u " - . " - ' 1 ‘ - . : I - ‘ : j ' . - ' 7 ‘ i ' I I I : ' - . . ‘ ” I J L L . ' . “ I o " i n ' . l ' I ' v 7 - : : t I I " ‘ I . ' b . g . . . . 5 " " I t I . - I . . . . I . ‘ 2 L I " I r - J 2 : : I I " " " ' 1 0 0 0 0 1 ” z o n e m m F i g u r e 4 . 7 b 1 0 A c r e G I S - D e l i n e a t e d W a t e r s h e d G r i d s F i g u r e 4 . 8 S o i l s M a ' p p m g U n i t P a r a m e t e r I n p u t a n d E d i t S c r e e n O V U N 1 1 9 1 2 0 T h e m o s t e x t e n s i v e p a r a m e t e r i n p u t r e q u i r e m e n t s o f t h e A N N - A G N P S m o d e l a r e w i t h t h e d e s c r i p t i o n o f t y p e a n d t i m i n g o f fi e l d i m p l e m e n t s . T h e G I S - i n t e r f a c e e n a b l e s t h e m o d e l u s e r t o i n p u t t h i s i n f o r m a t i o n o n a fi e l d - b y - fi e l d b a s i s b y p r o v i d i n g m e n u i n t e r f a c e s f o r s e l e c t i n g a fi e l d a n d e n t e r i n g t h e fi e l d o p e r a t i o n s . F i g u r e s 4 . 9 t h r o u g h 4 . 1 5 d i s p l a y t h e m e n u i n t e r f a c e s w h i c h g u i d e t h e u s e r i n d e v e l o p i n g fi e l d m a n a g e m e n t s c e n a r i o s . F i e l d m a n a g e m e n t i n p u t b e g i n s b y s e l e c t i n g a fi e l d f o r e n t e r i n g fi e l d o p e r a t i o n d a t a ( F i g u r e 4 . 9 ) a n d a l l o w i n g t h e u s e r t o i n p u t o w n e r / o p e r a t o r n a m e s a s s o c i a t e d w i t h t h e p a r t i c u l a r fi e l d . T h e u s e r t h e n h a s t h e o p t i o n s o f c r e a t i n g a n e w fi e l d m a n a g e m e n t s c e n a r i o , a s s i g n i n g a n e x i s t i n g s c e n a r i o t o t h e fi e l d , e d i t i n g a n e x i s t i n g s c e n a r i o f o r t h e fi e l d , o r v i e w i n g t h e s c e n a r i o . I f a fi e l d m a n a g e m e n t s c e n a r i o i s t o b e c r e a t e d o r e d i t e d , a n e w s e t o f m e n u s a r e d i s p l a y e d w h i c h l e a d t h e u s e r i n e n t e r i n g t h e r e q u i r e d p a r a m e t e r d a t a d e s c r i b i n g fi e l d p r a c t i c e s . F i g u r e 4 . 1 0 d i s p l a y s t h e i n f o r m a t i o n r e q u i r e d f o r d e t e r m i n i n g t h e c o n s e r v a t i o n p r a c t i c e u s e d a n d t h e c r o p g r o w n w i t h i n t h e p r e s e n t g r o w i n g s e a s o n . P r e s e n t l y , t h e G I S - i n t e r f a c e d o e s n o t s u p p o r t t h e e n t r y o f c o n s e r v a t i o n p r a c t i c e p a r a m e t e r s . F u r t h e r , t h e n u m b e r o f c r o p s t h a t c a n b e e n t e r e d i n t o t h e p r o g r a m i s l i m i t e d t o o n e . T h e s e l i m i t a t i o n s r e fl e c t t h e f a c t t h a t i n t h e r e s e a r c h w a t e r s h e d n o c o n t o u r p l o w i n g o r t e r r a c i n g o c c u r s , a n d t h e m o d e l i s b e i n g r u n f o r o n l y o n e g r o w i n g s e a s o n . . t c f i s P r t k l m t v I f ! i t i ‘ i . f r i . t a t . y r p i k u v v i ’ » . . I S L 1 2 1 o n S c r e e n c a t i e l e c t i o n a n d I d e n t i fi F i e l d S 9 4 F : t . ~ . . 5 : l 2 . . : . | . . r . . n : g a r a m F i g u r e 4 . 1 0 C o n s e r v a t i o n P r a c t i c c a n d C r o p S e l e c t i o n S c r e e n 1 2 2 1 2 3 T h e n e x t c o m p u t e r s c r e e n d i s p l a y e d b y t h e G I S - i n t e r f a c e i s f o r s e l e c t i n g a p a r t i c u l a r fi e l d o p e r a t i o n ( F i g u r e 4 . 1 1 ) . A u s e r b e g i n s b u i l d i n g a fi e l d m a n a g e m e n t s c e n a r i o w i t h t h e fi r s t p r a c t i c e a f t e r t h e l a s t h a r v e s t . F o r m o s t o f t h e fi e l d s i n t h e w a t e r s h e d t h i s i s a f a l l t i l l a g e p r a c t i c e . A f t e r s e l e c t i n g t h e o p e r a t i o n t y p e a n d i m p l e m e n t , t h e u s e r e n t e r s t h e d a t e o n w h i c h t h e p r a c t i c e o c c u r r e d . F i g u r e 4 . 1 2 p r e s e n t s t h e c a l e n d a r f o r s e l e c t i n g a m o n t h a n d a d a y . I n a d d i t i o n t o t i l l a g e o p e r a t i o n s , p l a n t i n g , f e r t i l i z i n g ( F i g u r e 4 . 1 3 ) a n d h a r v e s t i n g ( F i g u r e 4 . 1 4 ) o p e r a t i o n s c a n b e s e l e c t e d , a n d t h e a s s o c i a t e d i m p l e m e n t , a p p l i c a t i o n r a t e a n d y i e l d c a n b e e n t e r e d . T h e l a s t o p e r a t i o n o f a s c e n a r i o i s a h a r v e s t . A f t e r i t h a s b e e n s e l e c t e d , t h e fi e l d m a n a g e m e n t s c e n a r i o i s s a v e d f o r t h e c u r r e n t fi e l d . T h e n e w l y c r e a t e d fi e l d o p e r a t i o n s c e n a r i o c a n a l s o b e s a v e d a s a n i n d e p e n d e n t s c e n a r i o , w h i c h c a n t h e n b e c o p i e d t o a n y s e l e c t e d fi e l d . I n d e p e n d e n t s c e n a r i o s a s w e l l a s fi e l d - s p e c i fi c s c e n a r i o s c a n b e e d i t e d . T h e p r o g r a m a l l o w s t h e u s e r t o s e l e c t a p a r t i c u l a r o p e r a t i o n a n d c h a n g e t h e i m p l e m e n t , d a t e o r o p e r a t i o n t y p e . F u r t h e r , a n e w o p e r a t i o n c a n b e a d d e d t o t h e s c e n a r i o ( F i g u r e 4 . 1 5 ) . 1 2 4 t i o n S c r e e n 1 1 T i l l a g e I m p l e m e n t S e l e c 4 r e F i g “ 1 2 5 t i o n S c r e e n 1 2 C a l e n d a r D a t e s S e l e c F i g u r e 4 . F i g u r e 4 l 3 F e r t i l i z e r S e l e c t i o n S c r e e n 1 2 6 1 2 7 o n S c r e e n e c t i d S e l 1 4 H a r v e s t Y i e l g u r e 4 F i 4 . 1 5 O p e r a t i o n E d i t S e l e c t i o n S c r e e n 1 2 8 1 2 9 T h r e e s e p a r a t e p r o g r a m s u b r o u t i n e s c a l c u l a t e m o d e l p a r a m e t e r s f o r l i n e a r - b a s e d f e a t u r e s o f h i l l s i d e s a n d c h a n n e l s a s w e l l a s f l o w d i r e c t i o n s a n d r e c e i v i n g c e l l s . S l o p e c a l c u l a t i o n s a r e p e r f o r m e d o n t h e g e n e r a t e d D E M u t i l i z i n g A R C / I N F O ’ s g r i d r o u t i n e s . T h e s l o p e r o u t i n e d e t e r m i n e s a s l o p e v a l u e f o r e a c h o f t h e 9 0 - f o o t g r i d c e l l s b y i d e n t i f y i n g t h e l a r g e s t e l e v a t i o n d i f f e r e n c e b e t w e e n a c e l l a n d i t s e i g h t n e i g h b o r s . T h e v e r t i c a l d i f f e r e n c e i s t h e n d i v i d e d b y t h e l e n g t h o f o n e c e l l ; 9 0 f e e t . T h e 9 0 - f o o t r e s o l u t i o n s l o p e g r i d i s r e s a m p l e d t o t h e s e l e c t e d g r i d c e l l s i z e , 4 0 a n d 1 0 a c r e s . T h e r e s a m p l i n g t e c h n i q u e e m p l o y e d i s a b i l i n e a r i n t e r p o l a t i o n w h i c h d e t e r m i n e s t h e v a l u e o f t h e n e w c e l l , b a s e d u p o n a w e i g h e d d i s t a n c e a v e r a g e o f t h e f o u r n e a r e s t i n p u t c e l l c e n t e r s . T h e r e s a m p l i n g p r o c e s s i s i t e r a t i v e u n t i l t h e d e s i r e d c e l l s i z e i s r e a c h e d . A r o u t i n e f o r d e t e r m i n i n g a s l o p e l e n g t h a p p r o p r i a t e f o r i n p u t i n t o t h e R U S L E e r o s i o n m o d e l w a s n o t d e v e l o p e d d u e t o t h e l a c k o f h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l r e s o l u t i o n o f t h e 9 0 f t . D E M . S l o p e l e n g t h s w e r e d e t e r m i n e d b a s e d u p o n t h e p e r c e n t s l o p e / s l o p e l e n g t h a s s o c i a t i o n t a b l e s d e v e l o p e d f o r M i n n e s o t a b y O t t e r b y a n d O n s t a d ( 1 9 7 8 ) . F i g u r e 4 . 1 6 s h o w s t h e G I S - i n t e r f a c e s c r e e n f o r e d i t i n g s l o p e s a n d s l o p e l e n g t h s a f t e r t h e y h a v e b e e n g e n e r a t e d . G I S - g e n e r a t e d h i l l s i d e p a r a m e t e r s w i l l n o t b e e d i t e d , i n o r d e r t o c o m p a r e G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s w i t h t h e m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y p a r a m e t e r s . C h a n n e l p a r a m e t e r d a t a i s g e n e r a t e d w i t h t h e G I S - i n t e r f a c e p r o g r a m b y e n l i s t i n g s e v e r a l d i f f e r e n t t y p e s o f r a s t e r - b a s e d m a n i p u l a t i o n r o u t i n e s . T h e w a t e r s h e d ’ s c e l l s a r e fi r s t d i v i d e d i n t o t h r e e s e p a r a t e s u r f a c e fl o w r e g i m e s ; p e r m a n e n t c h a n n e l fl o w , e p h e m e r a l g u l l y fl o w a n d o v e r l a n d r i l l f l o w . P e r m a n e n t c h a n n e l fl o w 1 3 0 a r e a s a r e r e p r e s e n t e d b y t h o s e g r i d c e l l s t h a t a r e i n t e r s e c t e d b y a s t r e a m l i n e r e p r e s e n t e d i n t h e U S G S 7 . 5 m i n u t e q u a d . s h e e t . T h e s e c h a n n e l s a r e a s s u m e d t o b e p e r m a n e n t a n d r e l a t i v e l y s t a b l e f e a t u r e s w i t h i n t h e w a t e r s h e d l a n d s c a p e , n o t a l t e r e d b y t i l l a g e o p e r a t i o n s . T h e e p h e m e r a l g u l l y f l o w i s r e p r e s e n t e d b y t h o s e g r i d c e l l s w h e r e c o n c e n t r a t e d fl o w i s l i k e l y t o o c c u r i n n o n - p e r m a n e n t g u l l i e s . T h e s e a r e g u l l i e s c r e a t e d t h r o u g h o u t t h e y e a r t h r o u g h e r o s i o n a l p r o c e s s e s . H o w e v e r , t h e y a r e o b l i t e r a t e d b y t i l l a g e p r a c t i c e s . I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e e x t e n t a n d l o c a t i o n o f t h e s e e p h e m e r a l g u l l i e s , a s t r e a m n e t w o r k w a s g e n e r a t e d u s i n g t e r r a i n a n a l y s i s p r o c e d u r e s a s o u t l i n e d b y J e n s e n a n d D o m i n g u e ( 1 9 8 8 ) a n d i n c o r p o r a t e d i n t o A R C / I N F O ’ s G R I D r o u t i n e s . T h e u p l a n d c u m u l a t i v e c o n t r i b u t i n g a r e a s i z e s e l e c t e d w a s 5 a c r e s . T h i s r e p r e s e n t s t h e o v e r l a n d f l o w a r e a r e q u i r e d b e f o r e c o n c e n t r a t e d e p h e m e r a l c h a n n e l f o r m a t i o n o c c u r s . O v e r l a n d r i l l f l o w a r e a s a r e r e p r e s e n t e d b y t h e r e m a i n i n g c e l l s a f t e r p e r m a n e n t a n d e p h e m e r a l c e l l s h a v e b e e n i d e n t i fi e d . T h e s e a r e t h e m o s t e l e v a t e d a r e a s i n t h e w a t e r s h e d , l o c a t e d a t t h e w a t e r s h e d b o u n d a r y a n d o n r i d g e s s e p a r a t i n g s u b - w a t e r s h e d s . A fi e r a s s i g n i n g c e l l s t o o n e o f t h e t h r e e f l o w c a t e g o r i e s , c h a n n e l s l o p e , c h a n n e l l e n g t h , a n d M a n n i n g s c o e f fi c i e n t a r e d e t e r m i n e d . C h a n n e l s l o p e f o r p e r m a n e n t f l o w c h a n n e l s a n d e p h e m e r a l g u l l y fl o w c h a n n e l s i s d e t e r m i n e d b y fi r s t c o n v e r t i n g t h e U S G S s t r e a m l i n e s a n d t e r r a i n a n a l y s i s - g e n e r a t e d s t r e a m l i n e s i n t o g r i d c e l l f o r m a t a t a c o m p a r a b l e 9 0 f t c e l l r e s o l u t i o n . T h e c h a n n e l g r i d c o v e r a g e i s s u p e r i m p o s e d o n t o t h e s l o p e g r i d c o v e r a g e t o i d e n t i f y w h i c h s l o p e c e l l s t o u s e i n d e t e r m i n i n g a c h a n n e l s l o p e . A n a v e r a g e c h a n n e l s l o p e i s t h e n c a l c u l a t e d f o r t h e 4 0 1 3 1 a n d 1 0 a c r e c o m p u t a t i o n a l u n i t g r i d c e l l u s i n g t h e i d e n t i fi e d c h a n n e l s l o p e g r i d s . T h e c h a n n e l s l o p e a s s i g n e d t o o v e r l a n d r i l l f l o w i s e q u a l t o t h e d e t e r m i n e d h i l l s i d e s l o p e v a l u e . C h a n n e l l e n g t h i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s w e r e d e t e r m i n e d f o r e a c h p e r m a n e n t f l o w a n d e p h e m e r a l g u l l y f l o w c h a n n e l c e l l b y u s i n g t h e 4 0 a n d 1 0 a c r e g r i d b o u n d a r i e s t o i n t e r s e c t t h e c h a n n e l c o v e r a g e . A c h a n n e l l e n g t h c a n n o w b e d e t e r m i n e d f o r e a c h c e l l w i t h a c h a n n e l . F o r c e l l s w i t h m u l t i p l e c h a n n e l s , t h e l o n g e s t c o n t i n u o u s c h a n n e l l e n g t h w a s s e l e c t e d a s t h e A N N - A G N P S p a r a m e t e r v a l u e . I f a c e l l ’ s c h a n n e l l e n g t h w a s l e s s t h a n h a l f t h e c e l l l e n g t h , a n a l t e r n a t i v e c h a n n e l l e n g t h w a s d e t e r m i n e d . T h i s m e t h o d i s t h e s a m e a s i s u s e d i n c a l c u l a t i n g l e n g t h i n o v e r l a n d r i l l fl o w c e l l s . O v e r l a n d r i l l fl o w l e n g t h s w e r e d e t e r m i n e d b a s e d u p o n t h e d i r e c t i o n o f fl o w b o t h e n t e r i n g a n d e x i t i n g t h e c e l l . T h e m e t h o d u s e d i s t h e s a m e a s i n c o r p o r a t e d b y t h e A G N P S m o d e l a s o u t l i n e d i n t h e U s e r s ’ G u i d e ( 1 9 8 9 ) . A M a n n i n g s N v a l u e w a s a s s i g n e d t o c e l l s a c c o r d i n g t o t h e t y p e o f c o n c e n t r a t e d fl o w t a k i n g p l a c e . F o r t h i s r e s e a r c h , c e l l s w i t h p e r m a n e n t c h a n n e l fl o w o r e p h e m e r a l g u l l y f l o w w e r e a s s i g n e d a M a n n i n g s v a l u e o f 0 . 0 3 3 , r e p r e s e n t i n g f l o w o n b a r e s m o o t h e d s o i l s . C e l l s w i t h o v e r l a n d r i l l fl o w w e r e a s s i g n e d N v a l u e s e q u a l t o 0 . 0 4 5 , r e p r e s e n t i n g fl o w o n b a r e s o i l s w i t h r o u g h n e s s g e n e r a t e d b y t i l l a g e p r a c t i c e s . F i g u r e 4 . 1 7 s h o w s t h e G I S - i n t e r f a c e p r o g r a m w i n d o w f o r s e l e c t i n g , d i s p l a y i n g a n d e d i t i n g c h a n n e l p a r a m e t e r s . G I S - g e n e r a t e d c h a n n e l p a r a m e t e r s w e r e n o t e d i t e d , i n o r d e r t o a l l o w c o m p a r i s o n w i t h m a p i n t e r p r e t e d - p a r a m e t e r s . 1 3 2 T h e d i r e c t i o n o f f l o w o u t o f a c e l l t o o n e o f t h e c e l l ’ s e i g h t n e i g h b o r s a s w e l l a s t h e i d e n t i fi c a t i o n o f t h e c e l l r e c e i v i n g fl o w a r e r e q u i r e d i n p u t p a r a m e t e r s o f t h e A N N - A G N P S m o d e l . T h e s e p a r a m e t e r v a l u e s a r e a l s o d e t e r m i n e d b y t h e t e r r a i n - a n a l y s i s p r o c e d u r e s p r o v i d e d b y A R C / I N F O . T h e 9 0 f t D E M l a t t i c e c o v e r a g e i s p r o c e s s e d t o d e t e r m i n e w h i c h o f t h e e i g h t n e i g h b o r c e l l s h a s t h e g r e a t e s t s l o p e . T h e n e i g h b o r c e l l w i t h t h e l a r g e s t d o w n h i l l s l o p e t h u s b e c o m e s t h e fl o w d i r e c t i o n . 1 3 3 i t S c r e e n F i g u r e 4 . 1 6 H i l l S l o p e D i s p l a y a n d E d 1 3 4 F i g u r e 4 . 1 7 C h a n n e l D i l a y a n d E d i t S c r e e n 1 3 5 D i r e c t i o n o f fl o w i s r e p r e s e n t e d f o r a c e l l b y a v a l u e f r o m 1 t o 8 , w h e r e 1 r e p r e s e n t s a fl o w d i r e c t i o n t o t h e n o r t h , 2 i s a f l o w d i r e c t i o n t o t h e n o r t h e a s t , e t c . T h i s l a b e l i n g p r o c e s s c o n t i n u e s f o r a l l 8 d i r e c t i o n s , a s s i g n i n g a n u m b e r t o e a c h o f a c e l l ’ s 8 n e i g h b o r s . T h e 9 0 f t r e s o l u t i o n g r i d s a r e t h e n r e s a m p l e d t o 4 0 a n d 1 0 a c r e g r i d s i z e s w h e r e t h e d o m i n a n t fl o w d i r e c t i o n i s s e l e c t e d f o r t h e l a r g e r r e s a m p l e d c e l l s i z e . T h e p r o c e s s o f g e n e r a l i z i n g fl o w d i r e c t i o n d e t a i l f r o m a s m a l l r e s o l u t i o n g r i d ( 9 0 f t ) t o a c o a r s e r e s o l u t i o n g r i d ( 4 0 o r 1 0 a c r e s ) w i l l r e s u l t i n t h e o m i s s i o n o f i n f o r m a t i o n d e s c r i b i n g a c t u a l fl o w d i r e c t i o n s . T h a t i s t o s a y , t h e d o m i n a n t fl o w d i r e c t i o n r e p r e s e n t e d w i t h i n t h e 4 0 o r 1 0 a c r e g r i d c e l l m a y n o t b e t h e a c t u a l fl o w d i r e c t i o n . T h i s i s d u e i n p a r t t o t h e p l a c e m e n t o f t h e 4 0 a n d 1 0 a c r e c e l l r e l a t i v e t o t h e w a t e r s h e d t o p o g r a p h y a n d t h e i n a b i l i t y o f t h e 9 0 f t g r i d t o c a p t u r e i n f o r m a t i o n d e t e r m i n i n g f l o w d i r e c t i o n a t s m a l l e r s c a l e s . T h e f l o w d i r e c t i o n e r r o r s t h a t r e s u l t i n c l u d e ; g r i d c e l l s w h o s e fl o w d i r e c t i o n i s o u t o f t h e w a t e r s h e d , g r i d c e l l s t h a t h a v e c r o s s i n g fl o w p a t h s a n d g r i d c e l l s t h a t h a v e c i r c u l a r f l o w d i r e c t i o n s b e t w e e n t w o o r m o r e c e l l s . F i g u r e 4 . 1 8 r e p r e s e n t s t h e G I S - i n t e r f a c e p r o g r a m ’ s w i n d o w f o r e d i t i n g f l o w d i r e c t i o n . T h e p r o g r a m a l l o w s t h e u s e r t o s e l e c t g r i d c e l l s a n d c h a n g e t h e i r f l o w d i r e c t i o n b a s e d u p o n i n t e r p r e t a t i o n o f c o n t o u r l i n e s a n d c o n c e n t r a t e d f l o w c h a n n e l s . R e c e i v i n g c e l l s a r e d e t e r m i n e d b a s e d u p o n f l o w d i r e c t i o n a n d g r i d c e l l t o p o l o g y . R e c e i v i n g c e l l p a r a m e t e r s a r e a u t o m a t i c a l l y u p d a t e d w h e n f l o w d i r e c t i o n s a r e a l t e r e d i n t h e e d i t i n g p r o g r a m . 1 3 6 F i g u r e 4 . 1 8 F l o w D i r e c t i o n / R e c e i v i n g C e l l D i s p l a y a n d E d i t S c r e e n 1 3 7 I n t h i s r e s e a r c h p r o j e c t , a n u m b e r o f c e l l s ’ fl o w d i r e c t i o n s f o r b o t h 4 0 a n d 1 0 a c r e g r i d s r e q u i r e d e d i t i n g b e c a u s e o f e r r o r s g e n e r a t e d w h e n t h e a u t o m a t e d G I S fl o w d i r e c t i o n r o u t i n e w a s i m p l e m e n t e d . T h e fl o w d i r e c t i o n e r r o r s m u s t b e c o r r e c t e d f o r t h e A N N - A G N P S m o d e l t o s i m u l a t e c h a n n e l r o u t i n g . C e l l s w i t h i n c o r r e c t f l o w d i r e c t i o n s w e r e r e p l a c e d w i t h f l o w d i r e c t i o n s c r e a t e d b y m a p i n t e r p r e t a t i o n . T h e fi n a l i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s d e v e l o p e d w i t h t h e G I S - i n t e r f a c e a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x C , T a b l e C 3 f o r 4 0 a c r e c e l l s i z e a n d T a b l e C 4 f o r 1 0 a c r e c e l l s i z e . 4 . 2 . 1 S u b - W a t e r s h e d D e l i n e a t i o n T e s t i n g t h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f A N N - A G N P S , a s s p e c i fi e d i n t h e s e c o n d h y p o t h e s i s , r e q u i r e s d e l i n e a t i o n o f r u n o f f , s e d i m e n t a n d n u t r i e n t c o n t r i b u t i n g a r e a s t h r o u g h o u t t h e w a t e r s h e d . T o a c h i e v e t h i s , t h e w a t e r s h e d w a s d i v i d e d i n t o f i v e s u b - w a t e r s h e d a r e a s r e p r e s e n t e d i n a n e s t e d h i e r a r c h y c o n fi g u r a t i o n . T h i s c o n fi g u r a t i o n e n a b l e s d e t e r m i n a t i o n o f s e d i m e n t a n d n u t r i e n t l o a d i n g f r o m e a c h o f t h e s u b - w a t e r s h e d a r e a s a s w e l l a s l o a d i n g f o r o n e i n t e r n a l i n t e r m e d i a t e p o s i t i o n , a n d f o r t h e w a t e r s h e d o u t l e t . F i g u r e s 4 . 1 9 a - b s h o w t h e c o n fi g u r a t i o n o f s u b - w a t e r s h e d s a s d e v e l o p e d b y t w o d i f f e r e n t d e l i n e a t i o n m e t h o d s . 1 3 8 I G a u g e / S a m p l e S i t e F i g u r e 4 . 1 9 a I n t e r p r e t e d S u b - W a t e r s h e d D e l i n e a t i o n F i g u r e 4 . 1 % D E M - b a s e d S u b - W a t e r s h e d D e l i n e a t i o n 1 3 9 T h e s u b - w a t e r s h e d s i n F i g u r e 4 . 1 4 a w e r e d e l i n e a t e d b y i n t e r p r e t i n g c o n t o u r s a n d s t r e a m l i n e s f r o m t h e U S G S 7 . 5 m i n u t e q u a d . s h e e t , c o l o r - i n f r a r e d p h o t o g r a p h y a n d fi e l d c h e c k i n g . T h e s t r a i g h t - l i n e b o u n d a r i e s a r e d u e t o f l o w b a r r i e r s e a u s e d b y e l e v a t e d r o a d s , a n d f e n c e l i n e s d i v i d i n g fi e l d s . T h e s u b - w a t e r s h e d s i n F i g u r e 4 . 1 4 b w e r e d e l i n e a t e d u t i l i z i n g t h e G I S t e r r a i n a n a l y s i s o n a 9 0 f t r e s o l u t i o n D E M . D i f f e r e n c e s a r e d u e t o l a c k o f v e r t i e a l r e s o l u t i o n i n t h e D E M . D E M s a r e n o t c a p a b l e o f c a p t u r i n g e l e v a t i o n d e t a i l f o r m i c r o - l e v e l r e l i e f w h i c h c a n c r e a t e f l o w b o u n d a r i e s i n m i n i m a l s l o p i n g w a t e r s h e d s . F u r t h e r , p r e f e r e n t i a l fl o w p a t h s s u c h a s c u l v e r t s a n d e a n a l s f o u n d i n a r e s t r u c t u r e d l a n d s c a p e a r e n o t r e p r e s e n t e d i n a 9 0 f t r e s o l u t i o n D E M . T a b l e 4 . 5 p r o v i d e s t h e a c r e a g e o f e a c h s u b - w a t e r s h e d u s i n g t h e t w o d e l i n e a t i o n m e t h o d s . T a b l e 4 . 5 S u b - W a t e r s h e d A c r e a g e G I S - G e n e r a t e d ( A c r e s ) 1 2 9 . 6 1 0 9 . 0 9 5 . 0 1 5 2 . 5 5 6 . 7 2 1 9 . 2 2 7 0 . 3 1 0 3 2 . 3 1 4 0 4 . 2 . 2 R e c o r d i n g E q u i p m e n t a n d C h a n n e l D i m e n s i o n s A t e a c h o f t h e o u t l e t s o f t h e fi v e s u b - w a t e r s h e d s , a t t h e i n t e r m e d i a t e a n d t h e w a t e r s h e d o u t l e t p o s i t i o n , a s t a g e r e c o r d e r a n d w a t e r s a m p l e r w e r e p o s i t i o n e d ( F i g u r e s 4 . 1 9 a - b ) . T h e b e g i n n i n g l e t t e r i n g a g e / s a m p l e s i t e l a b e l s c h e m e i s b a s e d u p o n t h e l a s t n a m e o f t h e o w n e r o n w h o s e l a n d t h e e q u i p m e n t i s s t a t i o n e d . T h e e q u i p m e n t c o n s i s t e d o f B e l f o r t I n s t r u m e n t s ( S - F W - l ) l i q u i d l e v e l s t a g e r e c o r d e r s p o s i t i o n e d a t o p a P V C s t i l l i n g w e l l a n d a n a u t o m a t e d I S C O 2 9 0 0 w a t e r s a m p l e r f o r c o l l e c t i n g w a t e r s a m p l e s o f s u s p e n d e d s e d i m e n t s a n d d i s s o l v e d n u t r i e n t s . A s p r e v i o u s l y m e n t i o n e d , d u e t o t h e f a c t t h a t t h e w a t e r s h e d w a s e n t i r e l y o n p r i v a t e l a n d s , fl o w w e i r s w e r e n o t i n s t a l l e d . R a t h e r , c h a n n e l d i m e n s i o n s w e r e r e c o r d e d ( A p p e n d i x D , T a b l e D 1 a n d F i g u r e D 1 ) a n d a c o m p u t e r p r o g r a m w a s w r i t t e n t o r e l a t e d i s c r e t e - t i m e s t a g e h e i g h t s t o a fl o w v o l u m e . M a n n i n g s E q u a t i o n w a s t h e n u s e d t o c a l c u l a t e a f l o w v e l o c i t y f o r c o n v e r t i n g d i s c r e t e - t i m e fl o w v o l u m e t o a fl o w r a t e . T h e fl o w r a t e w a s a c c u m u l a t e d t o p r o v i d e a t o t a l r u n o f f v o l u m e . M a n n i n g s E q u a t i o n i s r e p r e s e n t e d a s : 1 . 4 9 A 1 “ , ( 4 . 1 ) Q . n ” 1 3 0 . 6 6 5 0 5 w h e r e : Q = f l o w r a t e n = M a n n i n g r o u g h n e s s c o e f fi c i e n t f o r c h a n n e l A a : fl o w c r o s s - s e c t i o n a l a r e a W P s w e t t e d p e r i m e t e r 1 4 1 S - = s l o p e o f t h e c h a n n e l 4 . 2 . 3 R a i n f a l l R e c o r d s R a i n f a l l - r u n o f f r e c o r d i n g i n t h e w a t e r s h e d b e g a n o n A p r i l 6 , 1 9 9 2 a n d c o n t i n u e d t o O c t o b e r 1 6 , 1 9 9 2 . A t i p p i n g b u c k e t a u t o m a t i c r a i n r e c o r d e r w a s u s e d t o c o l l e c t r a i n f a l l . T h e g a u g e i s c a l i b r a t e d t o r e c o r d a t i p a f t e r e v e r y 0 . 2 5 m m o f p r e c i p i t a t i o n . T h e r a i n r e c o r d e r w a s p l a c e d a t t h e o u t l e t o f t h e M o y e r w a t e r s h e d , a t t h e D 1 p o s i t i o n . P r e c i p i t a t i o n o c c u r r e d o n 6 9 o f t h e 1 9 4 r e c o r d i n g d a y s . O f t h e 6 9 d a y s o f r a i n , 3 0 . 4 % h a d r a i n f a l l g r e a t e r t h a n 0 . 2 5 i n c h e s , 1 4 . 5 % h a d r a i n f a l l g r e a t e r t h a n 0 . 5 i n c h e s , a n d 4 . 3 % , o r 3 r a i n - d a y s , h a d p r e c i p i t a t i o n g r e a t e r t h a n 1 . 0 i n c h . F o r t h e e n t i r e g r o w i n g s e a s o n , o n l y t w o s t o r m e v e n t s g e n e r a t e d c h a n n e l f l o w t h r o u g h a l l s e v e n o f t h e g a u g i n g s t a t i o n s . B o t h o f t h e s e s t o r m e v e n t s e x t e n d e d o v e r a p e r i o d o f s e v e r a l d a y s ( T a b l e 4 . 6 a n d T a b l e 4 . 7 ) . U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s c h a n n e l f l o w n e v e r c o m p l e t e l y r e t u r n e d t o b a s e l e v e l s a t t h e w a t e r s h e d o u t l e t . T h e e n t i r e p e r i o d i s t h u s t r e a t e d a s a s i n g l e e v e n t . T a b l e 4 . 6 S t o r m E v e n t 1 1 4 2 T a b l e 4 . 7 S t o r m E v e n t 2 A c o m p l i c a t i o n t o c o m p l e t e w a t e r s h e d d a t a c o l l e c t i o n w a s t h e m a l f u n c t i o n o f s u b - w a t e r s h e d 5 r e c o r d i n g e q u i p m e n t f o r t h e t w o s t o r m p e r i o d s . T h e r e f o r e , o n l y 1 2 o b s e r v a t i o n s w e r e r e c o r d e d f o r t h e t w o s t o r m e v e n t s . T h e A N N - A G N P S m o d e l r e q u i r e s w e a t h e r i n p u t i n a d d i t i o n t o d a i l y r a i n f a l l . T h e s e p a r a m e t e r s i n c l u d e ; d a i l y m i n i m u m a n d m a x i m u m t e m p e r a t u r e a n d s o l a r r a d i a t i o n . W e a t h e r d a t a f r o m t h e U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a ’ s W e s t - C e n t r a l E x p e r i m e n t S t a t i o n i n M o r r i s w e r e e n l i s t e d a s m o d e l i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s . I t w a s a s s u m e d t h a t t e m p e r a t u r e a n d s o l a r r a d i a t i o n w o u l d n o t v a r y c o n s i d e r a b l y b e t w e e n t h e M o y e r w a t e r s h e d a n d M o r r i s , l o c a t e d 1 9 m i l e s n o r t h . A p p e n d i x E c o n t a i n s t h e w e a t h e r p a r a m e t e r s f o r t h e e n t i r e g r o w i n g s e a s o n . A fi n a l w e a t h e r p a r a m e t e r i n p u t r e q u i r e d b y t h e m o d e l i s a d a i l y R U S L E e n e r g y i n t e n s i t y ( E l ) f a c t o r v a l u e . T h e E l f a c t o r v a l u e w a s c a l c u l a t e d u s i n g t h e e n e r g y i n t e n s i t y i n f o r m a t i o n g e n e r a t e d f r o m t h e t i p p i n g b u c k e t r a i n g a u g e a n d t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s , w h i c h u t i l i z e m a x i m u m 3 0 - m i n u t e r a i n f a l l i n t e n s i t y a n d a t o t a l r a i n s t o r m i n t e n s i t y v a l u e ( S C S , 1 9 7 8 ) : ( 4 . 2 ) E 1 = I 3 0 E 1 4 3 ( 4 . 3 ) E = 9 1 6 + l o g “ , i 5 3 . 0 i n / h r ( 4 . 4 ) E = 1 0 7 4 i > 3 . 0 i n / h r w h e r e : 1 , 0 = 3 0 - m i n u t e m a x i m u m r a i n f a l l i n t e n s i t y E a t o t a l s t o r m e n e r g y 4 . 2 . 4 O v e r l a n d R u n o f f R u n o f f r e c o r d e d a t t h e s i x g a u g i n g s t a t i o n s f o r t h e t w o s t o r m e v e n t s a r e p r o v i d e d i n T a b l e s 4 . 8 a n d 4 . 9 f o r t o t a l r u n o f f v o l u m e a n d p e a k f l o w r a t e . T h e h i s t o g r a m s r e c o r d e d f o r t h e t w o s t o r m e v e n t s a r e a l s o p r e s e n t e d i n F i g u r e s 4 . 2 0 a n d 4 . 2 1 . T a b l e 4 . 8 R u n o f f S t o r m 1 S u b - T o t a l R u n o f f P e a k F l o w W a t e r s h e d s V o l u m e ( i n ) R a t e ( c f s ) D 1 0 . 4 2 4 2 . 4 D 2 0 . 1 2 1 9 . 5 S 3 . 0 . 0 9 K 4 0 . 0 1 K 5 0 . 0 1 K 6 0 . 1 2 1 4 4 T a b l e 4 . 9 R u n o f f S t o r m 2 T o t a l R u n o f f P e a k F l o w W a t e r s h e d s V o l u m e ( i n ) R a t e ( c f s ) D 1 0 . 1 1 9 . 4 D 2 0 . . 0 3 3 . 9 8 3 0 . . 0 0 1 0 . 0 4 K 4 0 . 0 0 0 2 0 . 1 K S 0 . 0 0 2 0 . 5 K 6 0 . 0 2 2 . 3 « D w I I c h I I u m u I m O C P S w w l « m D i t a c h n l r fl l C F 8 g a n e « w D i u s c h l r fl m u w a m C F S w e - a m D I u I C m H I ' I I u m u c m s p s s e a a p a n x b a b a p 1 a b D l a c h I r I a C P t o P S 5 p o « u n m D i s c h a a r m l a u w O P a S - D 2 O a 1 3 m r w r a n a n u m a m a fi T h u r m a n ) 1 4 5 D 1 a a n b u q u m a n - n n o m h u m a n » K 4 0 a r m s — s a u n a o i m a n a o a u “ m m h m q S 3 a a u r a s u u u u u a u a n a - a o i - H u m a n » h u m m u m K 5 a u r a n n u m u n a o a l l l a a d a m e h m u F i g u r e 4 . 2 0 S t o r m 1 H y d r o g r a p h s o — u o o - o r o a - a u Q 0 1 0 o - I I a r a - n s - u c e o n « 6 ‘ I a . I I o - o o s ‘ I n a s c o t “ o - u o I a I N a o o n « q a I o - a I n I a o n s u n o a c h . a I u I 0 ‘ 0 C » n a « 7 8 ' 5 D 1 4 a 2 1 o I r n n n a n a n a n c a o o n u u - u . T h u - ( u m ; 7 3 i . 5 - 8 3 4 . 3 ' 2 - 1 . 0 . m w a o m : u m o m m m “ ( m 1 7 I - . I - K 5 4 . 3 - 2 ' 1 . o A A O m m m m u u u m m m “ fl u n k ” F i g u r e 4 . 2 1 S t o r m 2 H y d r o g r a p h s 1 4 6 7 " D 2 5 . 4 . 3 . 2 I o u t n u o a u a n a u a u o o u u u n n b T i m ( M ) K 4 1 . o a t a u w m u a n u m u u u a n u n u n “ n u m b ” K 6 O m m a o m u a m w w m H u m a n » 1 4 7 4 . 2 . 5 S e d i m e n t L o a d i n g S e d i m e n t l o a d s f o r t h e t w o r u n o f f e v e n t s w e r e c o l l e c t e d a t t h e s i x g a u g i n g s t a t i o n s . W a t e r s a m p l e c o l l e c t i o n b e g a n w h e n a r i s e i n c h a n n e l l e v e l s o c c u r r e d , a n d c o n t i n u e d e v e r y h o u r t h r o u g h t h e d u r a t i o n o f t h e s t o r m . S a m p l e s w e r e a l l o w e d t o s e t t l e , a n d a p o r t i o n o f t h e w a t e r w a s s i p h o n e d o f f t o b e u s e d i n c h e m i c a l a n a l y s i s . W a t e r f r o m t h e r e m a i n i n g p a r t i c u l a t e - l a d e n s a m p l e s w a s e v a p o r a t e d . T h e s e d i m e n t s w e r e t h e n w e i g h e d a n d a s e d i m e n t m a s s d e t e r m i n e d f o r t h e l i t e r v o l u m e s a m p l e b o t t l e . T h e s e d i m e n t m a s s v a l u e s f o r e a c h s a m p l e w a s e x t r a p o l a t e d u p t o t h e t o t a l fl o w v o l u m e f o r t h e h o u r p e r i o d b e t w e e n s a m p l i n g t i m e s i n o r d e r t o d e t e r m i n e a m a s s w e i g h t o f s e d i m e n t m o v i n g w i t h t h e r u n o f f . T h e h o u r l y s e d i m e n t w e i g h t s w e r e t h e n a d d e d f o r t h e e n t i r e s t o r m t o g i v e a t o t a l s e d i m e n t l o a d i n g i n t o n s . T h e s e d i m e n t l o a d i n g r e s u l t s a r e p r o v i d e d i n T a b l e s 4 . 1 0 a n d 4 . 1 1 f o r t o t a l t o n s o f s e d i m e n t . T a b l e 4 . 1 0 S e d i m e n t L o a d i n g S t o r m 1 1 4 8 T a b l e 4 . 1 1 S e d i m e n t L o a d i n g S t o r m 2 4 . 2 . 6 N u t r i e n t L o a d i n g T o t a l K j e l d a h l N i t r o g e n ( T K N ) a n d N i t r a t e N i t r o g e n ( N 0 , ) w e r e t e s t e d f o r w i t h t h e R F A m e t h o d a s i m p l e m e n t e d i n t h e a u t o m a t e d A L P K E M t e s t i n g k i t . A m a s s o f T o t a l - N i t r o g e n w a s r e l a t e d t o t h e l i t e r v o l u m e s a m p l e . T o t a l - N i t r o g e n m a s s w a s t h e n e x t r a p o l a t e d t o r e l a t e t o a t o t a l fl o w v o l u m e , s i m i l a r t o t h e p r o c e d u r e u s e d f o r s u s p e n d e d s e d i m e n t s . T h e T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g r e s u l t s a r e p r o v i d e d i n T a b l e s 4 . 1 2 a n d 4 . 1 3 i n p o u n d s o f N . T a b l e 4 . 1 2 T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g S t o r m 1 T o t a l - N i t r o g e n ( l b s ) 1 3 4 9 1 4 1 4 9 T a b l e 4 . 1 3 T o t a l - N i t r o g e n l e a d i n g S t o r m 2 T o t a l - N i t r o g e n ( l b s ) 2 8 4 2 0 . 5 T h e b a s i c h y d r o l o g i c , e r o s i o n a n d N P S t r a n s p o r t p r o c e s s e s r e p r e s e n t e d i n t h e A N N - A G N P S m o d e l w e r e p r e v i o u s l y d i s c u s s e d i n t h e l i t e r a t u r e r e v i e w c h a p t e r . T h e s e b a s i c p r o c e s s e s a r e s u p p o r t e d b y a n u m b e r o f s u b - p r o c e s s e s w h i c h m o d i f y t h e p h y s i c a l e n v i r o n m e n t o f t h e b a s i c p r o c e s s e s . T h i s s e c t i o n o f t h e m e t h o d s c h a p t e r w i l l d e t a i l t h o s e s u b - p r o c e s s e s i n c o r p o r a t e d i n A N N - A G N P S i n f l u e n c i n g t h e m a j o r p r o c e s s e s i d e n t i fi e d a b o v e . T h e s e s u b - p r o c e s s e s i n c l u d e p e r c o l a t i o n , p l a n t g r o w t h , e v a p o t r a n s p i r a t i o n , r e s i d u e d e e a y , s o i l t e m p e r a t u r e a n d s o i l s u r f a c e r o u g h n e s s . A n a d d i t i o n a l s e t o f a l g o r i t h m s p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n a r e s o i l a p p r o x i m a t i o n e q u a t i o n s . T h e s e a l g o r i t h m s a r e u s e d i n t h e m o d e l t o c a l c u l a t e r e q u i r e d m o d e l s o i l p a r a m e t e r v a l u e s , i n c l u d i n g ; b u l k d e n s i t y , s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y , fi e l d c a p a c i t y , w i l t i n g p o i n t , a n d u p p e r l i m i t s o i l m o i s t u r e h o l d i n g e a p a c i t y . T h e A N N - A G N P S m o d e l i s d i v i d e d i n t o t w o b a s i c s e t s o f r o u t i n e s . T h e fi r s t s i m u l a t e s o v e r l a n d r u n o f f , e r o s i o n a n d n u t r i e n t l o a d i n g f o r e a c h r u n o f f - g e n e r a t i n g r a i n 1 5 0 e v e n t a n d f o r e a c h g r i d c e l l . T h e s e c o n d s e t o f r o u t i n e s s i m u l a t e s t h e r o u t i n g o f w a t e r , s e d i m e n t a n d n u t r i e n t s t h r o u g h t h e w a t e r s h e d ’ s c h a n n e l n e t w o r k . F o r e a c h c e l l s o i l m o i s t u r e b a l a n c i n g , p l a n t g r o w t h a n d r e s i d u e d e c a y a r e c a l c u l a t e d o n a d a i l y b a s i s f o r t h e m o d e l i n g p e r i o d . W h e n e v e r a r a i n e v e n t o c c u r s , r u n o f f , e r o s i o n a n d n u t r i e n t l o s s e s a s s o c i a t e d w i t h r u n o f f a n d s e d i m e n t l o a d i n g a r e c a l c u l a t e d f o r t h e d a y a n d t h e r e s u l t s a r e o u t p u t t o a t e m p o r a r y t r a n s f e r fi l e . O n c e t h e o v e r l a n d s i m u l a t i o n i s fi n i s h e d f o r a l l c e l l s i n t h e w a t e r s h e d , f l o w r o u t i n g t h r o u g h t h e w a t e r s h e d ’ s c h a n n e l s b e g i n s . R u n o f f , e r o s i o n a n d n u t r i e n t l o s s o u t p u t f o r e a c h c e l l a r e c o p i e d f r o m t h e t e m p o r a r y t r a n s f e r fi l e . C h a n n e l fl o w c a l c u l a t i o n s a r e fi r s t m a d e f o r c e l l s t h a t o r i g i n a t e a c h a n n e l f l o w p a t h ( p r i m a r y c e l l s ) . P e a k fl o w r a t e , fl o w d u r a t i o n , s e d i m e n t a n d n u t r i e n t l o a d s a r e c a l c u l a t e d f o r t h e e x i t p o i n t o f t h e c e l l . O n c e a l l t h e c h a n n e l f l o w s f o r t h e p r i m a r y c e l l s h a v e b e e n c a l c u l a t e d , t h e m o d e l r o u t e s w a t e r f l o w , s e d i m e n t . a n d n u t r i e n t l o a d i n g f r o m t h e p r i m a r y c e l l s t o t h e w a t e r s h e d o u t l e t . F i g u r e 4 . 2 2 o u t l i n e s t h e s e p a r a t e s u b r o u t i n e s f o r t h e g r i d c e l l o v e r l a n d p r o c e s s e s a n d F i g u r e 4 . 2 3 f o r t h e c h a n n e l r o u t i n g p r o c e s s e s i n c l u d e d i n t h e A N N - A G N P S m o d e l p r o g r a m . “ h t a m 1 5 1 F i g u r e 4 . 2 2 O v e r l a n d G r i d C e l l R o u t i n e s s l e C y a t h r P s s e c a r P m r a t S h c a E s s e e c t o u r a P R l e n m h C s s e c o r P 1 5 2 L R e a d C h a m e t ] t l y L o o [ R e a d t e m p . F I E ] [ P e a k R u n o f f J I L F l o w D u r a t i o n I I [ V e l o c i t y J I [ T r a n s p o r t 0 0 a n I [ g u m N u t r i e n t s ] I [ i o d l m e n t N u t r t e m L P e a k R m o fl j I L H o w D u r a t i o n ] I [ t r a n s p o r t C a p a c t t y ] I @ w e N u t r i e n t s ] I [ S e d i m e n t N u t r i e n t s I M w u ' r p u m fl F i g u r e 4 . 2 3 C h a n n e l R o u t i n e s 1 5 3 4 . 3 . 1 P l a n t G r o w t h T h e p l a n t g r o w t h r o u t i n e s w i t h i n A N N - A G N P S a r e n o t u s e d f o r e s t i m a t i n g b i o m a s s a n d g r a i n p r o d u c t i o n b a s e d o n s o i l - w a t e r a n d n u t r i e n t a v a i l a b i l i t y , s u c h a s i n t h e C E R E S - M a i z e ( R i t c h i e e t a l . , 1 9 8 9 ) , S O Y G R O ( J o n e s e t a l . , 1 9 8 9 ) o r B E A N G R O ( H o o g e n b o o m e t a l . , 1 9 9 0 ) . R a t h e r , t h e g r o w t h m o d e l c a l c u l a t e s d a i l y b i o m a s s a c c u m u l a t i o n b a s e d u p o n a n u p p e r g r o w t h b o u n d a r y a n d a h a r v e s t d a t e . U p d a t e d c r o p c h a r a c t e r i s t i c s a r e n e e d e d a s p a r a m e t e r i n p u t s t o m o d i f y h y d r o l o g i c a n d s o i l e r o s i o n p r o c e s s e s , s u c h a s p r o v i d i n g c o v e r t o s o i l s , b i n d i n g s o i l w i t h r o o t m a s s a n d c a u s i n g o b s t r u c t i o n t o o v e r l a n d fl o w . A N N - A G N P S u s e s t h e c r o p g r o w t h m o d e l f o r w a r d e d b y G h e b r e i y e s s u s a n d G r e g o r y ( 1 9 8 7 ) . T h e i r m o d e l s i m u l a t e s t h e a c c u m u l a t i o n o f p l a n t b i o m a s s b a s e d u p o n t h e r a t i o o f c u m u l a t i v e g r o w i n g d e g r e e d a y s t o a g r o w i n g d e g r e e d a y v a l u e a t p l a n t m a t u r i t y . D a i l y b i o m a s s a c c u m u l a t i o n i s d e t e r m i n e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : a ( 4 - 5 ) 3 , : 3 , , w h e r e : X E G a n B . a v e g e t a t i v e b i o m a s s G . - c u m u l a t i v e g r o w i n g d e g r e e d a y s f r o m p l a n t i n g G . a g r o w i n g d e g r e e d a y s a t p h y s i o l o g i e a l m a t u r i t y a t = p l a n t - d e p e n d e n t g r o w t h p a r a m e t e r s B . . . = v e g e t a t i v e b i o m a s s a t m a t u r i t y ( 1 3 . , = Y , Y ) Y , = p l a n t g r a i n y i e l d ( 4 1 w t : I ‘ h 1 5 4 Y , a r e s i d u e m a s s p r o d u c e d p e r u n i t o f g r a i n G r o w i n g d e g r e e d a y s a r e c a l c u l a t e d a s f o l l o w s : ( 4 . 6 ) e d - n g l e - r , w h e r e : T . . . = d a i l y m a x i m u m a i r t e m p e r a t u r e T . 8 d a i l y m i n i m u m a i r t e m p e r a t u r e T . 8 b a s e d a i l y a i r t e m p e r a t u r e o f a g i v e n p l a n t G i v e n t h e d a i l y b i o m a s s v a l u e , s e v e r a l a d d i t i o n a l p l a n t c h a r a c t e r i s t i c s a r e e a l c u l a t e d , i n c l u d i n g ; t h e p a r t i t i o n i n g o f a b o v e a n d b e l o w g r o u n d b i o m a s s , c a n o p y c o v e r a n d c a n o p y h e i g h t , s e n e s c e n c e , r o o t d e p t h , a n d l e a f a r e a i n d e x ( L A I ) . C a n o p y c o v e r i s e s t i m a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e x p o n e n t i a l f u n c t i o n ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) : ( 4 . 7 ) C a d - e " ; - w h e r e : C . = fi a c t i o n o f g r o u n d c o v e r e d b y c r o p ( 0 - 1 ) 5 , - c r o p r o w d e p e n d e n t p a r a m e t e r , d e t e r m i n e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 4 . 8 ) fl J — i ‘ ; I n k - E ] w h e r e : R . 8 r o w w i d t h ( 4 . 1 1 ) B . 3 B a ' B r 1 5 5 B , a p l a n t d e p e n d e n t c o n s t a n t B , = m a x i m u m c a n o p y w i d t h a t m a t u r i t y C a n o p y h e i g h t e a l c u l a t i o n s a l s o i m p l e m e n t a n e x p o n e n t i a l f u n c t i o n r e l a t i n g a d a i l y h e i g h t t o a m a x i m u m h e i g h t a n d t h e d a i l y p l a n t b i o m a s s ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) : ( 4 - 9 ) H e ‘ I l - e " ” 3 1 1 4 . w h e r e : H , = e a n o p y h e i g h t H . 2 m a x i m u m e a n o p y h e i g h t B . = p l a n t d e p e n d e n t c o n s t a n t C u m u l a t i v e d a i l y b i o m a s s i s p a r t i t i o n e d i n t o a b o v e g r o u n d a n d b e l o w g r o u n d b i o m a s s b a s e d u p o n a ' r o o t - t o - s h o o t " c o e f fi c i e n t ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) . B e l o w g r o u n d b i o m a s s i s c a l c u l a t e d b y : ( 4 . 1 0 ) B , = R “ B . w h e r e : B , = b e l o w g r o u n d ( r o o t ) b i o m a s s R . . . = “ r o o t e t o - s h o o t ' c o e f fi c i e n t ; w h e r e R . . . = 0 . 4 - 0 . 2 G . A b o v e g r o u n d b i o m a s s ( B ) i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n o v e r a l l b i o m a s s a n d r o o t b i o m a s s : 1 5 6 D e c r e a s e i n p l a n t c a n o p y c o v e r a g e d u e t o s e n e s c e n c e m u s t b e c o n s i d e r e d b e c a u s e o f t h e r e d u c t i o n i n g r o u n d c o v e r p r o t e c t i o n f r o m r a i n f a l l . A d e c r e a s e i n e a n o p y c o v e r o n c e s e n e s c e n c e b e g i n s i s r e p r e s e n t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) : S p ( 4 . 1 2 ) A C e . ‘ C 4 _ 1 - _ C e _ . . ] w h e r e : A C , = d a i l y l o s s o f c a n o p y c o v e r ( 0 - 1 ) C . . . = e a n o p y c o v e r a t m a t u r i t y ( 0 - 1 ) S , = n u m b e r o f d a y s b e t w e e n t h e b e g i n n i n g a n d e n d o f l e a f d r o p C , - f r a c t i o n o f c a n o p y c o v e r r e m a i n i n g a f t e r s e n e s c e n c e . C “ i s u p d a t e d d a i l y b y s u b t r a c t i n g A C , f r o m t h e p r e v i o u s d a y ’ s c a n o p y f r a c t i o n C u “ , P l a n t r o o t g r o w t h i s r e q u i r e d o n a d a i l y b a s i s t o d r i v e t h e p l a n t t r a n s p i r a t i o n m o d e l . F u r t h e r , t h e d e p t h o f r o o t s i s u s e d t o i n d i c a t e a t w h a t p o i n t i n fi l t r a t e d w a t e r b e c o m e s d e e p p e r c o l a t i o n a n d t h u s p o t e n t i a l l y a v a i l a b l e t o g r o u n d w a t e r r e c h a r g e . T h e e q u a t i o n u s e d t o d e s c r i b e r o o t g r o w t h w a s d e v e l o p e d b y B o r g e t a l . ( 1 9 8 6 ) . T h e e m p i r i c a l e q u a t i o n m o d i fi e s a k n o w n m a x i m u m r o o t d e p t h . ( 4 . 1 3 ) 3 , 4 4 0 . 5 + 0 . S s i n [ 3 . 0 3 [ % 2 ] — 1 . 4 7 1 ] w h e r e : R . a d a i l y r o o t d e p t h R 4 , = m a x i m u m r o o t d e p t h 1 5 7 D , = n u m b e r o f d a y s a f t e r p l a n t i n g D . = n u m b e r o f d a y s t o r e a c h m a t u r i t y L e a f a r e a i n d e x ( L A I ) i s a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r u s e d i n p l a n t t r a n s p i r a t i o n c a l c u l a t i o n s . I t i s c a l c u l a t e d w i t h t w o d i f f e r e n t e q u a t i o n s r e p r e s e n t i n g p l a n t g r o w t h u p t o s e n e s c e n c e a n d t h e n a f t e r s e n e s c e n c e . T h e e q u a t i o n s u s e d i n A N N - A G N P S w e r e d e r i v e d b y W i l l i a m s e t a l . ( 1 9 8 4 ) . T h e p l a n t g r o w t h p e r i o d b e f o r e s e n e s c e n c e i s r e l a t e d t o t h e t i m e s e n e s c e n c e b e g i n s b y c o m p a r i n g F ” t o L A I m . F ” i s t h e r u n n i n g a c c o u n t o f t h e f r a c t i o n o f t h e g r o w i n g p e r i o d w h i c h h a s p a s s e d , c a l c u l a t e d f r o m u s e r i n p u t o f p l a n t i n g a n d h a r v e s t d a t e . L A I . “ i s a p l a n t c o n s t a n t p a r a m e t e r f o r t h e f r a c t i o n o f g r o w i n g s e a s o n w h e n L A I b e g i n s t o d e c l i n e . W h e n F , < L A I . . . L A I ‘ L A I I D A X B B ( 4 - 1 4 ) B , + o . 5 5 2 e “ ' ” - a n d F ” 2 L A I “ , ( 4 . 1 5 ) w e a m r - m r , [ _ a ] 1 - F I “ w h e r e : L A I = d a i l y l e a f a r e a i n d e x v a l u e L A I . . . - p l a n t d e p e n d e n t m a x i m u m l e a f a r e a i n d e x p o t e n t i a l L A I . - p l a n t d e p e n d e n t l e a f a r e a i n d e x v a l u e w h e n t h e l e a f a r e a i n d e x b e g i n s d e c l i n i n g 1 5 8 4 . 3 . 2 P e r c o l a t i o n T h e r e d i s t r i b u t i o n o f i n fi l t r a t e d w a t e r t h r o u g h t h e s o i l p r o fi l e i s c a l c u l a t e d o n a d a i l y b a s i s . T h e d i s t r i b u t i o n o f w a t e r t h r o u g h t h e s o i l p r o fi l e i s r e q u i r e d p a r a m e t e r i n p u t d a t a f o r a n u m b e r o f p r o c e s s e s i n c l u d i n g o v e r l a n d r u n o f f a n d p l a n t t r a n s p i r a t i o n . A p e r c o l a t i o n r a t e f o r r e d i s t r i b u t i n g t h e i n fi l t r a t e d w a t e r i s c a l c u l a t e d u s i n g a s t o r a g e r o u t i n g t e c h n i q u e f o r w a r d e d i n t h e W E P P m o d e l ( S a v a b i e t a l . , 1 9 8 9 ) . W h e n s o i l m o i s t u r e ( 0 ) i n t h e t o p s o i l l a y e r i s g r e a t e r t h a n t h e fi e l d c a p a c i t y ( F C ) , a p e r c o l a t i o n r a t e i s c a l c u l a t e d a n d w a t e r i s m o v e d t o t h e n e x t l o w e r s o i l l a y e r . A N N - A G N P S d i v i d e s t h e s o i l m a t r i x i n t o s e v e n d i f f e r e n t s o i l l a y e r s o f e q u a l d e p t h b a s e d o n t h e m a x i m u m r o o t d e p t h f o r a s e l e c t e d c r o p . T h e p e r c o l a t i o n r a t e i s c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : W h e n 0 , > F C ; ( 4 . 1 6 ) d 1 : ( 6 1 ‘ F C 1 ) [ 1 ’ % ; ? £ ] ] a n d 0 , 5 F C , 1 ( 4 . 1 7 ) d , = 0 w h e r e : d i = - p e r c o l a t i o n r a t e P C , = - fi e l d e a p a c i t y w a t e r c o n t e n t i a s o i l l a y e r A t 8 t r a v e l i n t e r v a l t i 8 t r a v e l t i m e t h r o u g h l a y e r i . t , = o i ’ F C i / K i K , = - h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y 1 5 9 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y i s a d j u s t e d b a s e d u p o n t h e l e v e l o f s o i l m o i s t u r e w i t h i n a s o i l l a y e r . C o n d u c t i v i t y r a n g e s f r o m a s a t u r a t e d c o n d u c t i v i t y r a t e w h e n s o i l m o i s t u r e i s a t t h e u p p e r l i m i t o f s o i l m o i s t u r e h o l d i n g e a p a c i t y , t o z e r o w h e n s o i l m o i s t u r e i s a t fi e l d e a p a c i t y . T h e a d j u s t m e n t t o c o n d u c t i v i t y i s g i v e n i n t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : 6 3 ‘ ( 4 . 1 8 ) 1 9 . 1 9 4 m 2 ] w h e r e : K . = s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y U L , 8 u p p e r l i m i t o f s o i l ’ s w a t e r h o l d i n g e a p a c i t y B , - p a r a m e t e r c a u s i n g K , t o a p p r o a c h 0 a s 0 , a p p r o a c h e s F C , 4 . 3 . 3 R e s i d u e D e c a y T h e m a s s o f c r o p r e s i d u e a n d i t s l o c a t i o n w i t h i n t h e s o i l p r o fi l e o r o n t o p o f t h e s o i l s u r f a c e i n fl u e n c e i n fi l t r a t i o n , o v e r l a n d r u n o f f a n d s u b s e q u e n t l y s o i l e r o s i o n . T h e d e c o m p o s i t i o n m o d e l i n c o r p o r a t e d i n A N N - A G N P S w a s d e v e 1 0 p e d b y S t r o o e t a l . ( 1 9 8 5 ) , w h o f o r w a r d a d e c o m p o s i t i o n d a y c o n c e p t a n a l o g o u s t o t h e g r o w i n g d e g r e e d a y . A d e c o m p o s i t i o n i n d e x i s a c c u m u l a t e d o n a d a i l y b a s i s b a s e d u p o n t h e e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s o f s o i l m o i s t u r e a n d t e m p e r a t u r e . U n d e r o p t i m a l c o n d i t i o n s , t h e d a i l y a d d e d v a l u e i s e q u a l t o 1 . U n d e r l e s s t h a n o p t i m a l c o n d i t i o n s , a v a l u e l e s s t h a n o n e i s d e t e r m i n e d f r o m c a l c u l a t e d t e m p e r a t u r e a n d w a t e r c o e f fi c i e n t s . T h e f o r m 1 6 0 o f t h e d e c o m p o s i t i o n d a y i n d e x i s a s f o l l o w s : ( 4 . 1 9 ) E N V I N D , = m i n C l ‘ C F , W C F ) + E N V I N D , l w h e r e : E N V I N D , = c u m u l a t i v e e n v i r o n m e n t a l i n d e x E N V I N D H = c u m u l a t i v e e n v i r o n m e n t a l i n d e x f r o m p r e v i o u s d a y T C F = t e m p e r a t u r e c o e f fi c i e n t W C F I : w a t e r c o e f fi c i e n t m i n = s p e c i fi e s t h a t t h e m i n i m u m v a l u e c o e f fi c i e n t b e s e l e c t e d A w a t e r - a n d t e m p e r a t u r e - r e l a t e d e n v i r o n m e n t a l i n d e x i s d e t e r m i n e d f o r b o t h s u r f a c e a n d b u r i e d r e s i d u e . T h e w a t e r - r e l a t e d s u r f a c e r e s i d u e i n d e x i s d e t e r m i n e d w i t h t h e e q u a t i o n : ( 4 . 2 0 ) W C F , ( t ) I . R _ A 7 1 1 a n d t h e b u r i e d r e s i d u e i n d e x w i t h t h e e q u a t i o n : 6 ( 4 . 2 1 ) m u n - 3 : w h e r e : W C F , a w a t e r - r e l a t e d s u r f a c e r e s i d u e i n d e x W C F . = w a t e r - r e l a t e d b u r i e d r e s i d u e i n d e x R A I N = d a i l y r a i n f a l l 0 , = s o i l m o i s t u r e c o n t e n t i n t o p l a y e r 1 6 1 0 , . = o p t i m u m s o i l m o i s t u r e f o r r e s i d u e d e c a y F o r e i t h e r e q u a t i o n , i f W C F i s g r e a t e r t h a n o n e , t h e n o p t i m a l c o n d i t i o n s e x i s t a n d t h e W C F i n d e x e q u a l s 1 . T h e t e m p e r a t u r e - r e l a t e d i n d e x i s e a l c u l a t e d u s i n g a n e q u a t i o n d e v e l o p e d t o d e s c r i b e p h o t o s y n t h e t i c a c t i v i t y a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e ( T a y l o r a n d S e x t o n , 1 9 7 2 ) . T h e s a m e e q u a t i o n i s u s e d f o r b o t h s u r f a c e a n d b u r i e d r e s i d u e , e x c e p t t h a t t h e a v e r a g e d a i l y t e m p e r a t u r e n e e d e d t o c a l c u l a t e b u r i e d r e s i d u e i s a s o i l r a t h e r t h a n a n a i r t e m p e r a t u r e . 2 ( T + A ) 3 ( T + A ) 3 - ( T + A ) ‘ : 7 F a m m " 9 ( 4 . 2 2 ) C ( T D + A ) 4 w h e r e : T . . . = a v e r a g e d a i l y t e m p e r a t u r e T . = o p t i m u m d e c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r e A = c o n s t a n t D a i l y d e c o m p o s i t i o n o f s u r f a c e a n d b u r i e d r e s i d u e i s d e t e r m i n e d w i t h a n e x p o n e n t i a l f u n c t i o n u t i l i z i n g t h e c u m u l a t e d d e c o m p o s i t i o n d a y s a s a p o w e r v a r i a b l e . ( 4 . 2 3 ) M t = M r e ( m l ( m m w h e r e : l M . a c u r r e n t r e s i d u e m a s s M . 8 i n i t i a l r e s i d u e m a s s O r a t e = d e c o m p o s i t i o n c o n s t a n t 1 6 2 4 . 3 . 4 S o i l S u r f a c e R o u g h n e s s S o i l s u r f a c e r o u g h n e s s p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n b o t h o v e r l a n d r u n o f f a n d e r o s i o n . R o u g h e r s u r f a c e s c r e a t e d t h r o u g h t i l l a g e o p e r a t i o n s c r e a t e b a r r i e r s t o o v e r l a n d f l o w a n d s e d i m e n t t r a n s p o r t , a n d i n c r e a s e s o i l p o r o s i t y a n d r e s u l t i n g i n fi l t r a t i o n . T h e r o u g h n e s s o f t h e s o i l c h a n g e s t h r o u g h o u t t h e y e a r r e s u l t i n g f r o m fi e l d i m p l e m e n t u s e , r a i n f a l l , f r e e z e t h a w a n d s o i l s e t t l i n g . C e r t a i n t i l l a g e p r a c t i c e s , s u c h a s m o l d b o a r d p l o w s , o f f s e t d i s k s , a n d c h i s e l p l o w s c a n c r e a t e c o n s i d e r a b l e r o u g h n e s s , w h e r e a s o t h e r i m p l e m e n t s s u c h a s fi e l d c u l t i v a t o r s o r l i s t e r s s m o o t h t h e s o i l s u r f a c e . R a i n f a l l a l s o m o d i fi e s s u r f a c e r o u g h n e s s b y s m o o t h i n g o u t t h e s o i l t h r o u g h b o t h r a i n s p l a s h a n d s u r f a c e fl o w . T h e r o u g h n e s s v a l u e s a s s i g n e d t o a p a r t i c u l a r t i l l a g e i m p l e m e n t u s e d i n A N N - A G N P S a r e t h e s a m e a s t h o s e u s e d i n W E P P ( L a n e a n d N e a r i n g , 1 9 8 9 ) . T h e r a n d o m r o u g h n e s s v a l u e i s c a l c u l a t e d i m m e d i a t e l y a f t e r a t i l l a g e p r a c t i c e w i t h t h e e q u a t i o n : ( 4 . 2 4 ) 3 : 1 ‘ R r o T r * e r c - 1 l [ 1 ‘ T 1 1 w h e r e : R , . a r a n d o m r o u g h n e s s i m m e d i a t e l y a f t e r t i l l a g e R , - r a n d o m r o u g h n e s s c r e a t e d b y a t i l l a g e i m p l e m e n t T . - t i l l a g e i n t e n s i t y R . . . ” = r a n d o m r o u g h n e s s p r i o r t o t i l l a g e T h e d e c a y o f r a n d o m r o u g h n e s s r e s u l t i n g f r o m r a i n f a l l i s r e p r e s e n t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e x p o n e n t i a l f u n c t i o n : 1 6 3 ( 4 . 2 5 ) R t “ , = R , , e " " w h e r e : a , = r a n d o m r o u g h n e s s p a r a m e t e r b a s e o n s o i l s s i l t c o n t e n t R ° - c u m u l a t i v e r a i n f a l l s i n c e a t i l l a g e o p e r a t i o n 4 . 3 . 5 S o i l A p p r o x i m a t i o n A n u m b e r o f q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t i v e s o i l c h a r a c t e r i s t i c s a r e r e q u i r e d i n v a r i o u s s u b - p r o c e s s c a l c u l a t i o n s . T h e A N N - A G N P S m o d e l u s e s s o i l a p p r o x i m a t i o n c a l c u l a t i o n s t o c o n v e r t a v a i l a b l e s o i l i n f o r m a t i o n f r o m d a t a d e s c r i b i n g p e r c e n t a g e s o f t e x t u r a l s o i l c l a s s e s t o t h e n e e d e d p a r a m e t e r i n p u t v a l u e . T h e s o i l p a r a m e t e r s r e q u i r e d i n t h e m o d e l i n c l u d e ; b u l k d e n s i t y , s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y , g r a v i m e t r i c s o i l w a t e r c o n t e n t a t 0 . 0 3 3 M P a ( fi e l d c a p a c i t y ) , g r a v i m e t r i c s o i l w a t e r c o n t e n t a t 1 . 5 M P a ( w i l t i n g p o i n t ) , a n d u p p e r l i m i t w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y . B u l k d e n s i t y i s r e q u i r e d a s a n i n t e r m e d i a t e p a r a m e t e r v a l u e n e e d e d t o c a l c u l a t e s e v e r a l s o i l c h a r a c t e r i s t i c s i n c l u d i n g s o i l t e m p e r a t u r e , s o i l w a t e r fi e l d c a p a c i t y a n d w i l t i n g p o i n t v a l u e s , p o r o s i t y a n d s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y . A b a s e l i n e b u l k d e n s i t y v a l u e i s c a l c u l a t e d f r o m s o i l t e x t u r e i n p u t v a l u e s a s f o l l o w s ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) : ( 4 . 2 6 ) p - [ 1 . 5 2 4 + 0 . 2 s s , - 1 3 . o s , o , , - 6 . o c , o , , - o . 4 a c 1 c e c , ] 1 0 3 e d - o . 0 0 2 2 + o . 3 8 3 c l - o . 5 0 3 5 3 - 0 . 2 6 5 c 1 c z c 3 - [ o . 0 5 c f + o . 1 o g c l l _ 1 9 0 < 8 l o 1 6 4 w h e r e : p = c o n s o l i d a t e d s o i l b u l k d e n s i t y a t 0 . 0 3 3 S , I = s a n d c o n t e n t ( 0 - 1 ) O . = o r g a n i c m a t t e r ( 0 — 1 ) C . = c l a y c o n t e n t ( 0 - 1 ) C B C , a r a t i o o f t h e c a t i o n e x c h a n g e c a p a c i t y o f t h e c l a y ( C E C . ) t o t h e c l a y c o n t e n t o f t h e s o i l : C E C J C , ( 4 , 2 7 ) C i r c e : a r c - o , [ 1 4 2 + 1 7 0 1 3 , ] w h e r e : C E C = c a t i o n e x c h a n g e o f s o i l , m o d e l i n p u t p a r a m e t e r D , = a v e r a g e d e p t h o f t h e h o r i z o n o f i n t e r e s t 3 . 3 . 5 . 2 W i l l i n g P o i n t a n d F i e l d C a p a c i t y V o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t a t 1 . 5 M P a i s c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) : ( 4 . 2 8 ) w h e r e : 9 , . = - v o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t a t 1 . 5 M P a V o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t a t 0 . 0 3 3 M P a i s c a l c u l a t e d a s f o l l o w s ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) : 1 6 5 ( 4 - 2 9 ) e f c - o . 2 3 9 1 - 0 . 1 9 5 , + 2 . 1 o _ + 0 . 7 2 6 , , w h e r e 9 . , - = v o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t a t 0 . 0 3 3 M P a S a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y i s u t i l i z e d t o c a l c u l a t e r e d i s t r i b u t i o n o f s o i l w a t e r w i t h i n t h e p e r c o l a t i o n e q u a t i o n s . I t i s c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n ( A l b e r t s e t a l . , 1 9 8 9 ) : 0 3 0 . 0 0 1 p ( fl ( 4 . 3 0 ) i t , - 2 [ 1 4 1 . 4 7 4 1 9 1 0 . 0 0 0 2 0 2 w h e r e : K . - s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y 4 . = e f f e c t i v e p o r o s i t y a . = t o t a l p o r o s i t y F . = v o l u m e o f e n t r a p p e d a i r i n s o i l 6 . = r e s i d u a l s o i l w a t e r c o n t e n t C = - s o i l t e x t u r e p a r a m e t e r T h e p o r o s i t y p a r a m e t e r r e q u i r e d t o c a l c u l a t e s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y i s d e t e r m i n e d fi r s t b y c a l c u l a t i n g a b a s e l i n e p o r o s i t y v a l u e . 4 . 3 1 . - _ P m ( ) I " 1 2 5 5 0 ( 4 3 3 ) e , - [ 0 . 0 0 0 0 0 2 + 0 . 0 0 0 1 0 , + o . 0 0 0 2 5 0 1 C E C 3 ° “ l P m ( 4 . 3 4 ) ¢ o g I ¢ t F a l ' 6 : 1 6 6 w h e r e : a . = t o t a l p o r o s i t y A v a l u e f o r e n t r a p p e d a i r w i t h i n t h e s o i l i s r e q u i r e d t o c a l c u l a t e t h e e f f e c t i v e p o r o s i t y . B a u m e r ( 1 9 8 9 ) f o r w a r d e d t h e f o l l o w i n g e m p i r i c a l e q u a t i o n : ( 4 . 3 2 ) S l 3 . 8 + 1 . 9 C f - a . 4 8 , + 1 2 . 6 C E C , C 1 + 1 0 0 0 , , [ — 2 £ J 1 0 0 r ; = 1 . 0 - w h e r e : F I I = v o l u m e o f e n t r a p p e d a i r , r e p r e s e n t e d a s a f r a c t i o n ( 0 - 1 ) A r e s i d u a l w a t e r c o n t e n t i s a l s o r e q u i r e d i n t h e e f f e c t i v e p o r o s i t y c a l c u l a t i o n . A n e m p i r i c a l - b a s e d e q u a t i o n ( B a u m e r , 1 9 8 9 ) i s u s e d w h i c h i n c o r p o r a t e s o b t a i n a b l e p a r a m e t e r s : w h e r e : 9 , = r e s i d u a l v o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t o f t h e s o i l E f f e c t i v e p o r o s i t y u s e d i n c a l c u l a t i n g s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y i s g i v e n 1 6 7 w h e r e : a , - e f f e c t i v e p o r o s i t y o f s o i l 4 . 3 . 6 S o i l T e m p e r a t u r e S o i l t e m p e r a t u r e i s c a l c u l a t e d o n a d a i l y b a s i s a n d t h e n p r o v i d e d a s p a r a m e t e r i n p u t i n t h e c a l c u l a t i o n o f r e s i d u e d e c a y a n d s o i l e v a p o r a t i o n . T h e s o i l t e m p e r a t u r e c a l c u l a t i o n s u s e d i n A N N - A G N P S a r e t h e s a m e a s d e v e l o p e d f o r S W R B B ( A r n o l d e t a l . , 1 9 9 0 ) . T h e S W R B B s o i l t e m p e r a t u r e r o u t i n e s i n c o r p o r a t e a n u m b e r o f f a c t o r s i n fl u e n c i n g s o i l t e m p e r a t u r e , i n c l u d i n g : ( 1 ) t h e s o i l p r o fi l e i n fl u e n c e o n t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n , w h i c h c o n s i d e r s b u l k d e n s i t y , s o i l m o i s t u r e a n d p r o fi l e d e p t h , ( 2 ) a t e m p e r a t u r e l a g d u e t o t h e p r e s e n c e o f s u r f a c e r e s i d u e s , a n d ( 3 ) t e m p o r a l i n fl u e n c e w h i c h c o n s i d e r s t h e p r e s e n t d a y ’ s t e m p e r a t u r e r e l a t i v e t o t h o s e w i t h i n t h e m o n t h . T h e e q u a t i o n s u s e d t o d e t e r m i n e s o i l t e m p e r a t u r e a r e a s f o l l o w s : ( 4 . 3 5 ) r , = T m - l - r . r , ( 4 . 3 6 ) r , = ( r _ , / 2 ) + 1 3 $ . . . j - 1 3 3 . 2 ( 4 . 3 7 ) r , = c o s ( ( 2 . 0 r / 3 6 5 ) ( D - 2 0 0 ) - ( s , / D , , . ) e " " > ~ ° ( 4 . 3 8 ) a s . . . = ( R E S . B S . . ) + ( ( l - R E S . , , ) a s . ) ( 4 . 3 9 ) a s . = ( r . . . ' r _ , ) + ( ( 1 - r . . . ) r . . . ( 4 - 4 0 ) T u t ' « I T . . . ( D . . . + D J I - I T ‘ D J ) / D d ) ' T fl / ( T a - a x ' T ‘ ) ( 4 . 4 1 ) R E S . . . - B , I B , + e a m - W ” ( 4 . 4 2 ) D . . . - 1 3 . . . . . . n N W W W W O W » ( 4 . 4 3 ) 0 . , - o , / ( o . 3 5 6 - 0 . l 4 4 p m , ( 4 . 4 4 ) D “ = p u r l - 6 “ “ 1 6 8 w h e r e : T . a d a i l y s o i l t e m p e r a t u r e T . . . - = a v e r a g e a n n u a l s o i l t e m p e r a t u r e T . = b a s e s o i l t e m p e r a t u r e T . = t e m p e r a t u r e d a m p e n i n g c o e f fi c i e n t T . . . = a v e r a g e a n n u a l t e m p e r a t u r e a m p l i t u d e B S . . . = b a s e s a i l a d j u s t m e n t c o e f fi c i e n t B S . = b a s e s o i l t e m p e r a t u r e f o r p r e s e n t d a y D = p r e s e n t j u l i e n d a t e S . = d e p t h o f fi r s t s o i l l a y e r D . . . a s o i l d e p t h d a m p e n i n g c o e f fi c i e n t R E S . . . = c r o p r e s i d u e l a g f a c t o r c o e f fi c i e n t B S . = y e s t e r d a y ’ s b a s e s o i l t e m p e r a t u r e T . . . = s u r f a c e w e i g h t f a c t o r c o e f fi c i e n t T . . . : 1 : m a x i m u m d a i l y t e m p e r a t u r e T . . . = m i n i m u m d a i l y t e m p e r a t u r e T . . . = a v e r a g e m o n t h l y t e m p e r a t u r e D . . . = n u m b e r o f d a y s i n m o n t h w i t h r a i n D . . . a n u m b e r o f d a y s i n m o n t h w i t h o u t r a i n T . . . a s a v e r a g e m o n t h l y m i n i m u m t e m p e r a t u r e T . . . - a v e r a g e m o n t h l y m a x i m u m t e m p e r a t u r e B . = m a s s o f s u r f a c e r e s i d u e ( 4 . 4 6 ) a - A p ( 1 . o - c , ) + M . ) C : 1 6 9 D “ . . . = m a x i m u m s o i l d e p t h d a m p e n i n g c o e f fi c i e n t 0 . = s o i l m o i s t u r e s c a l i n g p a r a m e t e r 0 . - s o i l m o i s t u r e o f fi r s t s o i l l a y e r p - s o i l b u l k d e n s i t y R . = m a x i m u m r o o t d e p t h 4 . 3 . 7 E v a p o t r a n s p i r a t i o n E v a p o t r a n s p i r a t i o n i s t h e a c c u m u l a t i v e w a t e r l o s s t h r o u g h b o t h s o i l e v a p o r a t i o n a n d p l a n t t r a n s p i r a t i o n . E v a p o t r a n s p i r a t i o n r e d u c e s t h e a m o u n t o f s o i l m o i s t u r e , w h i c h i n t u r n c a n i m p a c t i n fi l t r a t i o n a n d r u n o f f a s w e l l a s e r o s i o n . A N N - A G N P S u t i l i z e s R i t c h i e ’ s E T m o d e l ( 1 9 7 2 ) f o r c a l c u l a t i n g p o t e n t i a l e v a p o t r a n s p i r a t i o n : 4 . 4 5 a _ R < 1 - _ A ) 5 ( ) 1 5 ' . 0 . 0 0 1 2 8 5 3 . 3 m w h e r e : E . - d a i l y p o t e n t i a l e v a p o t r a n s p i r a t i o n R s d a i l y s o l a r r a d i a t i o n A a g r o u n d s u r f a c e a l b e d o 6 a s l o p e o f t h e s a t u r a t e d v a p o r p r e s s u r e c u r v e a t m e a n a i r t e m p e r a t u r e G r o u n d s u r f a c e a l b e d o i s c a l c u l a t e d a s f o l l o w s : w h e r e : ( “ 9 ) 2 . 3 0 . 0 0 9 ( r , - 3 . 0 ) “ 2 1 7 0 A , = p l a n t a l b e d o , e q u a l t o 0 . 2 3 C . = v e g e t a t i v e s o i l c o v e r i n d e x . C , = e ‘ o ' m C - s u m o f a b o v e g r o u n d b i o m a s s a n d p l a n t r e s i d u e A , = s o i l a l b e d o T h e s l o p e o f t h e s a t u r a t e d v a p o r p r e s s u r e c u r v e c a n b e d e t e r m i n e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 4 . 4 7 ) 6 : 5 3 0 4 e 2 1 . 2 5 ' 3 - 3 ’ 2 1 ] T i w h e r e : T . a d a i l y a v e r a g e a i r t e m p e r a t u r e , d e g r e e s K e l v i n E v a p o r a t i o n t a k e s p l a c e a s a t w o - s t a g e s o i l d r y i n g p r o C e s s e s ( R i t c h i e , 1 9 7 2 ) . S t a g e o n e s o i l e v a p o r a t i o n o c c u r s a t t h e p o t e n t i a l s o i l e v a p o r a t i o n r a t e , d e fi n e d a s : ( 4 . 4 8 ) E - p ‘ E u e " ° " “ ” w h e r e : E . - p o t e n t i a l s o i l e v a p o r a t i o n T h e u p p e r l i m i t o f s t a g e o n e e v a p o r a t i o n i s d e fi n e d a s : w h e r e : 1 7 1 T , - = s o i l t r a n s m i s s i v i t y , w h i c h c a n b e c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g e m p i r i c a l e q u a t i o n u t i l i z i n g s o i l t e x t u r e c h a r a c t e r i s t i c s : ( 4 5 ° ) r , = 4 . 1 6 5 + 0 . 0 2 4 5 6 s . - 0 . 0 1 7 0 3 c l - o . 0 0 0 4 s } O n c e a c c u m u l a t e d m o i s t u r e e v a p o r a t i o n e x c e e d s t h e s t a g e o n e u p p e r l i m i t , e v a p o r a t i o n t a k e s p l a c e a t a s t a g e t w o r a t e , d e fi n e d a s : ( 4 , 5 1 ) s . = o . 0 0 1 T . [ d 2 ° 5 - ( d . - 1 ) - 5 ] w h e r e : S , = s t a g e t w o s o i l e v a p o r a t i o n d , = d a y s s i n c e s t a g e t w o s o i l e v a p o r a t i o n b e g a n I f r a i n f a l l o c c u r s d u r i n g s t a g e t w o e v a p o r a t i o n a n d i t s v o l u m e i s g r e a t e r t h a n t h e a c c u m u l a t e d s t a g e t w o s o i l e v a p o r a t i o n , s t a g e o n e e v a p o r a t i o n w i l l b e r e a s s u m e d . S o i l e v a p o r a t i o n c a n a l s o b e m o d i fi e d b y t h e p r e s e n c e o f s u r f a c e c o v e r r e s i d u e . T h e W E P P m o d e l ( 1 9 8 9 ) u s e s t h e f o l l o w i n g e x p o n e n t i a l f u n c t i o n : ( 4 5 2 ) E l - E l b e - 0 . o o o o e s c , w h e r e : E . I : a d j u s t e d s o i l e v a p o r a t i o n r a t e E . - b a r s o i l e v a p o r a t i o n r a t e C , = s u r f a c e p l a n t r e s i d u e 1 7 2 A p o t e n t i a l p l a n t t r a n s p i r a t i o n r a t e i s c a l c u l a t e d f o r t h e P E T v a l u e . I t i s a c c o m p l i s h e d w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : ( 4 . 5 3 ) E E e l - A I t p . 3 w h e r e : E . = d a i l y p l a n t t r a n s p i r a t i o n r a t e T h e a b o v e e q u a t i o n w i l l c a l c u l a t e t r a n s p i r a t i o n w h e n t h e L A I i s l e s s t h a n a v a l u e o f 3 ; w h e n L A I i s g r e a t e r t h a n 3 , t h e d a i l y t r a n s p i r a t i o n r a t e ( E . ) i s e q u a l t o t h e d a i l y p o t e n t i a l r a t e ( E . ) . T h e r e m o v a l o f w a t e r b y p l a n t t r a n s p i r a t i o n t h r o u g h o u t t h e s o i l p r o fi l e i s d e p e n d e n t u p o n t h e d e p t h o f t h e p l a n t ’ s r o o t s . T h e f o l l o w i n g W E P P e q u a t i o n ( L a n e a n d N e a r i n g , 1 9 8 9 ) i s u s e d i n t h e A N N - A G N P S m o d e l : ( 4 . 5 4 ) . 1 : ( _ - _ _ L V ) . [ 1 9 1 " " T 2 - g a j w h e r e : U , p o t e n t i a l w a t e r u s e r a t e f o r l a y e r 1 V I : u s e r a t e - d e p t h p a r a m e t e r ( 3 . 0 6 5 ) h . a d e p t h o f s o i l l a y e r R 2 8 r o o t z o n e d e p t h U = a c t u a l u s e o f w a t e r f r o m a b o v e s o i l l a y e r 1 7 3 4 . 3 . 8 N u t r i e n t s T h e c o n t i n u o u s d a i l y t i m e - s t e p o f A N N - A G N P S r e q u i r e s t h a t a d j u s t m e n t s i n t h e n u t r i e n t p o o l b e m a d e t o a c c o u n t f o r a d d i t i o n s a n d d e p l e t i o n s . A d d i t i o n s t o t h e n u t r i e n t p o o l i n c l u d e f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n , m i n e r a l i z a t i o n o f o r g a n i c N t o n i t r a t e , a n d r a i n f a l l , w h i l e d e l e t i o n s i n c l u d e p l a n t u p t a k e , l e a c h i n g a n d n u t r i e n t l o s s e s f r o m w a t e r r u n o f f a n d s o i l e r o s i o n . B a s e d u p o n t h e a v a i l a b i l i t y o f n u t r i e n t s f o r a g i v e n d a y , t h e e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t , a s d i s c u s s e d a b o v e i n t h e l i t e r a t u r e r e v i e w , r e m o v e s a p o r t i o n o f t h e a v a i l a b l e s o l u b l e N a n d P , a n d t h e e n r i c h m e n t r a t i o / s e d i m e n t l o s s r e m o v e s t h e s e d i m e n t - a t t a c h e d n u t r i e n t s . T h e A N N - A G N P S m o d e l i n c o r p o r a t e s t h e n u t r i e n t r o u t i n e s a s i m p l e m e n t e d i n C R E A M S ( K n i s e l , 1 9 8 0 ) . T h e m e a n c o n c e n t r a t i o n o f s o l u b l e N a n d P i n r u n o f f s u b j e c t t o t r a n s p o r t t h r o u g h o v e r l a n d fl o w i s c a l c u l a t e d a s f o l l o w s : c - c , - ( 4 ' 5 5 ) ? § ‘ { — — — ; g o 1 - e “ + 0 , w h e r e : C . a m e a n c o n c e n t r a t i o n d u r i n g r u n o f f Q a fi n a l c o n c e n t r a t i o n a f t e r r u n o f f C . = - c o n c e n t r a t i o n a t t h e e n d o f i n fi l t r a t i o n a n d s t a r t o f r u n o f f C , - c o n c e n t r a t i o n i n r a i n f a l l K , a r a t e c o n s t a n t f o r m o v e m e n t o f n u t r i e n t s i n t o r u n o f f ( N = 0 . 0 5 , P = 0 . 0 2 5 ) Q = t o t a l r u n o f f 1 7 4 ( 4 . 5 6 ) C I . - ( C l - C t ) e ’ & ' + c r ( 4 . 5 7 ) 0 . : ( ( : 1 . C r ) 9 4 . 0 . 0 : C . = i n i t i a l n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n F a t o t a l i n fi l t r a t i o n f o r s t o r m K l = r a t e c o n s t a n t f o r m o v e m e n t o f n u t r i e n t s d o w n i n t o s o i l ( N = 0 . 2 5 , P = 0 . 2 5 ) T h e e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t i s t h e n a p p l i e d t o t h e m e a n c o n c e n t r a t i o n i n e s t i m a t i n g t h e a m o u n t o f n u t r i e n t s r e m o v e d . T h e r e m o v a l o f b o t h N a n d P i s c a l c u l a t e d i n s i m i l a r m a n n e r e x c e p t t h a t r a i n f a l l d o e s n o t s u p p l y P t o t h e i n i t i a l P c o n c e n t r a t i o n . T h e a m o u n t o f n u t r i e n t s t r a n s p o r t e d a w a y t h r o u g h r u n o f f i s t h e n s u b t r a c t e d f r o m t h e o r i g i n a l i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n t o g i v e a n u p d a t e d n u t r i e n t a m o u n t . T h i s a b o v e p r o c e s s d e s c r i b e s l o s s e s o f n u t r i e n t s t h r o u g h o v e r l a n d fl o w a n d l e a c h i n g , a s w e l l a s a d d i t i o n i n r a i n f a l l . T h e N n u t r i e n t s p o o l i s a l s o r e d u c e d t h r o u g h p l a n t u p t a k e a n d a d d e d t o t h r o u g h m i n e r a l i z a t i o n . P l a n t u p t a k e a s c a l c u l a t e d i n A N N - A G N P S i s b a s e d u p o n t h e r e l a t i o n s h i p o f p l a n t g r o w t h t h r o u g h b i o m a s s a c c u m u l a t i o n a n d a c c u m u l a t e d p l a n t N c o n c e n t r a t i o n s a s f o r w a r d e d i n t h e C R E A M S m o d e l ( K n i s e l , 1 9 8 0 ) . T h e N c o n c e n t r a t i o n i n t h e p l a n t i s d e t e r m i n e d a s f o l l o w s : ( 4 . 5 8 ) C , = m i n [ b 1 ( D M . / T D M ) " ’ ( o r ) b 3 ( D M . / T D M ) " ‘ ] 1 7 5 w h e r e : C . a N c o n c e n t r a t i o n i n p l a n t o n d a y i T D M - t o t a l d r y m a t t e r p r o d u c t i o n f o r g r o w i n g s e a s o n D M . - a c c u m u l a t e d d r y m a t t e r p r o d u c t i o n T h e a c t u a l N u p t a k e f r o m t h e a v a i l a b l e p o o l o f s o l u b l e N w i t h i n t h e s o i l i s c a l c u l a t e d w i t h t h e e q u a t i o n : ( 4 . 5 9 ) U N . = = C i D M i w h e r e : U N . = a c c u m u l a t e d N u p t a k e f o r d a y i M i n e r a l i z a t i o n a d d s t o t h e N p o o l t h r o u g h t h e t r a n s f o r m a t i o n o f o r g a n i c N t o n i t r a t e s . T h i s p r o c e s s a s r e p r e s e n t e d i n t h e C R E A M S m o d e l i s d e p e n d e n t u p o n b a t h t e m p e r a t u r e a n d m o i s t u r e l e v e l s w i t h i n t h e s o i l . T h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s c a l c u l a t e t h e a m o u n t o f m i n e r a l i z e d N t a k i n g p l a c e b e t w e e n r a i n f a l l d a y s . ( 4 . 6 0 ) M N I : P O T M W K 1 - e ‘ 1 ' " ” A " w h e r e : M N 8 m i n e r a l i z e d N f o r t h e p e r i o d b e t w e e n r a i n f a l l d a y s P O T M - p o t e n t i a l l y n r i n e r a l i z a b l e N i n t h e s o i l W K 8 w a t e r c o e f fi c i e n t T K - t e m p e r a t u r e c o e f fi c i e n t ( 4 . 6 1 ) W K - - 0 / F C ( 4 . 6 2 ) T K g e t r a n s m i t w h e r e : 1 7 6 0 = s o i l m o i s t u r e c o n t e n t P C = s o i l m o i s t u r e c o n t e n t a t fi e l d c a p a c i t y T A - s o i l t e m p e r a t u r e i n d e g r e e s K e l v i n S o l u b l e P r e m o v a l f r o m t h e a v a i l a b l e s o u r c e o f P i s a c c o u n t e d f o r w i t h o n l y t h e e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t . T h e b i n d i n g n a t u r e o f P t o s o i l p a r t i c l e s a n d t h e l o s s o f P t h r o u g h s e d i m e n t t r a n s p o r t i s a m u c h m o r e i m p o r t a n t s o u r c e o f P . U n l i k e s o l u b l e s o u r c e s o f n u t r i e n t s , s o i l - a t t a c h e d N a n d P f o r m s a r e n o t r e d u c e d . T h e A N N - A G N P S m o d e l u s e s a c o n s t a n t e n r i c h m e n t r a t i o w h i c h r e l a t e s n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n t o e r o d e d s o i l m a s s . T h e e n r i c h m e n t r a t i o s u s e d i n A N N - A G N P S w e r e d i s c u s s e d - i n t h e l i t e r a t u r e r e v i e w s e c t i o n . 4 . 3 . 9 C N M o d i fi c a t i o n T h e A N N - A G N P S m o d e l i n c o r p o r a t e s t w o m o d i fi c a t i o n s t o t h e o r i g i n a l S C S C N m e t h o d r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e r e v i e w . T h e fi r s t m o d i fi c a t i o n a d j u s t s t h e C N v a l u e b a s e d u p o n fi e l d r e s i d u e m a s s , t h e s e c o n d m o d i fi c a t i o n a c c o u n t s f o r u n e v e n l y d i s t r i b u t e d a n t e c e d e n t m o i s t u r e c o n d i t i o n s t h r o u g h t h e s o i l p r o fi l e . T h e m e t h o d f o r a d j u s t i n g C N v a l u e s d u e t o fi e l d r e s i d u e h a s b e e n f o r w a r d e d b y R a w l e t a l . ( 1 9 8 0 ) . T h e y u t i l i z e d d a t a f r o m 5 3 1 s i m u l a t e d a n d n a t u r a l r a i n f a l l e v e n t s o n a l a r g e r e s i d u e c r o p ( c o r n ) a n d m e d i u m r e s i d u e c r o p s ( w h e a t , o a t s , b a r l e y , r y e , s o r g h u m , s o y b e a n s ) w i t h d i f f e r i n g r e s i d u e a m o u n t s t o c r e a t e g r a p h s t h a t s e r v e a s g u i d e l i n e s f o r d e v e l o p i n g c u r v e n u m b e r r e d u c t i o n t a b l e s . S m i t h a n d W i l l i a m s ( 1 9 8 0 ) d e v e l o p e d a w e i g h t i n g f a c t o r t o a c c o u n t f o r u n e v e n d i s t r i b u t i o n o f w a t e r t h r o u g h t h e s o i l p r o fi l e o n g e n e r a t i n g r u n o f f / i n fi l t r a t i o n . W h e n 1 7 7 u s i n g t h e c u r v e n u m b e r m e t h o d i t w a s f o u n d t h a t s o i l s w h i c h w e r e w e t n e a r t h e s u r f a c e t e n d e d t o u n d e r - p r e d i c t r u n o f f a n d o v e r - p r e d i c t i n fi l t r a t i o n , w h i l e t h e o p p o s i t e w a s t r u e f o r d r i e r s o i l s . T h e w e i g h t v a l u e s o f t h e s o i l l a y e r s d e c r e a s e w i t h d e p t h r e fl e c t i n g t h e i m p o r t a n c e o f s o i l m o i s t u r e , o r l a c k o f i t , i n t h e u p p e r s o i l l a y e r s . ( 4 . 6 3 ) 1 7 1 - 1 . 0 1 6 [ q u u fi k e - ‘ J u fi h w h e r e : W . - = w e i g h t f a c t o r D . - d e p t h t o t h e b o t t o m o f a s o i l l a y e r R D - = t o t a l s o i l l a y e r d e p t h i = s o i l l a y e r T h e w e i g h t i n g f a c t o r i s a p p l i e d t o t h e r e t e n t i o n p a r a m e t e r t o a d j u s t t h e fi n a l r u n o f f / i n fi l t r a t i o n v a l u e . ” 3 S M . ( 4 . 6 4 ) s - s m l l fi - Z ; ( “ 6 1 . 7 ” w h e r e : S M , = s o i l m o i s t u r e U L . - u p p e r l i m i t o f s o i l m o i s t u r e c a p a c i t y I I E I . I I . T w o h y p o t h e s e s w e r e f o r w a r d e d i n t h e i n t r o d u c t i o n t o f o r m a l l y g u i d e t h e r e s e a r c h p r o c e s s i n t h e i n v e s t i g a t i o n o f t w o p a r a l l e l r e s e a r c h q u e s t i o n s . T h e fi r s t l i n e 1 7 8 o f r e s e a r c h i s t o a s s e s s t h e c a p a b i l i t y o f G I S t o p r o v i d e i n p u t d a t a t o a d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r w a t e r s h e d m o d e l . T h e s e c o n d l i n e o f r e s e a r c h i s t o e v a l u a t e t h e m o d e l ’ s p r e d i c t i v e a c c u r a c y a n d d e t e r m i n e a l e v e l a t w h i c h t h e m o d e l c a n b e s t d e s c r i b e t h e c o n t r i b u t i o n o f N P S p o l l u t i o n l o a d i n g f r o m s u b - w a t e r s h e d s i n s i d e a l a r g e r w a t e r s h e d . 4 . 4 . 1 T e s t i n g H y p o t h e s i s 1 G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r d a t a w i l l b e c o m p a r e d a n d c o n t r a s t e d t o p a r a m e t e r i n p u t v a l u e s a s d e t e r m i n e d t h r o u g h m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d r e c o n n a i s s a n c e l e v e l fi e l d s u r v e y s . D a t a c o m p a r i s o n w i l l o c c u r a t t w o d i f f e r e n t i n p u t s c a l e s , a 4 0 a c r e a n d a 1 0 a c r e g r i d c e l l r e s o l u t i o n . A ” M a t c h e d P a i r “ T t e s t w i l l b e e n l i s t e d t o d e t e r m i n e i f a s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e e x i s t s b e t w e e n p a r a m e t e r s g e n e r a t e d u s i n g G I S a n d m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y s . A l s o t o b e t e s t e d f o r d i f f e r e n c e s w i l l b e t w o s e t s o f o u t p u t r e s u l t s f r o m t h e A N N - A G N P S m o d e l . R e s u l t s t o b e a s s e s s e d i n c l u d e c e l l - l e v e l o u t p u t f o r o v e r l a n d r u n o f f v o l u m e , e r o s i o n a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g , a s w e l l a s r e s u l t s f o r r o u t e d o u t p u t g e n e r a t e d a t t h e s u b - w a t e r s h e d o u t l e t s ; i n c l u d i n g r u n o f f v o l u m e , p e a k fl o w r a t e , s u s p e n d e d s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . T h e n u l l h y p o t h e s i s i s p r e s e n t e d a s : H o : u p = I t . - p 2 = O , w h e r e u p i s t h e m e a n d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o i n p u t p a r a m e t e r s a n d o u t p u t r e s u l t s , I t . i s t h e m e a n o f t h e G I S — g e n e r a t e d i n p u t p a r a m e t e r a n d o u t p u t r e s u l t s a n d 1 4 1 1 8 t h e m e a n o f t h e m a p i n t e r p r e t a t i o n / r e c o n n a i s s a n c e i n p u t p a r a m e t e r s a n d o u t p u t r e s u l t s . T h e t e s t s t a t i s t i c i s g i v e n a s : ( 4 . 6 5 ) " S n / t / fi 1 7 9 w h e r e t h e l e v e l o f s i g n i fi c a n c e e s t a b l i s h e d i s a = 0 . 0 5 . a n d ( 4 . 6 6 ) n ( ” D 1 ) 2 S D : \ n - l w h e r e : 8 . , = s t a n d a r d d e v i a t i o n D . = d i f f e r e n c e b e t w e e n p a r a m e t e r i n p u t v a l u e s u t i l i z i n g t w o m e t h o d s 1 1 = n u m b e r o f o b s e r v a t i o n s , e q u a l t o t h e n u m b e r o f c e l l s i n t h e w a t e r s h e d a t t h e 4 0 a n d 1 0 a c r e s i z e 4 . 4 . 2 T e s t i n g H y p o t h e s i s 2 T h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f t h e A N N - A G N P S m o d e l , i n c l u d i n g : q u a n t i t a t i v e p r e d i c t i o n s , c o n t r i b u t i n g s u b - w a t e r s h e d r a n k i n g p r e d i c t i o n s , a n d s i g n i fi c a n t s u b - w a t e r s h e d i d e n t i fi c a t i o n p r e d i c t i o n s , w i l l b e a s s e s s e d b y c o m p a r i n g o b s e r v e d r e c o r d i n g s o f t o t a l r u n o f f v o l u m e , p e a k fl o w r a t e , s e d i m e n t l o a d i n g a n d s o l u b l e T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g t o m o d e l s i m u l a t e d v a l u e s . Q u a n t i t a t i v e c o m p a r i s o n s w i l l b e e v a l u a t e d f o r e a c h o f t h e s u b - w a t e r s h e d s , t h e i n t e r m e d i a t e w a t e r s h e d n u m b e r 7 , a s w e l l a s t h e e n t i r e w a t e r s h e d . Q u a n t i t a t i v e p r e d i c t i o n s f o r p e a k r u n o f f , v o l u m e , s e d i m e n t l o a d i n g , a n d s o l u b l e t o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g w i l l fi r s t b e p l o t t e d a g a i n s t o b s e r v a t i o n s t o g r a p h i c a l l y d i s p l a y c o r r e l a t i o n . N e x t a s i m p l e l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l w i l l b e i n c o r p o r a t e d t o e s t i m a t e t h e l i n e a r 1 8 0 c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t ( r ) . T e s t i n g t h e h y p o t h e s i s , a s t o w h e t h e r o r n o t c o r r e l a t i o n e x i s t s a t a g i v e n c o n fi d e n c e l e v e l , i s a c h i e v e d b y t e s t i n g t h e l i n e a r r e g r e s s i o n c o e f fi c i e n t : H o : 3 . = 0 . T h e T - s t a t i s t i c i s g i v e n a s : ( 4 . 6 7 ) c I ” - B a s e d u p o n b o t h t h e o b s e r v e d a n d t h e s i m u l a t e d q u a n t i t a t i v e v a l u e s f o r s e d i m e n t a n d N i t r o g e n l o a d i n g f r o m t h e s u b - w a t e r s h e d s , a r a n k i n g o f s e d i m e n t a n d n i t r o g e n l o a d i n g w i l l b e g e n e r a t e d . T h e t w o r a n k i n g s w i l l b e c o m p a r e d t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e m o d e l c a n c o r r e c t l y m a t c h t h e r a n k i n g o f o b s e r v e d c o n t r i b u t i o n . T e s t i n g t h e c a p a c i t y o f t h e m o d e l t o d e t e r m i n e w h i c h s u b - w a t e r s h e d s c o n t r i b u t e s i g n i fi c a n t s e d i m e n t a n d n u t r i e n t l o a d i n g r e q u i r e s s e l e c t i n g a n a r b i t r a r y c u t - o f f v a l u e f o r d e fi n i n g c o n t r i b u t i o n s i g n i fi c a n c e . F o r t h i s r e s e a r c h , 2 5 % o f t h e t o t a l s e d i m e n t a n d n u t r i e n t l o a d w i l l b e u s e d : a s u b - w a t e r s h e d t h a t g e n e r a t e s m o r e t h a n 2 5 % o f t h e t o t a l s e d i m e n t o r n u t r i e n t l o a d t o t h e o u t l e t o f t h e w a t e r s h e d i s c o n s i d e r e d a s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t i o n o f N P S p o l l u t i o n . T h e s i g n i fi c a n t b y c o n t r i b u t i n g s u b - w a t e r s h e d s , a s d e t e r m i n e d f r o m t h e r e c o r d e d d a t a , w i l l b e c o m p a r e d t o t h e s i m u l a t e d r e s u l t s t o e v a l u a t e t h e a b i l i t y o f t h e m o d e l t o i d e n t i f y s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t i n g a r e a s . C H A P T E R 5 R E S U L T S W m T h e h y p o t h e s e s f o r w a r d e d i n t h e i n t r o d u c t o r y c h a p t e r w i l l b e t e s t e d u t i l i z i n g s t a t i s t i c a l a n d c o m p a r a t i v e t e s t s o n b o t h m o d e l i n p u t p a r a m e t e r d a t a a s w e l l a s c o l l e c t e d w a t e r s h e d o b s e r v a t i o n a l a n d m o d e l - g e n e r a t e d r e s u l t s . A d i s c u s s i o n o f t h e s i g n i fi c a n c e o f t h e r e s u l t s a n d h o w t h e y a r e r e fl e c t e d i n t h e a c c e p t a n c e o r r e j e c t i o n o f t h e h y p o t h e s e s w i l l a l s o b e p r o v i d e d . H y p o t h e s i s 1 w a s f o r m u l a t e d t o g u i d e t h e r e s e a r c h i n a s s e s s i n g G I S ’ s a b i l i t y t o g e n e r a t e m o d e l i n p u t p a r a m e t e r s a n d t o e v a l u a t e t h e i m p a c t o f G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s o n m o d e l o u t p u t r e s u l t s , a s c o m p a r e d t o a s t a n d a r d s e t o f i n p u t v a l u e s g e n e r a t e d b y m o r e c o n v e n t i o n a l m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d s u r v e y i n g m e t h o d s . H y p o t h e s i s 1 : T h e i n p u t p a r a m e t e r e r r o r i n t r o d u c e d u s i n g G I S - b a s e d s p a t i a l d a t a m a n i p u l a t i o n m e t h o d s i s i n s i g n i fi c a n t a s c o m p a r e d t o m o d e l i n p u t d a t a v a l u e s g e n e r a t e d f r o m c o n v e n t i o n a l m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d r e c o n n a i s s a n c e fi e l d s u r v e y s . T h u s t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s u t i l i z i n g t h e t w o s e t s o f m o d e l i n p u t p a r a m e t e r s w i l l b e c o m p a r a b l e . A M a t c h e d P a i r T t e s t w a s u s e d t o t e s t t h e v a l i d i t y o f t h e h y p o t h e s i s b y d e t e r m i n i n g i f t h e i n p u t p a r a m e t e r m e a n s f r o m t h e t w o d i f f e r e n t d a t a g e n e r a t i o n m e t h o d s a r e 1 8 1 1 8 2 s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t . F u r t h e r , m o d e l r e s u l t s g e n e r a t e d w i t h t h e t w o d i f f e r e n t i n p u t p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s a r e a l s o a s s e s s e d t o d e t e r m i n e i f s i g n i fi c a n t s i m i l a r i t i e s o r d i f f e r e n c e s e x i s t w h e n u t i l i z i n g d i f f e r e n t i n p u t d a t a . H y p o t h e s i s 2 w a s a r t i c u l a t e d t o g u i d e t h e r e s e a r c h i n t e s t i n g t h e A N N - A G N P S m o d e l ’ s p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s a n d d e t e r m i n e a t w h a t l e v e l o f s p e c i fi c i t y t h e m o d e l i s c a p a b l e o f g e n e r a t i n g r e s u l t s d e s c r i b i n g t h e s u b - a r e a c o n t r i b u t i o n o f N P S p o l l u t a n t s w i t h i n a w a t e r s h e d . T h i s t e s t i s c a r r i e d o u t s p e c i fi c a l l y f o r s u s p e n d e d s e d i m e n t s a n d s o l u b l e T o t a l - N i t r o g e n . H y p o t h e s i s 2 : T h e A N N - A G N P S m o d e l c a n n o t a c c u r a t e l y p r e d i c t q u a n t i t a t i v e c o n t r i b u t i o n s o f N P S p o l l u t a n t s f r o m s u b - w a t e r s h e d s w i t h i n a l a r g e r a g r i c u l t u r a l w a t e r s h e d . T h e m o d e l i s o n l y c a p a b l e o f p r o v i d i n g i d e n t i fi c a t i o n a n d r a n k i n g d e s e r i p t i o n . S i x s t a g e r e c o r d e r s a n d w a t e r s a m p l e r s w e r e s e t u p i n t h e w a t e r s h e d . D a t a w a s c o l l e c t e d f r o m f o u r s u b - w a t e r s h e d s , t h e w a t e r s h e d o u t l e t a n d a n i n t e r m e d i a t e p o s i t i o n b e t w e e n t h e w a t e r s h e d o u t l e t a n d t h e u p p e r s u b - w a t e r s h e d s . W a t e r s h e d o b s e r v a t i o n a l d a t a i s c o m p a r e d t o A N N - A G N P S m o d e l - g e n e r a t e d r e s u l t s . A 1 0 a c r e g r i d c e l l s i z e i s u s e d t o d e l i n e a t e t h e w a t e r s h e d , a n d m a p i n t e r p r e t a t i o n I fi e l d s u r v e y i n g m e t h o d s w e r e u s e d t o d e t e r m i n e i n p u t p a r a m e t e r d a t a . A c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t d e r i v e d f r o m l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s i s u s e d f o r t e s t i n g t h e h y p o t h e s i s . A b a s i c c o m p a r a t i v e a n a l y s i s i s a l s o i n c o r p o r a t e d t o c o m p a r e o u t p u t r e s u l t s . 1 8 3 W T h e m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g a n d G I S - b a s e d i n p u t p a r a m e t e r s w i l l b e s t a t i s t i c a l l y e v a l u a t e d f o r t w o d i f f e r e n t c e l l s i z e s ; 4 0 a c r e s a n d 1 0 a c r e s . T h e i n p u t p a r a m e t e r s u s e d i n t e s t i n g t h e h y p o t h e s i s a r e t o p o g r a p h y - r e l a t e d a n d fi e l d p r a c t i c e - r e l a t e d . T h e y w e r e e i t h e r g e n e r a t e d t h r o u g h e l e v a t i o n c o n t o u r - l i n e i n t e r p r e t a t i o n , fi e l d s u r v e y i n g , o r G I S - b a s e d t e r r a i n a n d o v e r l a y a n a l y s i s m e t h o d s . T h e s e d a t a v a l u e s a r e r e p r e s e n t a t i v e o f q u a n t i t a t i v e r a t h e r t h a n d e s c r i p t i v e d a t a t y p e s . T h e y i n c l u d e ; h i l l s i d e s l o p e , h i l l s i d e l e n g t h , c h a n n e l s l o p e , c h a n n e l s i d e s l o p e , c h a n n e l l e n g t h a n d M a n n i n g s c o e f fi c i e n t . Q u a n t i t a t i v e p a r a m e t e r v a l u e s a s s o c i a t e d w i t h t h e s o i l s m a p p i n g u n i t a n d f a r m fi e l d s , s u c h a s S C S c u r v e n u m b e r a n d R U S L E K - F a c t o r , w e r e n o t i n c l u d e d f o r p a r a m e t e r c o m p a r i s o n . T h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s r e s u l t e d i n t h e a s s i g n m e n t o f t h e s a m e s o i l m a p p i n g u n i t a n d f a r m fi e l d f o r e a c h g r i d c e l l c o m p r i s i n g t h e w a t e r s h e d . T h e r e f o r e , p a r a m e t e r v a l u e s s u c h a s t h e c u r v e n u m b e r a n d R U S L E K - F a c t o r a r e t h e s a m e b e t w e e n t h e t w o m e t h o d s . T h e M a t c h e d P a i r T t e s t e m p l o y e d i n t e s t i n g H y p o t h e s i s 1 a s s e s s e s w h e t h e r t h e m e a n s f o r t h e G I S - g e n e r a t e d i n p u t p a r a m e t e r s a r e s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r , o r d i f f e r e n t , f r o m t h e m a p - i n t e r p r e t e d i n p u t p a r a m e t e r m e a n s . T a b l e 5 . 1 p r o v i d e s t h e T s t a t i s t i c f o r 4 0 - a c r e g r i d c e l l s i z e p a r a m e t e r s . A t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l ( p = 1 . 7 1 1 ) , o n l y t h e c h a n n e l s l o p e i n p u t p a r a m e t e r ’ s m e a n c a n b e c o n s i d e r e d s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r f o r b o t h d a t a g e n e r a t i o n m e t h o d s . T a b l e 5 . 2 p r o v i d e s t h e T s t a t i s t i c f o r a 1 0 a c r e g r i d c e l l s i z e . A t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l ( p = 1 . 6 5 8 ) , t h e h i l l s i d e s l o p e a n d h i l l s i d e l e n g t h m e a n s c a n b e c o n s i d e r e d s t a t i s t i c a l l y t h e s a m e . T h u s f o r t h e s e t h r e e 1 8 4 p a r a m e t e r s , o n e c a n n o t r e j e c t t h e n u l l h y p o t h e s i s : u p = [ 1 1 - p 2 = 0 , a n d i t m u s t t h e r e f o r e b e a s s u m e d t h a t f o r t h e s e t h r e e i n p u t p a r a m e t e r s , t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s w i l l r e s u l t i n s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r i n p u t d a t a v a l u e s . T a b l e 5 . 1 4 0 A c r e G r i d C e l l . I n p u t P a r a m e t e r . T S t a t i s t i c I n p u t P a r a m e t e r s T S t a t i s t i c H i l l s i d e S l o p e 1 . 7 1 8 I H i l l s i d e L e n g t h 2 . 0 2 1 C h a n n e l S l o p e - 1 . 2 6 2 * I C h a n n e l S i d e S l o p e - 2 . 5 0 9 I C h a n n e l L e n g t h 2 . 8 3 3 M a n n i n g s C o e f fi c i e n t 3 . 5 7 9 I L e v e l o f S i g n i fi c a n c e a : = 0 . 0 5 . p = 1 . 7 1 1 . n = 2 3 T a b l e 5 . 2 1 0 A c r e G r i d C e l l . I n p u t P a r a m e t e r . T S t a t i s t i c I n p u t P a r a m e t e r s H i l l s i d e S l o p e H i l l s i d e L e n g t h C h a n n e l S l o p e C h a n n e l S i d e S l o p e C h a n n e l L e n g t h L e v e l o f S i g n i fi c a n c e a = 0 . 0 5 . p a 1 . 6 5 8 . n = 9 7 F o r t h e r e m a i n i n g 4 0 a c r e p a r a m e t e r s , h i l l s i d e s l o p e , h i l l s i d e l e n g t h , c h a n n e l s l i d e s l o p e , c h a n n e l l e n g t h a n d M a n n i n g s c o e f fi c i e n t , t h e M a t c h e d P a i r T t e s t s t a t i s t i c i s g r e a t e r t h a n t h e 9 5 % s i g n i fi c a n t p r o b a b i l i t y l e v e l , a n d t h u s t h e n u l l h y p o t h e s i s i s 1 8 5 r e j e c t e d . T h e n u l l h y p o t h e s i s m u s t a l s o b e r e j e c t e d f o r t h e 1 0 a c r e i n p u t p a r a m e t e r s o f c h a n n e l s l o p e , c h a n n e l s i d e s l o p e , c h a n n e l l e n g t h a n d M a n n i n g s c o e f fi c i e n t . F o r t h e s e p a r a m e t e r s , t h e r e i s a s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m e a n s f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . T h e s e c o n d h a l f o f h y p o t h e s i s 1 e v a l u a t e s t h e m o d e l o u t p u t r e s u l t s f o r t h e t w o d i f f e r e n t p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . A s t a t i s t i c a l c o m p a r i s o n u s i n g t h e M a t c h e d P a i r T t e s t w a s c a r r i e d o u t f o r o u t p u t v a l u e s g e n e r a t e d f o r e a c h c e l l . T h e s e r e s u l t s i n c l u d e d o v e r l a n d r u n o f f , o v e r l a n d e r o s i o n a n d o v e r l a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . T h e c e l l - b a s e d o u t p u t r e s u l t s r e p r e s e n t t h e g e n e r a t i o n o f w a t e r a n d c o n s t i t u e n t s fl o w i n g f r o m a c e l l ’ s o v e r l a n d a r e a a n d i n t o t h e c e l l ’ s c h a n n e l . A s t a t i s t i c a l e v a l u a t i o n w a s a l s o c a r r i e d o u t f o r c h a n n e l h y d r o l o g i c d e s c r i p t i o n s , i n c l u d i n g r u n o f f v o l u m e a n d p e a k fl o w r a t e , a s w e l l a s s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g a t t h e s i x g a u g e s i t e s f o r t h e t w o s t o r m s . T h e M a t c h e d P a i r T s t a t i s t i c u s e d f o r d e t e r m i n i n g s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n c e f o r t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e h y d r o l o g y , s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n g e n e r a t i o n i s g i v e n i n T a b l e 5 . 3 . A t t h e 9 5 % p r o b a b i l i t y l e v e l ( p = 1 . 6 7 l ) o n l y t h e m e a n f o r T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g i s l e s s t h a n t h e T s t a t i s t i c . T h e r e f o r e t h e n u l l h y p o t h e s i s c a n n o t b e r e j e c t e d ; T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g m e a n s a r e s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . T h e T s t a t i s t i c v a l u e f o r o v e r l a n d r u n o f f a n d s e d i m e n t l o a d i n g , h o w e v e r , i s g r e a t e r t h a n t h e 9 5 % p r o b a b i l i t y v a l u e . T h e n u l l h y p o t h e s i s i s r e j e c t e d , a n d t h e m e a n s f o r t h e r u n o f f a n d s e d i m e n t l o a d i n g p a r a m e t e r s f o r t h e t w o m e t h o d s a r e c o n s i d e r e d s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t . T a b l e 5 . 4 d e m o n s t r a t e s t h a t f o r t h e 1 0 a c r e c e l l 1 8 6 s i z e h y d r o l o g y , s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n m o d e l o u t p u t r e s u l t s a r e l e s s t h a n t h e 9 5 % p r o b a b i l i t y l e v e l ( p = 1 . 6 4 5 ) . T h u s t h e n u l l h y p o t h e s i s c a n n o t b e r e j e c t e d ; a t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , t h e m e a n o u t p u t r e s u l t v a l u e s f o r t h e t w o d i f f e r e n t m e t h o d s a r e s i g n i fi c a n t l y t h e s a m e . T a b l e 5 . 3 4 0 A c r e G r i d C e l l . S t o r m 1 & 2 O u t p u t R e s u l t s . T S t a t i s t i c O v e r l a n d R u n o f f S e d i m e n t L o a d i n g T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g l e v e l o f S i g n i fi c a n c e a t = 0 . 0 5 . P = 1 . 6 7 1 . n = 4 6 T a b l e 5 . 4 1 0 A c r e G r i d C e l l . S t o r m 1 8 1 . 2 O u t p u t R e s u l t s . T S t a t i s t i c O u t p u t R e s u l t s 1 ‘ S t a t i s t i c O v e r l a n d R u n o f f 0 . 0 1 2 " ' S e d i m e n t L o a d i n g 0 . 0 3 5 “ T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g 0 . 1 9 2 " L e v e l o f S i g n i fi c a n c e a t = 0 . 0 5 . P = 1 . 6 4 5 . n = 1 9 4 T a b l e 5 . 5 a n d 5 . 6 p r o v i d e t h e M a t c h e d P a i r T s t a t i s t i c f o r d e t e r m i n i n g s i g n i fi c a n c e b e t w e e n m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g a n d G I S - b a s e d p a r a m e t e r s f o r c h a n n e l h y d r o l o g y , s e d i m e n t l o a d i n g a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g o u t p u t a t t h e s i x g a u g e s i t e s f o r t h e t w o s t o r m s . T a b l e 5 . 5 r e p r e s e n t s t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e a n d T a b l e 5 . 6 t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e . 1 8 7 T a b l e 5 . 5 4 0 a c r e G r i d C e l l G a u g e S i t e s . S t o r m 1 & 2 O u t p u t R e s u l t s . T S t a t i s t i c I n p u t P a r a m e t e r s ‘ C h a n n e l R u n o f f C h a n n e l P e a k F l o w C h a n n e l S e d i m e n t L o a d i n g C h a n n e l T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g L e v e l o f S i g n i fi c a n c e a = 0 . 0 5 . P = 1 . 7 0 2 . n = 1 2 T a b l e 5 . 6 1 0 a c r e G r i d C e l l G a u g e S i t e s . S t o r m 1 8 L 2 O u t p u t R e s u l t s . T S t a t i s t i c ' I n p u t P a r a m e t e r s C h a n n e l R u n o f f C h a n n e l P e a k F l o w C h a n n e l S e d i m e n t L o a d i n g C h a n n e l T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g L e v e l o f S i g n i fi c a n c e a = 0 . 0 5 . P = 1 . 7 0 2 . n = 1 2 T h e M a t c h e d P a i r T s t a t i s t i c f o r d e t e r m i n i n g s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n t s i m i l a r i t y b e t w e e n t h e m e a n s o f m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g a n d G I S - b a s e d m e t h o d s m o d e l o u t p u t w e r e a s s e s s e d a t t h e 9 5 % p r o b a b i l i t y l e v e l . A t t h e 4 0 a c r e g r i d c e l l s i z e o n l y t h e c h a n n e l s e d i m e n t l o a d i n g T s t a t i s t i c w a s l e s s t h a n t h e p r o b a b i l i t y v a l u e . T h e r e f o r e t h e n u l l h y p o t h e s i s c a n n o t b e r e j e c t e d a n d i t s u p p o r t s t h e a r g u m e n t t h a t c h a n n e l s e d i m e n t l o a d i n g m e a n s f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s a r e s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r . T h e T s t a t i s t i c v a l u e f o r c h a n n e l r u n o f f , c h a n n e l s e d i m e n t l o a d i n g a n d c h a n n e l T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g i s g r e a t e r t h a n t h e 9 5 % p r o b a b i l i t y v a l u e . 1 8 8 T h e n u l l h y p o t h e s i s i s r e j e c t e d , a n d t h e m e a n s f o r t h e r u n o f f a n d s e d i m e n t l o a d i n g p a r a m e t e r s f o r t h e t w o m e t h o d s a r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t . T a b l e 5 . 6 s h o w s t h a t t h e T s t a t i s t i c f o r a l l r e s u l t s i s l e s s t h a n t h e 9 5 % p r o b a b i l i t y l e v e l . T h u s t h e n u l l h y p o t h e s i s c a n n o t b e r e j e c t e d f o r c h a n n e l r u n o f f , p e a k fl o w , s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . T h e o u t p u t v a l u e m e a n s f o r t h e t w o d i f f e r e n t m e t h o d s a t t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e a r e s i g n i fi c a n t l y t h e s a m e . 5 . 2 . 1 D i s c u s s i o n T a b l e s 5 . 1 a n d 5 . 2 d e m o n s t r a t e t h a t m o s t o f t h e i n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e t w o g e n e r a t i o n m e t h o d s a t t h e 4 0 a c r e a n d 1 0 a c r e g r i d c e l l s i z e a r e s t a t i s t i c a l l y d i f f e r e n t . T h e r e a r e , h o w e v e r , e x c e p t i o n s f o r e a c h c e l l s i z e . A t t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e , t h e c h a n n e l s l o p e p a r a m e t e r i s s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r f o r t h e t w o i n p u t m e t h o d s , a n d t h e h i l l s i d e s l o p e a n d h i l l s i d e l e n g t h a r e s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r a t t h e 1 0 a c r e g r i d c e l l s i z e . I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t t h e s i m i l a r p a r a m e t e r s a t t h e t w o c e l l s i z e s r e p r e s e n t d i f f e r e n t l a n d s c a p e c h a r a c t e r i s t i c s . T h e p a r a m e t e r t h a t i s s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r a t t h e 4 0 a c r e g r i d c e l l i s r e l a t e d t o a c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c , w h e r e a s t h e p a r a m e t e r s s i m i l a r a t t h e 1 0 a c r e g r i d c e l l a r e r e l a t e d t o o v e r l a n d fl o w c h a r a c t e r i s t i c s . 5 . 2 . 1 . 1 C h a n n e l P a r a m e t e r G e n e r a t i o n I t c a n b e s e e n f r o m t h e T s t a t i s t i c v a l u e s i n T a b l e s 5 . 1 a n d 5 . 2 t h a t t h e m e a n d i f f e r e n c e b e t w e e n c h a n n e l p a r a m e t e r i n p u t d a t a f o r t h e t w o m e t h o d s i s l e s s i n t h e 4 0 - a c r e c e l l s i z e t h a n i n t h e l O a c r e c e l l s i z e . O n e r e a s o n t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e h a s c h a n n e l i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s w i t h a h i g h e r d e g r e e o f s i m i l a r i t y i s t h a t i n b o t h m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g a n d G I S - b a s e d p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s a l a r g e r 1 8 9 p e r c e n t a g e o f t h e w a t e r s h e d i s c o v e r e d b y c e l l s c o n t a i n i n g a c h a n n e l f o r g e n e r a t i n g c h a n n e l p a r a m e t e r v a l u e s . A s d e s c r i b e d i n t h e m e t h o d s c h a p t e r , a c e l l m u s t h a v e a c h a n n e l l e n g t h t h a t i s g r e a t e r t h a n o n e - h a l f t h e l e n g t h o f a c e l l s i d e i n o r d e r t o b e a s s i g n e d t h a t l e n g t h , o t h e r w i s e t h e d e f a u l t v a l u e i s a s s i g n e d . T h e r e f o r e a t t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e , t h e r e a r e f e w e r c e l l s w i t h o u t c h a n n e l s t h a t r e q u i r e a d e f a u l t c h a n n e l p a r a m e t e r v a l u e t h a n a t t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e . T h e d e f a u l t c h a n n e l s l o p e i s e q u a l t o o n e - h a l f t h e l a n d s l o p e f o r t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e , t h e d e f a u l t c h a n n e l s i d e s l o p e i s e q u a l t o 1 0 % , a n d t h e d e f a u l t M a n n i n g s c o e f fi c i e n t i s b a s e d u p o n d o m i n a n t t i l l a g e p r a c t i c e f o r t h e c e l l . A t t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e f o r b o t h m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g a n d G I S - b a s e d p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s , a l a r g e r p e r c e n t a g e o f t h e c e l l s i n t h e w a t e r s h e d d o n o t h a v e c h a n n e l s . T h u s m o r e d e f a u l t c h a n n e l v a l u e s m u s t b e g e n e r a t e d . F i g u r e 5 . l a d e m o n s t r a t e s t h a t a t t h e 4 0 - a c r e c e l l s i z e , 8 o u t o f 2 3 c e l l s d o n o t h a v e a c h a n n e l f o r t h e m a p i n t e r p r e t e d / fi e l d s u r v e y m e t h o d , a n d F i g u r e 5 . 1 b s h o w s 3 o u t o f 2 3 c e l l s i n t h e G I S — b a s e d m e t h o d w i t h o u t c h a n n e l s . F i g u r e 5 . 2 a d e m o n s t r a t e s t h a t a t t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e , 5 5 o u t o f 9 8 c e l l s d o n o t h a v e a c h a n n e l f o r t h e m a p i n t e r p r e t e d / fi e l d s u r v e y m e t h o d , a n d F i g u r e 5 . 2 b s h o w s 4 4 o u t o f 9 8 c e l l s i n t h e G I S - b a s e d m e t h o d w i t h o u t c h a n n e l s . A n u m b e r o f a d d i t i o n a l r e a s o n s e x p l a i n w h y t h e r e i s s i g n i fi c a n t d i s s i m i l a r i t y b e t w e e n m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g a n d G I S - b a s e d p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . T h e fi r s t e x p l a n a t i o n r e l a t e s t o t h e a b o v e - d i s c u s s e d d i f f e r e n c e s i n c e l l s w i t h a n d w i t h o u t c h a n n e l s . F o r e a c h c e l l s i z e , t h e t w o d i f f e r e n t p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s r e s u l t i n a d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n o f c e l l s t h a t c o n t a i n c h a n n e l - d e r i v e d d a t a 1 9 0 r a t h e r t h a n d e f a u l t c h a n n e l i n f o r m a t i o n . A t t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e 6 c e l l s a r e m i s i d e n t i fi e d b e t w e e n m e t h o d s , a n d a t t h e l O - a c r e c e l l s i z e 1 9 c e l l s a r e m i s i d e n t i fi e d . T h e 1 0 a c r e c e l l s i z e w i t h g r e a t e r c h a n n e l m i s i d e n t i fi c a t i o n b e t w e e n p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s t h u s r e s u l t s i n l o w e r c o r r e l a t i o n v a l u e s t h a n t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e w i t h f e w e r c h a n n e l m i s i d e n t i fi c a t i o n s . S e c o n d , t h e t e r r a i n a n a l y s i s p r o c e d u r e s c a r r i e d o u t b y t h e G I S - m e t h o d c a n r e s u l t i n a d i f f e r e n t c h a n n e l n e t w o r k p a t t e r n a n d a d i f f e r e n t d e n s i t y o f c h a n n e l s t h a n m a p i n t e r p r e t a t i o n m e t h o d s . G I S - m e t h o d s w i l l g e n e r a t e s t r a i g h t l i n e fl o w p a t h s i n t o p o g r a p h i c a l l y fl a t a r e a s w h e r e a s m a p — i n t e r p r e t e d fl o w p a t h s f o l l o w t h e l a n d s c a p e t o p o g r a p h y b e t t e r a n d t h u s r e p r e s e n t a c t u a l fl o w p a t h s m o r e a c c u r a t e l y ( F i g u r e s 5 . 1 a n d 5 . 2 ) . C o n v e r s e l y , m a p - i n t e r p r e t e d fl o w p a t h s m a y c o n f o r m t o s t r a i g h t l i n e a r t i fi c i a l c h a n n e l s , w h e r e t h e G I S - g e n e r a t e d fl o w p a t h s d o n o t . B e c a u s e o f t h e d i f f e r e n c e s i n c h a n n e l d e l i n e a t i o n b e t w e e n t h e t w o m e t h o d s , c h a n n e l l e n g t h s w i t h i n a c e l l c a n b e d i f f e r e n t . F u r t h e r , b e c a u s e t h e t w o c h a n n e l d e l i n e a t i o n m e t h o d s c a n r e s u l t i n d i f f e r e n t p l a c e m e n t o f a c h a n n e l w i t h i n a c e l l , d i f f e r e n t e l e v a t i o n v a l u e s w i l l b e s e l e c t e d i n c a l c u l a t i n g a c h a n n e l s l o p e ; t h u s c h a n n e l s l o p e v a l u e s f o r a c e l l w i l l b e d i f f e r e n t . ' T h i r d , d e f a u l t c h a n n e l l e n g t h s c a n b e d i f f e r e n t d u e t o t h e c o n fi g u r a t i o n o f c e l l fl o w d i r e c t i o n s . I f a p a r t i c u l a r c e l l h a s d i f f e r e n t i n fl o w a n d o u t fl o w d i r e c t i o n s f o r t h e t w o m e t h o d s , t h e n t h e d e f a u l t c h a n n e l l e n g t h s w i l l b e d i f f e r e n t . F i n a l l y , c h a n n e l s i d e s l o p e a n d M a n n i n g s c o e f fi c i e n t v a l u e s a r e d i f f e r e n t b e t w e e n t h e t w o m e t h o d s b e c a u s e o f t h e u s e o f fi e l d c h e c k i n g v e r s u s t h e i d e n t i fi c a t i o n o f s e v e r a l c o m m o n v a l u e s a n d 1 9 1 t h e i r e x t r a p o l a t i o n t h r o u g h o u t t h e w a t e r s h e d . 5 . 2 . 1 . 2 O v e r l a n d P a r a m e t e r G e n e r a t i o n F r o m T a b l e s 5 . 1 a n d 5 . 2 i t c a n b e s e e n t h a t a t t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e t h e t w o o v e r l a n d p a r a m e t e r s , h i l l s i d e s l o p e a n d h i l l s i d e s l o p e l e n g t h , a r e s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s , w h e r e a s t h e y a r e d i s s i m i l a r a t t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e . G I S - g e n e r a t i o n o f a h i l l s i d e s l o p e p a r a m e t e r r e q u i r e s t h a t t h e 9 0 - f o o t s l o p e l a t t i c e b e r e - s a m p l e d t o e i t h e r a 1 0 a c r e o r 4 0 a c r e r e s o l u t i o n . T h e l a r g e r 4 0 a c r e g r i d c e l l s i z e w i l l c o n t a i n a g r e a t e r d i v e r s i t y o f 9 0 - f o o t r e s o l u t i o n s l o p e v a l u e s t h a n t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e , t h u s t h e l o s s o f s l o p e i n f o r m a t i o n t h r o u g h t h e a g g r e g a t i o n p r o c e s s i s g r e a t e r a t t h e 4 0 a c r e g r i d c e l l s i z e . A g g r e g a t i o n a t t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e w i l l a l s o r e s u l t i n a l o s s o f i n f o r m a t i o n , h o w e v e r b e c a u s e o f t h e c e l l ’ s s m a l l e r s i z e a b e t t e r a p p r o x i m a t i o n o f s l o p e c a n b e a c h i e v e d r e l a t i v e t o t h e m e a s u r e m e n t s m a d e b y m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d s u r v e y i n g . T h e s m a l l e r 1 0 a c r e g r i d c e l l s i z e a l s o l i m i t s t h e a r e a f o r d e t e r m i n i n g a r e p r e s e n t a t i v e h i l l s i d e s l o p e t o m e a s u r e u s i n g t h e m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g m e t h o d s . T h e r e f o r e , t h e r e a r e f e w e r h i l l s i d e s t o c h o o s e f o r m e a s u r i n g s l o p e . F u r t h e r , t h e h i l l s i d e t h a t i s c h o s e n i s m o r e l i k e l y t o b e a d o m i n a n t h i l l s i d e s l o p e . A d o m i n a n t o r r e o c c u r r i n g h i l l s l o p e v a l u e i s m o r e l i k e l y t o b e r e t a i n e d i n t h e G I S a g g r e g a t i o n p r o c e s s . H i l l s i d e l e n g t h f o r b o t h m e t h o d s w a s d e f a u l t e d t o t h e h i l l s i d e s l o p e v a l u e b a s e d u p o n O t t e r b y a n d O n s t a d ( 1 9 7 8 ) t a b l e s f o r M i n n e s o t a . T h u s i f t h e h i l l s i d e s l o p e i s s i m i l a r b e t w e e n m e t h o d s , s o i s t h e h i l l s i d e l e n g t h . 1 9 2 5 . 2 . 1 . 3 O u t p u t R e s u l t s T h e s i g n i fi c a n t s i m i l a r i t y i n T o t a l - N i t r o g e n c e l l l o a d i n g f r o m c e l l s f o r b o t h m e t h o d s a t 4 0 a n d 1 0 a c r e s w a s t o b e e x p e c t e d . B o t h p a r a m e t e r i n p u t m e t h o d s r e s u l t e d i n t h e e x a c t s a m e c e l l s e l e c t i o n o f fi e l d m a n a g e m e n t p r a c t i c e s a n d s o i l t y p e s . T h u s t h e p a r a m e t e r s g e n e r a t e d f r o m fi e l d m a n a g e m e n t a n d s o i l s i n f o r m a t i o n f o r c a l c u l a t i n g a c e l l ’ s T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g w i l l b e t h e s a m e . A t t h e 4 0 a c r e c e l l s i z e , o v e r l a n d r u n o f f a n d s e d i m e n t l o a d i n g w e r e d e t e r m i n e d s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t ( T a b l e 5 . 3 ) . T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e 4 0 - a c r e a s s e s s m e n t o f i n p u t p a r a m e t e r s f o r h i l l s i d e s l o p e a n d l e n g t h . B o t h t h e s e i n p u t p a r a m e t e r s w e r e d e t e r m i n e d t o b e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t . T h e s e t w o p a r a m e t e r s , t o g e t h e r w i t h fi e l d p r a c t i c e s a n d s o i l s , a r e u s e d t o c a l c u l a t e b o t h c e l l r u n o f f a n d s e d i m e n t l o a d i n g . T h u s s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n c e l l - b a s e d i n p u t p a r a m e t e r d a t a r e s u l t e d i n s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n c e l l - b a s e d o u t p u t r e s u l t s . T h e 1 0 a c r e g r i d c e l l ( T a b l e 5 . 4 ) d e m o n s t r a t e s t h a t w h e n h i l l s i d e i n p u t p a r a m e t e r s f o r s l o p e a n d l e n g t h a r e s i g n i fi c a n t l y t h e s a m e , t h e n t h e o u t p u t r e s u l t s w h i c h u s e t h e s e i n p u t v a l u e s i n t h e i r c a l c u l a t i o n w i l l a l s o b e s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r . T a b l e s 5 . 5 a n d 5 . 6 r e l a t e t o t h e c u m u l a t i v e e f f e c t s o f c e l l - b a s e d c a l c u l a t i o n s f o r r u n o f f , s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g , p l u s t h e i n fl u e n c e o f c h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s o n w a t e r fl o w a n d t h e t r a n s p o r t o f s e d i m e n t s a n d T o t a l - N i t r o g e n . M o d e l r e s u l t s f o r t h e s i x g a u g e s i t e s a r e a l s o a f a c t o r o f s u b o w a t e r s h e d s i z e a s w e l l a s c h a n n e l n e t w o r k c o n fi g u r a t i o n . T h e t w o m e t h o d s e m p l o y e d i n s u b - w a t e r s h e d d e l i n e a t i o n , m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g a n d t h e G I S - b a s e d m e t h o d , r e s u l t e d i n 1 9 3 d i f f e r e n t s i z e s u b - w a t e r s h e d s a n d d i f f e r e n t l y s h a p e d s u b - w a t e r s h e d s w i t h d i f f e r e n t c h a n n e l n e t w o r k c o n fi g u r a t i o n s . A t t h e 4 0 a c r e g r i d c e l l s i z e o n l y t h e c h a n n e l s e d i m e n t l o a d i n g r e s u l t s a r e s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r a t t h e s i x g a u g e s i t e s f o r t h e t w o s t o r m s . R u n o f f v o l u m e , p e a k fl o w a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g r e s u l t s a r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t . A n i n c o n s i s t e n c y e x i s t s b e t w e e n t h e c e l l - l e v e l o u t p u t r e s u l t s a n d t h e c u m u l a t i v e c h a n n e l o u t p u t r e s u l t s . S e d i m e n t l o a d i n g a t t h e c e l l - l e v e l w a s s h o w n t o b e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s a n d T o t a l - N i t r o g e n w a s s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r . A t t h e s i x g a u g e s i t e s t h e r e s u l t s w e r e r e v e r s e d . T h e a b i l i t y t o p r e d i c t s i m i l a r t o t a l - N i t r o g e n v a l u e s w a s i n fl u e n c e d b y t h e d i f f e r e n t s i z e o f t h e s u b c w a t e r s h e d s a b o v e t h e g a u g e s . T h e A N N - A G N P S m o d e l d o e s n o t c a l c u l a t e d e p l e t i o n o f s o l u b l e n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s o n c e n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o n s a r e c a l c u l a t e d f a r t h e c e l l . B e c a u s e m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y a n d G I S - b a s e d p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s r e s u l t e d i n s u b - w a t e r s h e d s o f d i f f e r e n t s i z e a n d c e l l n u m b e r , c o n c e n t r a t i o n v a l u e s a t t h e o u t l e t o f a s u b - w a t e r s h e d , r e p r e s e n t i n g t h e T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g f r o m c e l l s , a r e d i f f e r e n t . T h e r e a s o n w h y s e d i m e n t l o a d i n g v a l u e s w e r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t a t t h e c e l l l e v e l a n d s i g n i fi c a n t l y t h e s a m e a t t h e g a u g e s i t e s m a y b e r e l a t e d m o r e t o o f f s e t t i n g e r r o r s a n d t h e l i m i t e d n u m b e r o f o b s e r v a t i o n a l d a t a u s e d i n t h e a n a l y s i s . S i g n i fi c a n t s i m i l a r i t i e s i n g a u g e r e s u l t s m a y b e e x p l a i n e d b y c o m p e n s a t i n g s e d i m e n t d e p o s i t i o n o r s c o u r i n g w i t h i n t h e c h a n n e l s . A s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r o v e r l a n d r u n o f f r e s u l t s a t t h e c e l l l e v e l w a s c a r r i e d t h r o u g h w i t h s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n c a l c u l a t i o n s o f fl o w v o l u m e a n d p e a k fl o w r a t e a t t h e g a u g e s i t e s . 1 9 4 A t t h e 1 0 a c r e c e l l s i z e , s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r c e l l - l e v e l r e s u l t s f o r o v e r l a n d r u n o f f , s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g m a y h a v e i n fl u e n c e d t h e r e s u l t s o b t a i n e d a t t h e g a u g e s i t e s . T a b l e 5 . 6 s h o w s t h a t a l l o u t p u t r e s u l t s a r e s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r . T h e a b i l i t y o f t h e s m a l l e r 1 0 a c r e c e l l t o p r o d u c e s i m i l a r o u t p u t r e s u l t s m a y b e d u e t o t h e c a p a b i l i t y o f G I S - b a s e d m e t h o d s t o m o r e c l o s e l y m a t c h a c t u a l s u b - w a t e r s h e d d r a i n a g e a r e a s . F o r t h e 4 0 - a c r e c e l l , t h e t o t a l s u b o w a t e r s h e d a r e a d i f f e r e n c e b e t w e e n p a r a m e t e r i n p u t m e t h o d s i s 3 6 0 a c r e s , r e p r e s e n t i n g 1 7 . 0 % , w h e r e a s t h e 1 0 a c r e g r i d c e l l d i f f e r e n c e i s 2 2 0 a c r e s , r e p r e s e n t i n g 9 . 7 % . F u r t h e r , t h e f a c t t h a t t h e c h a n n e l - r e l a t e d i n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e t w o m e t h o d s w e r e d e t e r m i n e d s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t d i d n o t c a u s e t h e r e s u l t s a t t h e g a u g e s i t e s t o s i g n i fi c a n t l y d i f f e r . 1 9 5 U S G S S t r e a m U n a . l n t e r p r e t e d S t r e a m L i n e O v e r l a n d F l o w A r e a s F i g u r e 5 . 1 a 4 0 A c r e C h a n n e l C e l l s : I n t e r p r e t a t i o n M e t h o d F i g u r e 5 . 1 b 4 0 A c r e C h a n n e l C e l l s : G I S M e t h o d 1 9 6 u s e s S t r e a m L i n e I I n t e r p r e t e d S t r e a m U n e D O v e r l a n d F l o w A r e a s F i g u r e 5 . 2 a 1 0 A c r e C h a n n e l C e l l s : I n t e r p r e t a t i o n M e t h o d r o s e 0 1 N 0 s o o n 3 0 0 0 F e d F i g u r e 5 . 2 b 1 0 A c r e C h a n n e l C e l l s : G I S M e t h o d 1 9 7 2 . 3 — M a fi a H y p o t h e s i s 2 i s c o n c e r n e d w i t h h o w w e l l t h e A N N - A G N P S m o d e l i s c a p a b l e o f d e s c r i b i n g t h e c o n t r i b u t i o n o f N P S p o l l u t a n t s f r o m s u b - a r e a s w i t h i n a w a t e r s h e d . I n t h i s r e s e a r c h t w o N P S p o l l u t a n t s a r e s t u d i e d , s u s p e n d e d s e d i m e n t s , m e a s u r e d i n t o n s , a n d s o l u b l e T o t a l - N i t r o g e n , m e a s u r e d i n p o u n d s . T h e r e s e a r c h h a s i d e n t i fi e d t h r e e d e s c r i p t i v e l e v e l s f o r t e s t i n g t h e m o d e l ’ s p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s . T h e fi r s t l e v e l i s a q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t i o n f o r N P S s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g , t h e s e c o n d l e v e l i s a m a k i n g d e s c r i p t i o n b a s e d u p o n N P S p o l l u t a n t c o n t r i b u t i o n f r o m t h e s u b w a t e r s h e d s , a n d t h e t h i r d l e v e l i s a n i d e n t i fi c a t i o n d e s c r i p t i o n . S e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g f r o m a s u b - w a t e r s h e d g r e a t e r t h a n 2 5 % o f t o t a l w a t e r s h e d l o a d i n g i s u s e d t o d e t e r m i n e w h e t h e r o r n o t a s u b - w a t e r s h e d i s c o n s i d e r e d s i g n i fi c a n t l y c o n t r i b u t i n g . T e s t i n g t h e a b i l i t y o f t h e m o d e l t o q u a n t i t a t i v e l y d e s c r i b e l o a d i n g i s a c h i e v e d w i t h t h e u s e o f a s t a t i s t i c a l t e s t . A s i m p l e l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l i s u s e d f o r g e n e r a t i n g t h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t . T h e ' r ' v a l u e i n d i c a t e s a ” g o o d n e s s - o f - fi t ” b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d r e s u l t s . T h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t i s a l s o e v a l u a t e d a t t h e 9 5 % p r o b a b i l i t y l e v e l t o d e t e r m i n e i f t h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t i s s i g n i fi c a n t l y g r e a t e r t h a n 0 . T h e d e s c r i p t i o n s f o r r a n k i n g a n d i d e n t i fi c a t i o n a r e c o m p a r e d a n d c o n t r a s t e d . 5 . 3 . 1 Q u a n t i t a t i v e D e s c r i p t i o n D a t a c o l l e c t e d a t t h e s i x s u b - w a t e r s h e d s i t e s f o r t h e t w o s t o r m e v e n t s w e r e s t a t i s t i c a l l y e v a l u a t e d a g a i n s t t h e A N N - A G N P S m o d e l ’ s s i m u l a t e d r e s u l t s . A 1 0 a c r e 1 9 8 g r i d c e l l s i z e a n d m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y m e t h o d s w e r e u s e d t o g e n e r a t e i n p u t p a r a m e t e r s . M o d e l o u t p u t r e s u l t s w e r e c o m p a r e d t o o b s e r v a t i o n a l d a t a f o r r u n o f f v o l u m e , p e a k fl o w r a t e , s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . R u n o f f a n d p e a k fl o w v a l u e s a r e i n c l u d e d i n t h e a s s e s s m e n t b e c a u s e t h e y a r e i m p o r t a n t i n p u t d a t a u s e d i n t h e c a l c u l a t i o n s o f s e d i m e n t a n d n u t r i e n t l o a d i n g . T a b l e s 5 . 7 a - b d i s p l a y o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d r u n o f f v a l u e s f o r e a c h o f t h e s i x r e c o r d i n g s i t e s f o r t h e t w o r a i n s t o r m s , T a b l e s 5 . 8 a - b p r e s e n t p e a k fl o w r a t e , T a b l e s 5 . 9 a - b s e d i m e n t l o a d i n g , a n d T a b l e s 5 . 1 0 a - b T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . F i g u r e s 5 . 3 a - d d i s p l a y t h e p l o t t e d d a t a f o r e a c h o f t h e o u t p u t r e s u l t s . I t m u s t b e n o t e d t h a t s t a t i o n D 1 o b s e r v e d r u n o f f v o l u m e a n d p e a k fl o w r a t e v a l u e s f o r s t o r m 1 w e r e u s e d t o c a l i b r a t e t h e g e o m o r p h i c p e a k fl o w r a t e a n d c u r v e n u m b e r s o i l m o i s t u r e a d j u s t m e n t e q u a t i o n s . T h e s t a t i s t i c a l e v a l u a t i o n o f o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d d a t a w a s c a r r i e d o u t b y d e v e l o p i n g a s i m p l e l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l f o r e a c h o u t p u t r e s u l t a n d c a l c u l a t i n g t h e l i n e a r c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t ( r ) . T h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t v a l u e r a n g e s f r o m 0 t o l , w i t h 0 r e p r e s e n t i n g a r a n d o m s c a t t e r i n g o f p o i n t s a r o u n d t h e r e g r e s s i o n l i n e a n d i n d i c a t i n g t h e a b s e n c e o f c o r r e l a t i o n b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d o u t p u t v a l u e s . A v a l u e o f 1 r e p r e s e n t s p e r f e c t c o r r e l a t i o n , w i t h a l l p o i n t s f a l l i n g e x a c t l y o n t h e r e g r e s s i o n l i n e . T h e s q u a r e o f r ( r ' ) i s t h e c o e f fi c i e n t o f d e t e r m i n a t i o n . I t r e p r e s e n t s t h e p r o p o r t i o n o f t o t a l v a r i a t i o n e x p l a i n e d b y t h e r e g r e s s i o n l i n e . 1 - 1 ' 2 i s t h e p o r t i o n o f v a r i a b i l i t y w h i c h c a n n o t b e e x p l a i n e d . C o r r e l a t i o n s t a t i s t i c s f o r e a c h o f t h e o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 5 . 1 1 . A l s o g i v e n i n T a b l e 5 . 1 1 i s t h e T - s t a t i s t i c f o r t e s t i n g w h e t h e r o r n o t t h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t i s s i g n i fi c a n t l y 1 9 9 d i f f e r e n t f r o m 0 . T h e f o r m a l h y p o t h e s i s i s p r e s e n t e d a s : 1 1 , : p = 0 . A t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l p i s e q u a l t o 1 . 8 1 2 . T a b l e 5 . 7 a R u n o f f ( i n ) . S t o r m 1 T a b l e 5 . 7 b R u n o f f ( i n ) . S t o r m 2 2 0 0 T a b l e 5 . 8 a P e a k F l o w ( c f s ) . S t o r m 1 T a b l e 5 . 8 b P e a k F l o w ( c f s ) . S t o r m 2 2 0 1 T a b l e 5 . 9 a S e d i m e n t L o a d ( t o n s ) . S t o r m 1 T a b l e 5 . 9 b S e d i m e n t L o a d ( t o n s ) . S t o r m 2 2 0 2 T a b l e 5 . 1 0 a T o t a l - N i t r o g e n L o a d ( l b s ) . S t o r m 1 T a b l e 5 . 1 0 b T o t a l - N i t r o g e n L o a d ( l b s ) . S t o r m 2 2 0 3 0 . 4 5 5 0 I 0 . 4 4 5 I 0 3 5 ‘ ° I 0 3 s 3 5 - I i 0 2 5 - ‘ . ' 2 5 ' ° - 2 I 2 0 l t 0 0 . 1 5 e 1 5 d 0 . 1 1 0 0 . 0 5 - l — 5 I l ' I 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 2 0 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 4 0 . 4 5 M O b s e r v e d F i g u r e 5 . 3 a R u n o f f ( i n ) F i g u r e 5 . 3 b P e a k F l o w ( c f s ) . ‘ 5 5 0 4 ° 4 5 3 5 4 0 s f 3 0 . 3 5 I I I I I I 2 5 l l 3 0 I I ' 2 5 I 2 0 . i . 2 0 . ‘ 5 I 1 5 d 1 0 1 0 I e 5 ' 0 o 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 0 5 1 0 1 6 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 O b s e r v e d ' M d F i g u r e 5 . 3 c S e d i m e n t L o a d i n g ( t o n s ) F i g u r e 5 . 3 d T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g ( l b s ) T a b l e 5 . 1 1 C o r r e l a t i o n S t a t i s t i c s 2 0 4 T - s t a t i s t i c r r ' R u n o fi ' 0 . 5 2 2 0 . 2 7 2 0 . 7 2 8 1 . 9 3 5 P e a k F l o w 0 . 9 0 3 0 . 8 5 3 0 . 1 8 5 6 . 6 4 0 S e d i m m t 0 . 3 4 6 0 . 1 2 0 0 . 8 8 0 1 . 1 6 6 T o t a l - N i t r o g e n 0 . 5 0 3 0 . 2 5 3 0 . 7 4 7 1 . 8 4 1 T h e T — s t a t i s t i c v a l u e f o r s e d i m e n t l o a d i n g ( 1 . 1 6 6 ) i s d e m o n s t r a t e d t o b e l e s s t h a n t h e p r o b a b i l i t y v a l u e a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . T h u s t h e n u l l h y p o t h e s i s f a i l s t o b e r e j e c t e d f o r s e d i m e n t l o a d i n g . T h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t i s n o t s t a t i s t i c a l l y d i f f e r e n t f r o m 0 , t h e r e f o r e a t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e i n t e r v a l , c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d s e d i m e n t l o a d i n g v a l u e s d o e s n o t e x i s t . C o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e r e m a i n i n g o b s e r v e d a n d p r e d i c t e d r e s u l t s w a s d e t e r m i n e d t o b e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t f r o m 0 w i t h t h e r e j e c t i o n o f t h e n u l l h y p o t h e s i s . T h e r e f o r e , t h e r e i s s o m e l e v e l o f c o r r e l a t i o n e v i d e n t b e t w e e n t h e o b s e r v e d a n d p r e d i c t e d o u t p u t v a l u e s . T h e d e g r e e o f c o r r e l a t i o n , h o w e v e r , i s e x t r e m e l y w e a k f o r r u n o f f a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g a s m e a s u r e d b y 1 - r " . l - r 2 i s e q u a l t o 0 . 7 2 8 f o r r u n o f f v o l u m e , a n d 0 . 7 4 7 f o r T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . P e a k fl o w r u n o f f i s t h e o n l y o u t p u t v a l u e w h e r e t h e m o d e l ’ s s i m u l a t e d r e s u l t s a r e s t r o n g l y c o r r e l a t e d t o t h e o b s e r v e d v a l u e s . T h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t f o r p e a k fl o w i s 0 . 9 0 3 . T h i s c o m p a r e s t o a n a v e r a g e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t f o r r u n o f f , s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n e q u a l t o 0 . 4 5 7 . 2 0 5 5 . 3 . 2 R a n k i n g D e s c r i p t i o n R a n k i n g o f s u b - w a t e r s h e d c o n t r i b u t i o n i s c a r r i e d o u t f o r t h e f o u r u p p e r m o s t s u b - w a t e r s h e d s , 8 3 , K 4 , K 5 , a n d K 6 . T a b l e s 5 . 1 2 - 5 . 1 3 l i s t b o t h o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d r e s u l t s i n o r d e r o f l a r g e s t c o n t r i b u t i o n t o s m a l l e s t c o n t r i b u t i o n o f s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n f o r s t o r m s l a n d 2 . T a b l e 5 . 1 2 a S e d i m e n t L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 1 S i m u l a t e d . S e d i m e n t L o a d i n g T a b l e 5 . 1 2 b S e d i m e n t L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 2 l R l ' 8 : S u b - W a t e r s h e d O b s e r v e d S i m u l a t e d t S e d i m e n t L o a d i n g 2 0 6 T a b l e 5 . 1 3 a T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 1 S u b - W a t e r s h e d O b s e r v e d N i t r o g e n L o a d i n g S u b - W a t e r s h e d K 6 S 3 K 4 K 5 S i m u l a t e d 3 0 1 8 7 7 N i t r o g e n L o a d i n g T a b l e 5 . 1 3 b T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g R a n k i n g . S t o r m 2 , R a n k i n g S u b - W a t e r s h e d O b s e r v e d . S u b - W a t e r s h e d S i m u l a t e d N i t r o g e n L o a d i n g I t c a n b e o b s e r v e d i n T a b l e s 5 . 1 2 - 5 . 1 3 t h a t r a n l a ' n g o f s e d i m e n t l o a d i n g f r o m t h e s u b - w a t e r s h e d s i s s i m i l a r b e t w e e n o b s e r v e d a n d p r e d i c t e d v a l u e s . T h e r e i s , h o w e v e r , o n e s u b - w a t e r s h e d t h a t n u l l i fi e s a n e a r p e r f e c t m a t c h i n g o f r a n k i n g s . T h e o v e r - p r e d i c t i o n o f s e d i m e n t l o a d i n g f r o m K 4 p l a c e s i t a t t h e b e g i n n i n g o f t h e s i m u l a t e d r a n k i n g o r d e r f o r s t o r m 1 s e d i m e n t l o a d i n g a n d s e c o n d i n t h e r a n k i n g o r d e r f o r s t o r m 2 . B a s e d u p o n o b s e r v a t i o n a l d a t a , K 4 s e d i m e n t l o a d i n g i s r a n k e d l a s t f o r b o t h s t o r e ; N u t r i e n t r a n k i n g c o m p a r i s o n f o r a l l f o u r s u b - w a t e r s h e d s c a n o n l y b e c a n i e d o u t f o r s t o r m 1 b e c a u s e o f t h e m o d e l ’ s i n a b i l i t y t o c a l c u l a t e f r a c t i o n o f a p o u n d f o r T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . S u b w a t e r s h e d K 4 r a n k s h i g h e s t f o r o b s e r v a t i o n a l 2 0 7 T o t a l - N i t r o g e n d a t a , h o w e v e r , i n m o d e l s i m u l a t i o n r e s u l t s i t i s r a n k e d t h i r d . F o r s t o r m 1 t h e m o d e l w a s a b l e t o s e l e c t K 6 a s t h e s e c o n d r a n k e d w a t e r s h e d f o l l o w e d b y 8 3 . T h i s r a n k i n g o r d e r i s r e fl e c t e d i n t h e o b s e r v e d d a t a , h o w e v e r K 6 i s t h e h i g h e s t r a n k e d s u b - w a t e r s h e d . F o r s t o r m 2 K 6 w a s t h e o n l y w a t e r s h e d f o r w h i c h T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g w a s p r e d i c t e d , t h e r e f o r e i t r e c e i v e d t h e h i g h e s t r a n k i n g . T h i s n u m b e r o n e m a k i n g i s c o n fi r m e d i n t h e o b s e r v e d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . 5 . 3 . 3 I d e n t i fi c a t i o n D e s c r i p t i o n S e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g r e s u l t s w e r e e v a l u a t e d t o d e t e r m i n e w h i c h o f t h e f o u r u p p e r - m o s t s u b - w a t e r s h e d s ; S 3 , K 4 , K 5 , o r K 6 , g e n e r a t e d l o a d i n g g r e a t e r t h a n 2 5 % o f t o t a l l o a d i n g a t t h e w a t e r s h e d o u t l e t . 2 5 % o f t o t a l l o a d i n g r e p r e s e n t s a c u t - o f f v a l u e w h e r e b y a s u b - w a t e r s h e d i s c o n s i d e r e d a s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r o f s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n . T a b l e s 5 . 1 4 - 5 . 1 5 l i s t t h e c o n t r i b u t i o n s f r o m t h e s u b - w a t e r s h e d f o r o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d r e c o r d s a n d i d e n t i f y t h o s e s i g n i fi c a n t l y c o n t r i b u t i n g s u b - w a t e r s h e d s f o r s t o r m s 1 a n d 2 . T a b l e 5 . 1 4 a S e d i m e n t L o a d i n g C o n t r i b u t i o n I d e n t i fi c a t i o n . S t o r m 1 2 0 8 T a b l e 5 . 1 4 b S e d i m e n t L o a d i n g C o n t r i b u t i o n I d e n t i fi c a t i o n . S t o r m 2 A r m 1 L o a d i n g a t W a t e r s h e d O u t l e t ‘ S u b - W a t e r s h e d S i m u l a t e d ‘ S e d i m e n t L o a d i n g I , 8 1 ‘ L o a d i n g a t ? W a t e r s h e d O u t l e t S u b - W a t e r s h e d ‘ O b s e r v e d N i t r o g e n L o a d i n g k V i v — * — ‘ S u b - W a t e r s h e d S i m u l a t e d ‘ N i t r o g e n L o a d i n g T a b l e 5 . 1 5 b T o t a l - N i t r o g e n L o a d i n g C o n t r i b u t i o n I d e n t i fi c a t i o n . S t o r m 2 ‘ S u b — W a t e r s h e d S i m u l a t e d I N i t r o g e n L o a d i n g I i t 1 l i + - — , a L o a d i n g a t W a t e r s h e d O u t l e t ‘ 2 0 9 T h e m o d e l i s c a p a b l e o f i d e n t i f y i n g s i g n i fi c a n t s u b - w a t e r s h e d c o n t r i b u t i o n s f o r s t o r m 1 s e d i m e n t l o a d i n g . H o w e v e r , f o r s t o r m 1 t h e A N N - A G N P S m o d e l i n c l u d e s s u b - w a t e r s h e d K 4 a s a s i g n i fi c a n t s e d i m e n t c o n t r i b u t o r , w h e n t h e o b s e r v e d d a t a d e m o n s t r a t e s t h a t i s n o t a s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r . T h e o b s e r v e d s u b - w a t e r s h e d s e d i m e n t l o a d i n g v a l u e s f o r s t o r m 2 a r e a l l e x t r e m e l y l o w e x c e p t f o r s u b - w a t e r s h e d K 6 , w h i c h i s i d e n t i fi e d a s g e n e r a t i n g g r e a t e r t h a n 2 5 % o f t o t a l s e d i m e n t l o a d . S i m u l a t e d r e s u l t s s e l e c t e d s u b - w a t e r s h e d s K 6 a n d K 4 a s s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r s . T h e s e s u b - w a t e r s h e d s a r e t h e s a m e t w o s e l e c t e d f o r s t o r m 1 . A n e x t r e m e l y h i g h o b s e r v e d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g v a l u e a t t h e w a t e r s h e d o u t l e t p r o h i b i t e d a n y o f t h e s u b - w a t e r s h e d s f r o m b e i n g c l a s s i fi e d a s a c o n t r i b u t i n g s u b - w a t e r s h e d f o r b o t h s t o r m s . I f t h e T o t a l - N i t r o g e n v a l u e o b s e r v e d a t s t a t i o n D 2 i s s u b s t i t u t e d a s t h e w a t e r s h e d o u t l e t v a l u e f o r t h o s e s u b - w a t e r s h e d s d r a i n i n g t h r o u g h t h a t s t a t i o n , K 4 a n d 8 3 b e c o m e s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r s . S u b - w a t e r s h e d S 3 i s t h e o n l y s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r o f s i m u l a t e d T o t a l - N i t r o g e n w h e n D 2 i s c o n s i d e r e d t h e w a t e r s h e d o u t l e t . I f t h e s a m e p r o c e d u r e i s c a r r i e d o u t f o r s t o r m 2 , n o n e o f t h e s u b - w a t e r s h e d s d r a i n i n g t h r o u g h D 2 a r e i d e n t i fi e d a s a c o n t r i b u t i n g s u b - w a t e r s h e d f o r t h e o b s e r v e d d a t a . T h e m o d e l - s i m u l a t e d r e s u l t s a l s o d e m o n s t r a t e t h a t n o n e o f t h e s u b - w a t e r s h e d s a r e s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r s . 5 . 3 . 4 D i s c u s s i o n 5 . 3 . 4 . 1 Q u a n t i t a t i v e D e s c r i p t i o n ‘ T h e A N N - A G N P S m o d e l g e n e r a l l y o v e r - p r e d i c t s r u n o f f t h r o u g h o u t t h e w a t e r s h e d . R e s u l t s f r o m s t a t i o n D 1 f o r s t o r m 1 a r e n o t i n c l u d e d i n t h e s t a t i s t i c a l 2 1 0 a n a l y s i s b e c a u s e t h e m o d e l w a s c a l i b r a t e d t o t h e fi r s t s t o r m ’ s o b s e r v e d r u n o f f v o l u m e a n d p e a k fl o w r a t e . A l l o t h e r p r e d i c t i o n s f o r s t o r m 1 a r e o v e r - p r e d i c t e d . T h e s a m e o v e r - p r e d i c t i o n i s t r u e f o r s t o r m 2 , e x c e p t f o r s t a t i o n D 1 w h i c h u n d e r - p r e d i c t s r u n o f f . T h e l a r g e s t o v e r - p r e d i c t i o n e r r o r s o c c u r f o r s u b o w a t e r s h e d s K 4 a n d K 5 , w h e r e p r e d i c t e d r u n o f f v o l u m e i s 3 2 a n d 3 1 t i m e s g r e a t e r t h a n o b s e r v e d r u n o f f , r e s p e c t i v e l y . T h i s c o m p a r e s t o a n a v e r a g e e r r o r b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d r u n o f f o f 2 . 3 t i m e s . A p o s s i b l e e x p l a n a t i o n f o r s u c h a l a r g e d e g r e e o f o v e r - p r e d i c t i o n i s t h a t t h e fi e l d s i n s u b - w a t e r s h e d s K 4 a n d K 5 r e c e i v e d a d i f f e r e n t s e q u e n c e s o f fi e l d t i l l a g e p r a c t i c e s f r o m t h e r e s t o f t h e fi e l d s i n t h e w a t e r s h e d . T h e fi e l d s i n s u b - w a t e r s h e d s K 4 a n d K 5 w e r e n o t f a l l - t i l l e d , w h e r e a s a l l t h e o t h e r fi e l d s , e x c e p t f o r fi e l d s i n K 6 , w e r e f a l l - t i l l e d a f t e r h a r v e s t . O v e r - p r e d i c t i o n r e s u l t s b e c a u s e t h e m o d e l i s i n c a p a b l e o f p r o p e r l y a c c o u n t i n g f o r t h e i n fi l t r a t i o n a n d p e r c o l a t i o n e n h a n c i n g e f f e c t s o f r e s i d u e a n d s u r f a c e r o u g h n e s s i n t h e s e fi e l d s . T h e r e s i d u e - b a s e d c u r v e n u m b e r a d j u s t m e n t p r o c e d u r e a d o p t e d b y t h e A N N - A G N P S m o d e l d i d n o t r e d u c e t h e c u r v e n u m b e r s i g n i fi c a n t l y e n o u g h , t h u s r e s u l t i n g i n g r e a t e r s i m u l a t e d r u n o f f t h a n o b s e r v e d . A n o t h e r s o u r c e o f e r r o r t h a t a f f e c t s c u r v e n u m b e r a d j u s t m e n t r e l a t i v e t o r e s i d u e v o l u m e i s t h e i n a b i l i t y o f t h e m o d e l t o p r o p e r l y d e c a y t h e r e s i d u e . A l a r g e r c u r v e n u m b e r r e l a t e s t o l e s s r e s i d u e m a s s , t h u s t o o m u c h r e s i d u e d e c a y m a y h a v e t a k e n p l a c e b e t w e e n h a r v e s t a n d t h e g r o w i n g s e a s o n ’ s r a i n s t o r m s . A f u r t h e r s o u r c e o f e r r o r r e l a t e s t o t h e c u r v e n u m b e r m o d e l ’ s e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t a d j u s t m e n t . S o i l m o i s t u r e b u i l d - u p i n t h e t o p s o i l l a y e r s w i l l d e c r e a s e t h e e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t v a l u e , t h u s i n c r e a s i n g t h e a m o u n t o f 2 1 1 r u n o f f . S o i l m o i s t u r e b u i l d - u p r e s u l t s b e c a u s e t h e p e r c o l a t i o n r a t e b e t w e e n s o i l l a y e r s i s u n d e r - p r e d i c t e d . T h e i n c r e a s e d m a s s o f s u r f a c e a n d i n c o r p o r a t e d r e s i d u e a n d t h e r e s u l t i n g i n fi l t r a t i o n a n d p e r c o l a t i o n f a c i l i t a t i n g i n fl u e n c e s w e r e n o t p r o p e r l y i n c o r p o r a t e d i n t h e m o d e l ’ s p e r c o l a t i o n r o u t i n e s . T h e e f f e c t s o f r e s i d u e - i n c r e a s i n g p e r c o l a t i o n m a y e v e n b e g r e a t e r f o r t h e q u i c k - d r a i n i n g B a r n e s - B u s e s o i l t y p e , w h i c h c o m p r i s e s t h e m a j o r i t y o f s u b - w a t e r s h e d s K 4 a n d K 5 . S u b - w a t e r s h e d K 6 d i d n o t e x p e r i e n c e t h e l a r g e o v e r - p r e d i c t i o n o f K 4 a n d K 5 b e c a u s e o f a w e t , l o w - l y i n g a r e a d i r e c t l y a b o v e t h e K 6 r e c o r d i n g s i t e . T h e s o i l s h e r e a r e c o m p r i s e d m a i n l y o f s l o w - d r a i n i n g c l a y s o i l s . I t i s t h i s a r e a w h i c h p r o b a b l y g e n e r a t e s t h e m a j o r i t y o f r u n o f f r e c o r d e d a t K 6 . T h e s i m u l a t i o n o f K 6 s u b r w a t e r s h e d o v e r - p r e d i c t e d r u n o f f i n t h e u p l a n d l o w - t i l l p o r t i o n s o f t h e fi e l d s a b o v e t h i s l o w - l y i n g a r e a , h o w e v e r , t h e m o d e l u n d e r - p r e d i c t e d r u n o f f f r o m t h i s l o w - l y i n g a r e a . O f f s e t t i n g e r r o r s m a y h a v e o c c u r r e d w h i c h r e s u l t e d i n a s i m u l a t e d v a l u e t h a t m o r e c l o s e l y a p p r o x i m a t e s t h e o b s e r v e d r u n o f f v a l u e s . U n d e r - p r e d i c t i o n o f r u n o f f v o l u m e a t t h e w a t e r s h e d o u t l e t f o r s t o r m 2 i s a r e s u l t o f u n d e r - p r e d i c t i o n f o r a r e a s b e t w e e n t h e u p p e r s u b - w a t e r s h e d s a n d t h e w a t e r s h e d o u t l e t . S i m i l a r t o t h e c a s e f o r s u b - w a t e r s h e d K 6 m u c h o f t h e l o w - l y i n g a r e a s o f t h e w a t e r s h e d n e a r t h e w a t e r s h e d o u t l e t c o n s i s t o f l e s s p e r m e a b l e s o i l s . T h e m o d e l w a s n o t a b l e t o p r o p e r l y a c c o u n t f o r a n t e c e d e n t s o i l m o i s t u r e c o n d i t i o n s a n d g r e a t e r r u n o f f t h r o u g h t h e e x t r a c t i o n c o e f fi c i e n t a d j u s t m e n t . T h i s i n a b i l i t y i s d u e i n p a r t t o t h e l i m i t a t i o n s i n t h e p e r c o l a t i o n c a l c u l a t i o n s a s w e l l a s t h e s o i l c h a r a c t e r i z a t i o n a l g o r i t h m s w h i c h d e fi n e q u a n t i t a t i v e v a l u e s f o r ; s a t u r a t e d h y d r a u l i c 2 1 2 c o n d u c t i v i t y , p o r o s i t y , s o i l w i l t i n g p o i n t a n d fi e l d c a p a c i t y . T h e i n a c c u r a c y i n r u n o f f p r e d i c t i o n s c a n a l s o r e l a t e t o t h e i n a b i l i t y o f t h e S C S c u r v e n u m b e r r u n o f f m o d e l . T h e S C S c u r v e n u m b e r m e t h o d h a s b e e n p r o v e n t o b e m o s t a c c u r a t e w h e n c a l c u l a t i n g r u n o f f f r o m ” d e s i g n ” s i z e s t o r m s ( R a w l s e t a l . , 1 9 9 3 ) , c o n s i s t i n g o f l a r g e r r a i n f a l l a m o u n t s o c c u r r i n g o v e r a r e l a t i v e l y s h o r t t i m e p e r i o d . S t o r m 1 w a s a p r o t r a c t e d s t o r m e v e n t l a s t i n g fi v e d a y s a n d t o t a l l i n g 3 . 2 2 i n c h e s . I n o n e 2 4 - h o u r p e r i o d 2 . 0 4 i n c h e s o f r a i n f e l l . S t o r m 2 w a s o n e o f t h e l a r g e r e v e n t s o f t h e s e a s o n . I t a m o u n t e d t o 1 . 7 7 i n c h e s o v e r t w o d a y s , w i t h 1 . 2 4 i n c h e s f a l l i n g i n o n e 2 4 - h o u r p e r i o d . A 5 - y e a r 2 4 - h o u r ” d e s i g n " t y p i c a l o f W e s t C e n t r a l M i n n e s o t a w i l l p r o d u c e 3 . 3 i n c h e s o f r a i n f a l l ( U S W e a t h e r B u r e a u , 1 9 6 1 ) . S o m e o f t h e o v e r - p r e d i c t i o n m a y b e a r e s u l t o f t h e i n a b i l i t y o f t h e c u r v e n u m b e r m o d e l t o c a l c u l a t e a n a c c u r a t e r u n o f f v a l u e f o r s u c h l o w r a i n f a l l a m o u n t s . A s p r e v i o u s l y i n d i c a t e d , s i m u l a t e d p e a k fl o w r a t e b e s t c o r r e l a t e d t o o b s e r v e d fl o w r a t e . P e a k fl o w r a t e e s t i m a t i o n s b o t h o v e r - p r e d i c t e d a n d u n d e r - p r e d i c t e d o b s e r v e d v a l u e s . O v e r - p r e d i c t i o n o c c u r s a t D 2 , K 4 a n d K 5 f o r s t o r m 1 a n d D 2 , 8 3 , K 4 , K 5 a n d K 6 f o r s t o r m 2 . U n d e r - p r e d i c t i o n o c c u r s a t S 3 a n d K 6 f o r s t o r m 1 , a n d D 1 f o r s t o r m 2 . O v e r - p r e d i c t i o n s w e r e m o s t s i g n i fi c a n t f o r s u b - w a t e r s h e d s K 4 a n d K 5 . T h e s e o v e r - p r e d i c t i o n s c a n b e r e l a t e d b a c k t o t h e a b o v e d i s c u s s i o n s o n o v e r - p r e d i c t i o n s o f r u n o f f v o l u m e . R u n o f f v o l u m e i s a n i n p u t p a r a m e t e r i n t o t h e p e a k r u n o f f e q u a t i o n . I n t h e p e a k r u n o f f e q u a t i o n , r u n o f f v o l u m e p o s i t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h p e a k fl o w , t h u s a s m a l l e r r u n o f f v o l u m e w i l l p r o d u c e a s m a l l e r p e a k fl o w r a t e . 2 1 3 T h e r e l a t i v e l y h i g h c o r r e l a t i o n b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d p e a k fl o w r a t e s r e l a t i v e t o t h e o t h e r o u t p u t r e s u l t s i s i n p a r t d u e t o t h e s u c c e s s o f c a l i b r a t i n g t h e g e o m o r p h i c - b a s e d p e a k r u n o f f m o d e l t o o b s e r v e d d a t a . T h e u s e o f t h e r e l a t i v e l y u n c o r r e l a t e d i n p u t p a r a m e t e r r u n o f f v o l u m e i n t h e p e a k r u n o f f e q u a t i o n i n d i c a t e s t h a t r u n o f f v o l u m e i s n o t a s e n s i t i v e p a r a m e t e r , w h e r e a s o t h e r p a r a m e t e r s r e l a t i n g t o w a t e r s h e d l e n g t h a n d w i d t h d i m e n s i o n s , a s w e l l a s c h a n n e l s l o p e a r e m o r e s e n s i t i v e . T h e r e i s , h o w e v e r , a p o s i t i v e c o r r e l a t i o n i n t h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f t h e m o d e l t o e s t i m a t e p e a k fl o w r a t e w h e n u s i n g r u n o f f v o l u m e . N i n e o u t o f t h e e l e v e n r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t a n o v e r - o r u n d e r - p r e d i c t i o n i n r u n o f f g i v e s a s i m i l a r o v e r - o r u n d e r - p r e d i c t i o n i n p e a k fl o w . S e d i m e n t s i m u l a t i o n a s c o m p a r e d t o o b s e r v e d d a t a i s b o t h o v e r - a n d u n d e r - p r e d i c t e d . T h e m o d e l o v e r - p r e d i c t s a t D 2 , K 4 , K 5 f o r s t o r m 1 a n d D 2 , 8 3 , K 4 , a n d K 5 f o r s t o r m 2 . I t u n d e r - p r e d i c t s a t D 1 , S 3 , K 5 f o r s t o r m 1 a n d D 1 a n d K 6 f o r s t o r m 2 . S e d i m e n t l o a d i n g a t t h e o u t l e t o f a s u b - w a t e r s h e d i s t h e r e s u l t o f t w o p r o c e s s e s . T h e fi r s t p r o c e s s i s o v e r l a n d e r o s i o n w h i c h i n c l u d e s s e d i m e n t e n t r a i n m e n t a n d d e p o s i t i o n i n i n t e r r i l l a n d r i l l a r e a s . T h e s e c o n d p r o c e s s i s c h a n n e l e r o s i o n i n c l u d i n g t h e t r a n s p o r t o f o v e r l a n d s e d i m e n t s , t h e e n t r a i n m e n t o f c h a n n e l m a t e r i a l s a n d t h e i r d e p o s i t i o n w i t h i n t h e c h a n n e l . O v e r - p r e d i c t i o n f o r K 4 a n d K 5 c a n b e t r a c e d t o s m a l l e r v o l u m e s o f o v e r l a n d a n d c h a n n e l fl o w f r o m i n c r e a s e d i n fi l t r a t i o n , a n d t h e i n a b i l i t y o f c h a n n e l fl o w t o t r a n s p o r t s e d i m e n t l o a d s . S e d i m e n t l o a d i n g m a y a l s o b e d u e t o t h e m o d e l ’ s i n a b i l i t y t o a c c o u n t f o r t h e s e d i m e n t d e p o s i t i o n c a p a b i l i t y o f r e s i d u e i n b o t h o v e r l a n d a n d c h a n n e l e r o s i o n p r o c e s s e s . 2 1 4 S e d i m e n t o v e r - p r e d i c t i o n a t D 2 f o r s t o r m 1 a n d 2 m a y b e d u e t o t h e m o d e l ’ s i n a b i l i t y t o a c c o u n t f o r s e d i m e n t d e p o s i t i o n f r o m a d e c r e a s i n g c h a n n e l s l o p e g r a d i e n t . S t a t i o n D 2 i s l o c a t e d d i r e c t l y b e l o w a c o n v e n t i o n a l f a l l - t i l l e d fi e l d . A p p r o x i m a t e l y 1 0 0 y a r d s f r o m t h e D 2 s a m p l e r , t h e c h a n n e l g r a d i e n t s l o p e d e c r e a s e s . I n t h e fi e l d , a c o n s i d e r a b l e a m o u n t o f s e d i m e n t d e p o s i t i o n w a s o b s e r v e d . T h e m o d e l , h o w e v e r , d o e s n o t r e fl e c t t h i s d e p o s i t i o n . I n f a c t , t h e m o d e l s i m u l a t e s a d d i t i o n a l e n t r a i n m e n t o f s e d i m e n t s f r o m w i t h i n t h e c h a n n e l . T h e s l o p e o f t h e c h a n n e l t h r o u g h t h e c e l l d i r e c t l y u p s l o p e f r o m s t a t i o n D 2 w a s i d e n t i fi e d a s 0 . 5 % a n d t h e c h a n n e l l e n g t h t h r o u g h t h e c e l l w a s e s t i m a t e d a t 8 1 8 f e e t . T h e s e c t i o n o f t h e c h a n n e l w h e r e c h a n n e l s l o p e fl a t t e n s o u t i s c o n s i d e r a b l y s m a l l e r t h a n t h e e n t i r e c e l l . T h u s t h e i n f o r m a t i o n r e q u i r e d t o r e p r e s e n t t h e d e p o s i t i o n a l p r o c e s s e s w i t h i n t h e c e l l i s a s m a l l e r s c a l e t h a n t h a t o f t h e g r i d - c e l l s i z e u s e d t o d e l i n e a t e w a t e r s h e d c h a r a c t e r i s t i c s . T h e i n a b i l i t y t o r e p r e s e n t t h e s m a l l e r s c a l e l a n d s c a p e i n f o r m a t i o n r e s u l t e d i n t h e m o d e l s i m u l a t i n g e n t r a i n m e n t r a t h e r t h a n t h e a c t u a l d e p o s i t i o n . C o n s i d e r a b l e u n d e r - p r e d i c t i o n o f s e d i m e n t l o a d i n g a t S 3 a n d K 6 o c c u r s f o r s t o r m 1 . T h e m o d e l c a l c u l a t e s a t o t a l o f 4 1 t o n s e r o d e d f r o m s u b - w a t e r s h e d S 3 a n d 3 8 4 t o n s o f s e d i m e n t f r o m K 6 i n o v e r l a n d p r o c e s s e s . T h i s s e d i m e n t w a s s u b s e q u e n t l y t r a n s p o r t e d o v e r l a n d t o t h e s u b - w a t e r s h e d ’ s c h a n n e l s y s t e m . H o w e v e r , t h e m o d e l p r e d i c t e d 7 . 5 t o n s p a s s i n g o u t o f w a t e r s h e d 8 3 a n d 9 . 5 t o n s f o r K 6 . T h i s r e p r e s e n t s c h a n n e l d e p o s i t i o n o f 8 2 % f o r s u b - w a t e r s h e d S 3 a n d 9 8 % f o r s u b - w a t e r s h e d K 6 . O b s e r v e d s e d i m e n t l o a d i n g s o f 2 6 . 1 a n d 2 7 . 2 t o n s a t s t a t i o n s 8 3 a n d K 6 d e m o n s t r a t e t h a t n o t a s m u c h d e p o s i t i o n o c c u r r e d a s w a s p r e d i c t e d b y t h e m o d e l . A p o t e n t i a l 2 1 5 s o u r c e o f e r r o r e x p l a i n i n g t h e d i s c r e p a n c y b e t w e e n s i m u l a t e d a n d o b s e r v e d r e s u l t s i s t h a t t h e t r a n s p o r t c a p a c i t y c a l c u l a t e d b y t h e m o d e l w a s l e s s t h a n a c t u a l . T h e m o d e l c a l c u l a t e d m o r e s e d i m e n t d e p o s i t i o n a l o n g t h e s u b - w a t e r s h e d ’ s c h a n n e l s . C h a n n e l s l o p e s w h i c h a r e n o t s u f fi c i e n t l y s t e e p w i l l r e s u l t i n s e d i m e n t d e p o s i t i o n . A l a r g e p e r c e n t a g e o f t h e g r i d c e l l s i n s u b r w a t e r s h e d s S B a n d K 6 d i d n o t c o n t a i n a d e l i n e a t e d c h a n n e l , t h u s t h e d e f a u l t c h a n n e l s l o p e v a l u e - o n e h a l f o f t h e d e t e r m i n e d l a n d s l o p e - w a s u s e d . I n r e a l i t y , c o n c e n t r a t e d fl o w c h a n n e l s a r e s t e e p e r f o r t h e s e c e l l s , r e s u l t i n g i n l e s s d e p o s i t i o n . A s e c o n d p o t e n t i a l s o u r c e o f e r r o r , p a r t i c u l a r t o K 6 , i s i n t h e s e l e c t i o n o f a c h a n n e l M a n n i n g s c o e f fi c i e n t f o r fi e l d s e x p e r i e n c i n g l o w - t i l l m a n a g e m e n t p r a c t i c e s . A l a r g e M a n n i n g s c o e f fi c i e n t r e p r e s e n t s a fl o w p a t h w i t h r e s i d u e s o b s t r u c t i n g t h e fl o w . T h u s a l a r g e M a n n i n g s fl o w v a l u e , a s a s s i g n e d t o t h e c e l l s i n s u b - w a t e r s h e d s K 4 , K 5 a n d K 6 , w i l l r e s u l t i n s l o w e r fl o w v e l o c i t i e s a n d l e s s s e d i m e n t t r a n s p o r t c a p a c i t y . I n g e n e r a l , t h e m o d e l o v e r - p r e d i c t s t h e a m o u n t o f s o l u b l e N i t r o g e n . O n e s a m p l i n g s i t e f o r b o t h s t o r m s h o w e v e r g r e e d y u n d e r - p r e d i c t s s o l u b l e N i t r o g e n . T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g a t D 1 f o r s t o r m 1 w a s 1 3 4 9 . 6 l b s , 1 3 t i m e s g r e a t e r t h a n p r e d i c t e d , a n d f o r s t o r m 2 i t w a s 2 8 4 l b s , 2 5 t i m e s g r e a t e r t h a n p r e d i c t e d . O v e r - a n d u n d e r - p r e d i c t i o n a l s o o c c u r s a t t h e o t h e r s a m p l i n g s i t e s . T h e a v e r a g e s i m u l a t i o n e r r o r f o r t h e o t h e r s t a t i o n s i s 3 . 2 t i m e s g r e a t e r t h a n o b s e r v e d d a t a . A p o s s i b l e e x p l a n a t i o n f o r t h e l a r g e d i s c r e p a n c y i n e r r o r r e l a t e d t o D 1 a n d t h e o t h e r s a m p l e s i t e s i s , t h a t a f t e r e s t a b l i s h i n g t h e s a m p l e s i t e s w i t h i n t h e M a y e r w a t e r s h e d , i t w a s n o t i c e d t h a t t h e f a r m e r w h o o w n e d t h e fi e l d u p s t r e a m f r o m s t a t i o n D 1 w a s d e p o s i t i n g d e a d c a t t l e 2 1 6 c a r c a s s e s 2 0 t o 3 0 y a r d s a w a y f r o m t h e c h a n n e l . O u t - o f - c h a n n e l fl o w t o o k p l a c e , p o t e n t i a l l y d i s p l a c i n g d e c a y i n g p a r t s i n t o t h e r u n o f f fl o w . I t i s n o t k n o w n i f t h i s s i t e h a s b e e n a d u m p f o r a l o n g p e r i o d o f t i m e , c r e a t i n g a n u t r i e n t - r i c h p o i n t s o u r c e . A c c u r a c y i n n u t r i e n t p r e d i c t i o n s i s e x t r e m e l y d i f fi c u l t d u e n o t o n l y t o t h e c o m p l e x n a t u r e o f t h e c o n s t i t u e n t s w i t h i n t h e n a t u r a l . e n v i r o n m e n t , b u t a l s o b e c a u s e o f t h e i n a b i l i t y t o c o r r e c t l y d e t e r m i n e a p p l i c a t i o n r a t e s a c r o s s a g i v e n fi e l d . U n f o r t u n a t e l y n o t a l l t h e f a r m e r s i n t h e w a t e r s h e d w e r e w i l l i n g t o d i s c l o s e N i t r o g e n a p p l i c a t i o n r a t e s . T h e r e f o r e t h e s t u d y h a d t o a s s u m e a l e v e l o f a p p l i c a t i o n t h a t w a s c o n s i s t e n t w i t h n e i g h b o r i n g f a r m e r s , a n d m a t c h e d l o c a l l y r e c o m m e n d e d f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n r a t e s . 5 . 3 . 4 . 2 R a n k i n g D e s c r i p t i o n A n o r d i n a l r a n k i n g i s a c h i e v e d b y a c o m p a r i s o n o f q u a n t i t a t i v e o u t p u t r e s u l t s f o r s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g f o r e a c h o f t h e s u b - w a t e r s h e d s . A l t h o u g h q u a n t i t a t i v e v a l u e s w e r e u s e d t o g e n e r a t e t h e r a n k i n g o f w a t e r s h e d s , t h e r a n k i n g i t s e l f d o e s n ’ t i n d i c a t e m o r e t h a n t h e r e l a t i v e c o n t r i b u t i o n o f e a c h o f t h e s u b - w a t e r s h e d s . I n r a n k i n g s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g , t h e o v e r e s t i m a t i o n o f l o a d i n g f r o m s u b - w a t e r s h e d K 4 c r e a t e d a m a k i n g m i s m a t c h b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d r e s u l t s . A s c a n b e s e e n f r o m t h e q u a n t i t a t i v e r e s u l t o u t p u t , a r e l a t i v e l y l a r g e d i f f e r e n c e e x i s t s f o r s u b - w a t e r s h e d K 4 b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d o u t p u t f o r b o t h s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g . T h i s d i f f e r e n c e b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d l o a d i n g o u t p u t f o r K 4 i s l a r g e e n o u g h t o c r e a t e a m i s m a t c h i n t h e r e s u l t s o r d e r . D i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e o t h e r s u b - w a t e r s h e d s w e r e n o t o f t h e s a m e m a g n i t u d e , t h u s t h e r a n k i n g o f 2 1 7 t h e s e s u b - w a t e r s h e d s i s t h e s a m e f o r t h e t w o o u t p u t r e s u l t s . 5 . 3 . 4 . 3 S e l e c t i o n D e s c r i p t i o n I d e n t i fi c a t i o n o f a s u b e w a t e r s h e d a s a c o n t r i b u t i n g a r e a i s d e p e n d e n t u p o n t h e c u t - o f f v a l u e u s e d . T h e 2 5 % v a l u e c h o s e n f o r t h i s s t u d y i s a r b i t r a r y . S e l e c t i n g a l a r g e r o r s m a l l e r v a l u e w i l l a d d o r d r o p s u b - w a t e r s h e d s f r o m t h e l i s t o f c o n t r i b u t i n g a r e a s . A l a r g e d i f f e r e n c e b e t w e e n o b s e r v e d a n d s i m u l a t e d o u t p u t v a l u e s c a n r e s u l t i n t h e i d e n t i fi c a t i o n o f d i f f e r e n t s u b - w a t e r s h e d s a s s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r s . S u c h i s t h e c a s e f o r s u b - w a t e r s h e d K 4 . B e c a u s e o f m o d e l o v e r e s t i m a t i o n f o r s e d i m e n t s a n d T o t a l - N i t r o g e n , s u b - w a t e r s h e d K 4 w a s i d e n t i fi e d a s a c o n t r i b u t i n g w a t e r s h e d . H o w e v e r , f r o m t h e o b s e r v e d r e s u l t s , s u b - w a t e r s h e d K 4 w a s n o t i d e n t i fi e d a s a s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r o f s e d i m e n t s a n d T o t a l - N i t r o g e n . C H A P T E R 6 C O N C L U S I O N S G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d s i m u l a t i o n m o d e l s h a v e b e e n i d e n t i fi e d a s i n t e g r a l t o o l s f o r s u p p o r t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f a g r i c u l t u r a l r e s o u r c e c o n s e r v a t i o n a n d w a t e r q u a l i t y m a n a g e m e n t p l a n s . I t i s a n t i c i p a t e d t h a t b y e n l i s t i n g t h e s e t e c h n o l o g i e s , l o c a l c o n s e r v a t i o n p l a n n e r s w i l l o p e r a t e m o r e e f fi c i e n t l y w i t h i n t h e n e w l y r e s t r u c t u r e d f a r m s e r v i c e s a g e n c y . I t i s f u r t h e r a n t i c i p a t e d t h a t b y e x t e n d i n g t h e m a n a g e m e n t s t r a t e g i e s d e v e l o p e d w i t h t h e a i d o f c o m p u t e r t o o l s , e f f e c t i v e , e f fi c i e n t a n d e q u i t a b l e r e d u c t i o n s i l l N P S p o l l u t i o n c a n b e a c h i e v e d . T h e b a s i c g o a l o f t h i s r e s e a r c h w a s t o a s s e s t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e G I S / s i m u l a t i o n m o d e l i n t e g r a t e d c o m p u t e r t e c h n o l o g y p r i o r t o i t s a d o p t i o n i n t o m a i n s t r e a m a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n w a t e r q u a l i t y p l a n n i n g a n d m a n a g e m e n t . D e v e l o p m e n t o f t h i s t y p e o f i n t e g r a t e d t e c h n o l o g y i s r a p i d l y a d v a n c i n g i n b o t h a c a d e m i c a n d g o v e r n m e n t r e s e a r c h i n s t i t u t i o n s . H o w e v e r , v e r y l i t t l e a t t e n t i o n h a s b e e n p a i d t o t h e a c c u r a c y a n d t h e a p p l i e d u t i l i t y o f t h i s p a r t i c u l a r t e c h n o l o g i c a l a p p r o a c h . T h i s r e s e a r c h w a s d i v i d e d i n t o t w o s e p a r a t e p a r t s , w i t h e a c h p a r t a d d r e s s i n g o n e h a l f o f t h e i d e n t i fi e d i n t e g r a t e d t e c h n o l o g y : G I S , a n d t h e N P S p o l l u t i o n s i m u l a t i o n m o d e l A N N - A G N P S . T h e fi r s t h a l f o f t h e r e s e a r c h f o c u s e d o n t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e G I S t o g e n e r a t e i n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e N P S p o l l u t i o n s i m u l a t i o n 2 1 8 2 1 9 m o d e l f r o m i d e n t i fi e d a v a i l a b l e d i g i t a l d a t a s o u r c e s a s c o m p a r e d t o t y p i c a l l y u s e d m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y m e t h o d s . T h e c a p a b i l i t i e s o f G I S p a r a m e t e r g e n e r a t i o n w e r e f u r t h e r t e s t e d b y a s s e s s i n g m o d e l o u t p u t r e s u l t s f o r t h e t w o p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . T h e G I S u s e d i n t h i s r e s e a r c h w a s E S R I ’ s A R C / I N F O v e r s i o n 6 . 1 r u n n i n g o n a U N I X w o r k s t a t i o n . T h e s e c o n d h a l f o f t h e r e s e a r c h f o c u s e d o n t h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f t h e A N N - A G N P S w a t e r q u a l i t y s i m u l a t i o n m o d e l . T h e r e s e a r c h w a s a i m e d a t d e t e r m i n i n g w h i c h t y p e o f N P S p o l l u t i o n c o n t r i b u t i o n d e s c r i p t i o n t h e m o d e l i s b e s t c a p a b l e o f p r o v i d i n g . W M H y p o t h e s i s 1 w a s d i v i d e d i n t o t w o s u b - h y p o t h e s e s . T h e fi r s t s u b - h y p o t h e s i s f o c u s e d o n a s s e s s i n g t h e s i m i l a r i t i e s a n d d i f f e r e n c e s o f p a r a m e t e r i n p u t v a l u e s f r o m m a p i n t e r p r e t a t i o n ] fi e l d s u r v e y i n g a n d G I S - b a s e d g e n e r a t i o n m e t h o d s . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s a r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t f o r t h e t w o m e t h o d s w h e n c o n s i d e r i n g b o t h 4 0 - a n d l O — a c r e c e l l s i z e s . T h u s t h e s t a t e d h y p o t h e s i s : ' . . . t h e e r r o r i n t r o d u c e d w i t h G I S - g e n e r a t e d p a r a m e t e r s w i l l b e i n s i g n i fi c a n t " m u s t b e r e j e c t e d . T h e i n p u t p a r a m e t e r s t e s t e d i n t h e fi r s t s u b - h y p o t h e s i s w e r e l i m i t e d t o t o p o g r a p h i c a l l y - d e r i v e d i n p u t s . S o i l a n d fi e l d p r a c t i c e - d e r i v e d p a r a m e t e r s w e r e n o t i n c l u d e d i n t h e a n a l y s i s b e c a u s e t h e t w o i n p u t p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s r e s u l t e d i n t h e e x a c t s a m e s e l e c t i o n f o r e a c h c e l l t h r o u g h o u t t h e w a t e r s h e d . T h e s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e o b s e r v e d i n t h e i n p u t p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s w a s t h u s d u e t o t h e l i m i t a t i o n s o f t h e G I S - b a s e d t e r r a i n a n a l y s i s a n d s l o p e d e t e r m i n a t i o n p r o c e d u r e s 2 2 0 t o g e t h e r w i t h t h e a u t o m a t e d a g g r e g a t i o n p r o c e s s o f t r a n s f e r r i n g d a t a a t a 3 0 - m e t e r r e s o l u t i o n s c a l e t o 4 0 - a n d 1 0 - a c r e r e s o l u t i o n s c a l e s . T h e t e r r a i n a n a l y s i s p r o c e d u r e s u t i l i z e d i n t h e r e s e a r c h w e r e t h o s e p r o v i d e d b y t h e A R C / I N F O s o f t w a r e . T h e J e n s e n a n d D o m i n g u e ( 1 9 8 8 ) m e t h o d f o r g e n e r a t i n g c o n c e n t r a t e d fl o w n e t w o r k s , a s m e n t i o n e d i n t h e l i t e r a t u r e r e v i e w , h a s l i m i t a t i o n s p a r t i c u l a r l y i n fl a t o r c o n s t a n t s l o p i n g l a n d s c a p e s . O t h e r m e t h o d s i d e n t i fi e d m a y p r o v i d e m o r e a c c u r a t e l o c a t i o n o f c o n c e n t r a t e d fl o w c h a n n e l s a s c o m p a r e d t o m a p i n t e r p r e t a t i o n a n d fi e l d s u r v e y i n g . H o w e v e r , t h e s e a l t e r n a t i v e t e r r a i n a n a l y s i s m e t h o d s a r e p r i m a r i l y r e s e a r c h p r o c e d u r e s , a n d h a v e n o t b e e n i n t e g r a t e d i n t o c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e G I S s o f t w a r e . D e v e l o p m e n t o f s p a t i a l d a t a b a s e s m o r e a c c u r a t e t h a n w h a t c a n b e p r o v i d e d b y G I S p r o c e s s i n g o f a v a i l a b l e d i g i t a l d a t a t h u s r e q u i r e s a d d i t i o n a l fi e l d s u r v e y i n g a n d m e a s u r e m e n t s , i n c l u d i n g m e a s u r e m e n t s o f c h a n n e l l e n g t h a n d c h a n n e l s l o p e T h e s e c o n d s u b - h y p o t h e s i s a d d r e s s e d t h e p r o p a g a t i o n o f e r r o r f r o m t h e G I S — g e n e r a t e d p a r a m e t e r s t o t h e o u t p u t r e s u l t s . T h e h y p o t h e s i s w a s t e s t e d b y s t a t i s t i c a l l y c o m p a r i n g o u t p u t r e s u l t s a t i n d i v i d u a l g r i d c e l l s a s w e l l a s f o r t h e s u b o w a t e r s h e d o u t l e t p o i n t s f o r t h e m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y a n d G I S - b a s e d p a r a m e t e r g e n e r a t i o n m e t h o d s . T h e s e c o n d s u b - h y p o t h e s i s a s s u m e d t h a t m o d e l o u t p u t r e s u l t s w o u l d b e s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r b e c a u s e i n p u t v a l u e s w e r e s i g n i fi c a n t l y t h e s a m e . T h e r e s e a r c h h a s s h o w n t h a t t h e o u t p u t r e s u l t s f o r b o t h 4 0 - a n d l O - a c r e c e l l s i z e a r e i n f a c t s i g n i fi c a n t l y s i m i l a r . T h e s e c o n d s u b - h y p o t h e s i s c a n b e a c c e p t e d . H o w e v e r , h y p o t h e s i s a c c e p t a n c e i s n o t d u e t o s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r i n p u t p a r a m e t e r v a l u e s . 2 2 1 T h e s e c o n d s u b - h y p o t h e s i s d e m o n s t r a t e s t h a t e v e n t h o u g h t h e t o p o g r a p h i c a l l y - b a s e d p a r a m e t e r s g e n e r a t e d f r o m t h e G I S r o u t i n e s a r e n o t w e l l c o r r e l a t e d w i t h m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y m e t h o d s , t h e fi n a l m o d e l o u t p u t r e s u l t s , u s i n g t h e G I S p a r a m e t e r s , a r e s i g n i fi c a n t l y t h e s a m e a s t h e r e s u l t s u s i n g m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y i n g m e t h o d s . T h e s e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e A N N - A G N P S m o d e l o u t p u t v a l u e s a r e l e s s s e n s i t i v e t o t o p o g r a p h i c a l l y - r e l a t e d i n p u t p a r a m e t e r s a n d m o r e s e n s i t i v e t o fi e l d p r a c t i c e a n d s o i l - r e l a t e d p a r a m e t e r s . T h e o b s e r v a t i o n s f r o m t h i s r e s e a r c h s u p p o r t t h e i d e n t i fi c a t i o n o f m o d e l s e n s i t i v e p a r a m e t e r s m a d e b y Y o u n g e t a l . ( 1 9 8 7 ) . T h r e e o f t h e f o u r m o s t s e n s i t i v e p a r a m e t e r s t h e y i d e n t i fi e d w e r e r e l a t e d t o s o i l s a n d fi e l d p r a c t i c e s : s o i l e r o d i b i l i t y ( K F a c t o r ) , c r o p p i n g p r a c t i c e ( C F a c t o r ) a n d C u r v e N u m b e r . T h e f o u r t h s e n s i t i v e p a r a m e t e r w a s t h e t o p o g r a p h y - r e l a t e d h i l l s i d e s l o p e . 6 . 1 . 1 I m p l i c a t i o n s o f H y p o t h e s i s 1 B y t e s t i n g t h e h y p o t h e s e s , t h i s r e s e a r c h h a s d e m o n s t r a t e d t h a t a n a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n w a t e r q u a l i t y m o d e l w i l l p e r f o r m a s w e l l a s m o r e a c c u r a t e a n d c o s t l y c o n v e n t i o n a l m e t h o d s o f p a r a m e t e r g e n e r a t i o n w h e n u s i n g G I S - g e n e r a t e d i n p u t p a r a m e t e r s . T h e r e s u l t s o f t h i s r e s e a r c h s u p p o r t t h e d i r e c t i o n o f c u r r e n t t e c h n o l o g y - s u p p o r t i v e p o l i c i e s . F e d e r a l a n d s t a t e g o v e r n m e n t d e v e l o p m e n t o f n a t u r a l r e s o u r c e d i g i t a l d a t a w i l l e n a b l e c o s t e f fi c i e n c i e s i n n a t u r a l r e s o u r c e m a n a g e m e n t w h e n i n t e g r a t e d w i t h e n v i r o n m e n t a l s i m u l a t i o n m o d e l s t h r o u g h G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s . I n l i g h t o f t h i s r e s e a r c h , t h e S o i l s C o n s e r v a t i o n S e r v i c e s ’ c u r r e n t p r o g r a m s i n d e v e l o p i n g i n t e g r a t e d G I S / w a t e r q u a l i t y s i m u l a t i o n m o d e l i n g t o o l s a r e h e a d i n g i n a l o g i c a l d i r e c t i o n . F u r t h e r , t h e e f fi c i e n c i e s a c h i e v e d w i t h t h i s t e c h n o l o g y w i l l b e 2 2 2 g r e a t l y n e e d e d i n t h e a n t i c i p a t e d r e s t r u c t u r e d U S D A f a r m s e r v i c e a g e n c y . H o w e v e r , i t i s c r i t i c a l t h a t l i m i t a t i o n s i n t h e d e v e l o p e d s p a t i a l d a t a , d u e t o c o l l e c t i o n e r r o r , s c a l e a n d s p a t i a l r e s o l u t i o n , a s w e l l a s t h e s h o r t - c o m i n g s i n t h e g e o g r a p h i c a l p r o c e s s i n g o f s p a t i a l d a t a n o t b e f o r g o t t e n . T h i s r e s e a r c h a d d r e s s e d t h e a p p l i c a b i l i t y o f o n e t o o l w i d e l y u s e d i n N P S p o l l u t i o n w a t e r q u a l i t y p l a n n i n g a n d m a n a g e m e n t : A G N P S . T h e r e a r e m a n y o t h e r w a t e r q u a l i t y s i m u l a t i o n m o d e l s a v a i l a b l e t o c o n s e r v a t i o n r e s o u r c e p l a n n e r s . S o m e o f t h e m o d e l s a r e m o r e a n a l y t i c a l l y r i g o r o u s a n d s o p h i s t i c a t e d t h a n A G N P S , o t h e r s a r e n o t . I t i s n o t k n o w n w h e t h e r t h e s a m e c o n c l u s i o n s a b o u t t h e s e n s i t i v i t y o f t h e m o d e l t o t h e i n a c c u r a c i e s i n G I S - g e n e r a t e d d a t a c a n b e e x t e n d e d t o t h e s e m o d e l i n g t o o l s . W m H y p o t h e s i s 2 c o n c e n t r a t e d o n t e s t i n g t h e p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s o f t h e A N N - A G N P S d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r a g r i c u l t u r a l N P S w a t e r p o l l u t i o n m o d e l . M o d e l c a p a b i l i t i e s w e r e a s s e s s e d b a s e d u p o n t h e m o d e l ’ s a b i l i t y t o d e s c r i b e s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n l o a d i n g f r o m s u b - w a t e r s h e d s w i t h i n t h e l a r g e r e x p e r i m e n t a l w a t e r s h e d . T h e p r e d i c t i v e d e s c r i p t i o n s t o b e t e s t e d i n c l u d e d a q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t i o n , a r a n k i n g d e s c r i p t i o n , a n d a n i d e n t i fi c a t i o n d e s c r i p t i o n d e fi n e d b y a p r e d e t e r m i n e d c u t - o f f r a n g e o f g r e a t e r t h a n 2 5 % o f t o t a l l o a d i n g . I t w a s c o n c l u d e d t h r o u g h s t a t i s t i c a l a n a l y s i s t h a t t h e A N N - A G N P S m o d e l i s i n c a p a b l e o f e s t i m a t i n g l o a d i n g v a l u e s w h e n c o m p a r i n g s i m u l a t e d r e s u l t s t o c o l l e c t e d r e c o r d s . T h u s H y p o t h e s i s 2 : ” T h e m o d e l c a n n o t a c c u r a t e l y p r e d i c t q u a n t i t a t i v e c o n t r i b u t i o n s o f N P S p o l l u t a n t s “ i s a c c e p t e d . A q u a l i t a t i v e c o m p a r a t i v e a s s e s s m e n t o f m a k i n g a n d i d e n t i fi c a t i o n d e s c r i p t i o n s 2 2 3 d e t e r m i n e d t h a t a l t h o u g h t h e r a n k i n g s a n d s u b - w a t e r s h e d i d e n t i fi c a t i o n s d i d n o t m a t c h p e r f e c t l y b e t w e e n m o d e l - s i m u l a t e d a n d o b s e r v e d v a l u e s , t h e r e w a s a g e n e r a l c o r r e l a t i o n a n d a l i g n m e n t i n t h e r e s u l t s . T h u s , ” t h e A N N - A G N P S m o d e l i s o n l y c a p a b l e o f p r o v i d i n g i d e n t i fi c a t i o n a n d m a k i n g d e s c r i p t i o n t o c o n t r i b u t i n g l a n d " , a s s t a t e d i n H y p o t h e s i s 2 . T h e A N N - A G N P S m o d e l ’ s i n a b i l i t y t o a c c u r a t e l y p r e d i c t o b s e r v e d r e c o r d i n g s w a s e x p e c t e d . D i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r p r o c e s s - b a s e d h y d r o l o g i c a n d N P S p o l l u t i o n r e s e a r c h m o d e l s h a v e b e e n s h o w n n o t t o b e a c c u r a t e p r e d i c t o r s o f o b s e r v e d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ( B e v e n , 1 9 8 9 ; 1 9 9 3 ; G r a y s o n e t a l . , 1 9 9 3 ; L o a g u e a n d F r e e z e , 1 9 8 5 ; 1 9 9 3 ) . R e s e a r c h m o d e l s a p p l i e d o u t s i d e t h e e x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n t d e m o n s t r a t e e v e n l e s s p r e d i c t i v e c a p a b i l i t i e s ( M i t c h e l l e t a l . , 1 9 9 3 ; B i n g e r e t a l . , 1 9 8 9 ) . B e v e n ( 1 9 8 9 , p . 1 5 9 ) i d e n t i fi e s a n u m b e r o f r e a s o n s w h y d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r q u a s i - p h y s i c a l - b a s e d m o d e l s a r e i n c a p a b l e o f r e p l i c a t i n g t h e p h y s i c a l p r o c e s s e s t a k i n g p l a c e w i t h i n a w a t e r s h e d : ( l ) T h e e q u a t i o n s u s e d i n h y d r o l o g i c m o d e l s a r e o n l y a p p r o x i m a t e r e p r e s e n t a t i o n s o f t h e r e a l w o r l d a n d m u s t i n t r o d u c e s o m e e r r o r a r i s i n g f r o m m o d e l s t r u c t u r e . ( 2 ) S p a t i a l h e t e r o g e n e i t i e s i n s y s t e m r e s p o n s e s m a y n o t b e w e l l r e p r o d u c e d b y c a t c h m e n t a v e r a g e p a r a m e t e r s . ( 3 ) T h e a c c u r a c y w i t h w h i c h a m o d e l c a n b e c a l i b r a t e d o r v a l i d a t e d i s v e r y d e p e n d e n t o n e r r o r s i n t h e o b s e r v a t i o n s o f b o t h i n p u t s a n d o u t p u t s . 6 . 2 . 1 I m p l i c a t i o n s o f H y p o t h e s i s 2 A l t h o u g h t h e A N N - A G N P S m o d e l i s n o t a b l e t o a c c u r a t e l y p r e d i c t N P S p o l l u t i o n l o a d i n g s , i t s t i l l c a n b e u s e d a s a n a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n m a n a g e m e n t 2 2 4 t o o l . T h e r e a r e a l t e r n a t i v e d e s c r i p t i o n s f o r N P S w a t e r p o l l u t i o n l o a d i n g p e r f o r m a n c e a s f o r w a r d e d i n H y p o t h e s i s 2 . T h e s e a l t e r n a t i v e d e s c r i p t i o n s c a n p r o v i d e r e s o u r c e p l a n n e r s w i t h v i t a l i n f o r m a t i o n n e e d e d i n i d e n t i f y i n g N P S p o l l u t i o n c o n t r i b u t i n g l a n d s a n d a i d i n t h e s e l e c t i o n o f B M P s f o r c o n t r i b u t i n g l a n d s i n m i n i m i z i n g w a t e r q u a l i t y i m p a c t s . T h e d e s c r i p t i o n s i n c l u d e a n o r d i n a l r a n k i n g o f s u b - w a t e r s h e d s r e l a t i v e t o t h e N P S c o n t r i b u t i o n o f s e d i m e n t a n d T o t a l - N i t r o g e n a n d a n o m i n a l o r i d e n t i fi c a t i o n d e s c r i p t i o n f o r a p r e d e t e r m i n e d c u t - o f f v a l u e i d e n t i f y i n g w h i c h o f t h e s u b - w a t e r s h e d s w i t h i n t h e l a r g e r w a t e r s h e d c o n t r i b u t e s i g n i fi c a n t N P S p o l l u t a n t s t o t h e w a t e r s h e d o u t l e t . E v e n w i t h i n s i g n i fi c a n t c o r r e l a t i o n b e t w e e n s i m u l a t e d m o d e l r e s u l t s a n d o b s e r v e d r e c o r d i n g s , t h e m o d e l i s c a p a b l e o f g e n e r a t i n g r e s u l t s t h a t a r e a c c u r a t e i n r e l a t i v e t e r m s . T h e c a p a c i t i e s a n d l i m i t a t i o n s o f t h e m o d e l m u s t b e a l i g n e d w i t h w a t e r q u a l i t y m a n a g e m e n t r e q u i r e m e n t s m a n d a t e d b y p o l i c y . O v e r s t a t i n g t h e c a p a b i l i t i e s o f m o d e l s t o a s s i s t i n w a t e r q u a l i t y p l a n n i n g a n d m a n a g e m e n t w i l l l e a d t o f a i l u r e i n a c h i e v i n g d e s i r e d g o a l s o f p o l l u t i o n m i t i g a t i o n . I m p l e m e n t a t i o n o f t h e r e - a u t h o r i z e d C o a s t a l Z o n e M a n a g e m e n t A c t ( C Z M A ) r e q u i r e s t w o l e v e l s o f p o s s i b l e m o d e l a p p l i c a t i o n . T h e p o l i c y fi r s t r e q u i r e s t h a t l a n d a r e a s a n d p r a c t i c e s w h i c h t h r e a t e n c o a s t a l w a t e r q u a l i t y b e i d e n t i fi e d . S e c o n d i t r e q u i r e s q u a n t i t a t i v e e s t i m a t i o n s o f p o l l u t i o n r e d u c t i o n e f f e c t s f o r e c o n o m i c a l l y a c h i e v a b l e m a n a g e m e n t m e a s u r e s . T h i s r e s e a r c h h a s d e m o n s t r a t e d t h a t t h e A N N - A G N P S w a t e r q u a l i t y m o d e l i s b e s t c a p a b l e o f p e r f o r m i n g t h e fi r s t t a s k o f i d e n t i f y i n g l a n d s w i t h i n a w a t e r s h e d t h a t 2 2 5 c o n t r i b u t e a g r i c u l t u r a l p o l l u t a n t s t o t h e w a t e r s h e d o u t l e t . T h e m o d e l i s i n c a p a b l e o f a c c u r a t e l y s i m u l a t i n g a g r i c u l t u r a l p o l l u t i o n l o a d i n g r e q u i r e d i n t h e s e c o n d t a s k . T h e r e f o r e , q u a n t i t a t i v e e s t i m a t i o n s o f p o t e n t i a l r e d u c t i o n b e t w e e n a l t e r n a t i v e m a n a g e m e n t m e a s u r e s i s b e y o n d t h e c a p a c i t y o f t h i s m o d e l . T h e S o i l C o n s e r v a t i o n S e r v i c e h a s c h o s e n t h e A G N P S m o d e l a s a N P S p o l l u t i o n s i m u l a t i o n m o d e l t o b e u s e d i n c a r r y i n g o u t p r o g r a m s r e q u i r e d b y t h e C Z M A . H o w e v e r , a s s h o w n i n t h i s r e s e a r c h , t h e m o d e l t o b e u s e d b y t h e f e d e r a l g o v e r n m e n t ’ s l e a d t e c h n i c a l a g e n c y w i l l n o t p e r f o r m t h e t a s k s r e q u i r e d b y t h e l e g i s l a t i o n . T h e S C S i s o b v i o u s l y a s k i n g t o o m u c h o f t h e a v a i l a b l e t e c h n o l o g y . T o e n s u r e p o l i c y s u c c e s s , m a n a g e m e n t r e q u i r e m e n t s m u s t b e c o m e m o r e a l i g n e d w i t h c a p a b i l i t i e s o f t h e t e c h n o l o g y . I n t h e c a s e o f t h e r e - a u t h o r i z e d C Z M A , q u a n t i t a t i v e e s t i m a t i o n s o f N P S p o l l u t i o n l o a d i n g f r o m a l t e r n a t i v e m a n a g e m e n t m e a s u r e s s h o u l d b e r e p l a c e d w i t h q u a l i t a t i v e o r d i n a l c o m p a r i s o n s o f a l t e r n a t i v e m a n a g e m e n t m e a s u r e s . T h e r e q u i r e m e n t o f q u a l i t a t i v e d e s c r i p t i o n s o f p o l l u t i o n l o a d i n g i n o r d e r t o i d e n t i f y o p t i m a l m a n a g e m e n t m e a s u r e s n e e d n o t j e o p a r d i z e a t t a i n m e n t o f o v e r a l l p o l i c y g o a l s . W T h i s r e s e a r c h i n v o l v e d t h e i n i t i a l d e v e l o p m e n t o f a c o m p u t e r - b a s e d d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r a g r i c u l t u r a l N P S s i m u l a t i o n m o d e l . I t u s e d a s a s t a r t i n g p o i n t t h e s i n g l e r a i n f a l l e v e n t A G N P S m o d e l , a n d i n t e g r a t e d i n t o i t a v a i l a b l e a n d t e s t e d a l g o r i t h m s f o r e s t i m a t i n g d a i l y c h a n g e s i n p h y s i c a l p a r a m e t e r s i n fl u e n c i n g t h e g e n e r a t i o n a n d r o u t i n g o f w a t e r , s e d i m e n t a n d n u t r i e n t s . I t i s r e a l i z e d b y t h e r e s e a r c h e r t h a t t h e e n c o d i n g o f a l g o r i t h m s i n t o a c o m p u t e r p r o g r a m a c c o m p l i s h e s o n l y o n e i n t e r m e d i a t e s t e p i n t h e 2 2 6 m o d e l d e v e l o p m e n t p r o c e s s . T h e n e x t s t e p s o f m o d e l v e r i fi c a t i o n a n d v a l i d a t i o n p r o c e d u r e s w e r e i n i t i a t e d i n a s i n g l e w a t e r s h e d u n d e r a l i m i t e d n u m b e r o f r a i n f a l l e v e n t s i n a s i n g l e g r o w i n g s e a s o n . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a n d c o n c l u s i o n s d r a w n f r o m t h e r e s u l t s a r e a l s o l i m i t e d t o t h e p a r t i c u l a r a g r i c u l t u r a l e n v i r o n m e n t a n d t i m e - s p a n i n w h i c h d a t a w a s c o l l e c t e d . C o n t i n u e d r e s e a r c h i n t o t h e v e r i fi c a t i o n o f t h e m o d e l a s w e l l a s t h e i n i t i a l c o n c l u s i o n s p r e s e n t e d i n t h i s r e s e a r c h c a n o n l y b e a c h i e v e d b y c o m p a r i n g s i m u l a t i o n r e s u l t s t o c o l l e c t e d d a t a f o r a d d i t i o n a l a g r i c u l t u r a l w a t e r s h e d s w h i c h v a r y i n s i z e , c r o p p i n g p a t t e r n s , a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s f o r s o i l s , s l o p e s , c h a n n e l n e t w o r k , a n d m e t e o r o l o g y . U p o n s i m u l a t i o n o f m u l t i p l e d i f f e r e n t a g r o n o m i c , p h y s i c a l a n d m e t e o r o l o g i c a l a g r i c u l t u r a l c o n d i t i o n s , t h e a p p r o p r i a t e n e s s o f t h e A N N - A G N P S m o d e l ’ s a l g o r i t h m s m u s t b e a s s e s s e d . S e n s i t i v i t y a n a l y s e s c a n b e u s e d t o i s o l a t e w e a k n e s s e s i n m o d e l p e r f o r m a n c e . S u b - p r o c e s s e s f o u n d t o b e e r r o r - p r o n e c a n b e r e - c a l i b r a t e d t o o b s e r v e d d a t a o r a l t e r n a t i v e a l g o r i t h m s i n c o r p o r a t e d a n d r e - t e s t e d . T h i s r e s e a r c h a l s o i n v o l v e d t h e e v a l u a t i o n o f G I S - g e n e r a t e d i n p u t p a r a m e t e r s o f t h e A N N - A G N P S m o d e l . E v e n t h o u g h s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n G I S a n d m a p i n t e r p r e t a t i o n / fi e l d s u r v e y m e t h o d s d i d n o t p r o d u c e s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n t h e m o d e l o u t p u t r e s u l t s , c o n t i n u e d r e s e a r c h i s n e e d e d t o d e v e l o p s p a t i a l d a t a p r o c e s s i n g m e t h o d s t h a t g e n e r a t e m o r e a c c u r a t e d a t a f r o m t h e a v a i l a b l e d i g i t a l d a t a s o u r c e . l r n p r o v e m e n t s i n t h e g e n e r a t i o n o f t o p o g r a p h y - r e l a t e d p a r a m e t e r s , s u c h a s h i l l s l o p e , h i l l s l o p e l e n g t h , c h a n n e l s l o p e , c h a n n e l s i d e s l o p e a n d c h a n n e l l e n g t h a r e p a r t i c u l a r l y n e e d e d . T h e u s e o f s t a t i s t i c a l p r o b a b i l i t i e s i n a s s i g n i n g fl o w d i r e c t i o n f o r m i n i m a l 2 2 7 a n d c o n s t a n t s l o p i n g t e r r a i n i s a n e w r e s e a r c h a r e a i n s t r e a m n e t w o r k g e n e r a t i o n r e q u i r i n g m o r e w o r k . F u r t h e r , t h e i n c o r p o r a t i o n o f s e c o n d a r y p h y s i c a l e n v i r o n m e n t a l a n d l a n d s c a p e c h a r a c t e r i z a t i o n d a t a , s u c h a s s o i l t y p e s , h i l l s l o p e p o s i t i o n a n d o t h e r g e o m o r p h i c - b a s e d r e l a t i o n s h i p s c a n p o t e n t i a l l y b e u s e d t o i m p r o v e t h e g e n e r a t i o n o f t o p o g r a p h i c p a r a m e t e r s . D e t e r m i n i n g t h e s h a p e a n d s c a l e o f d i s t r i b u t e d — p a r a m e t e r c o m p u t a t i o n a l u n i t s i s a r e s e a r c h a r e a r e q u i r i n g m o r e i n v e s t i g a t i o n . T h e a r t i fi c i a l s q u a r e b o u n d a r i e s o f t h e g r i d c e l l c a n c r e a t e d i s c o n t i n u i t i e s i n t h e r e p r e s e n t a t i o n o f " g r o u n d ” d a t a . R e s e a r c h i n t o t h e a n a l y t i c c a p a b i l i t i e s o f G I S t o g e n e r a t e d i s t r i b u t e d - p a r a m e t e r g e o m e t r i e s t h a t b e t t e r fi t t h e n a t u r a l b o u n d a r i e s o f t h e p h y s i c a l a n d a g r o n o m i c e n v i r o n m e n t i s n e e d e d . T h e i n t e g r a t e d c o m p u t e r t o o l , G I S a n d s i m u l a t i o n m o d e l i n g , r e p r e s e n t s t h e f u t u r e o f r e s o u r c e m a n a g e m e n t p l a n n i n g . T h i s r e s e a r c h f o c u s e d o n t h e u s e o f G I S a n d s i m u l a t i o n m o d e l s f o r d e s c r i b i n g a g r i c u l t u r a l N P S p o l l u t i o n . I t w a s d e m o n s t r a t e d t h a t t h e s e t o o l s h a v e i n h e r e n t l i m i t a t i o n s , a f f e c t i n g t h e a c c u r a c y o f N P S p o l l u t i o n e s t i m a t i o n . T h e r e s e a r c h u n d e r t a k e n r e p r e s e n t s t h e fi r s t s t e p i n i d e n t i f y i n g l i m i t a t i o n s i n t h e t o o l s . I t t h u s p r o v i d e s a n i n i t i a l b l u e p r i n t f o r r e fi n i n g a n a l y t i c t e c h n i q u e s a n d p r o c e d u r e s i n G I S a n d s i m u l a t i o n m o d e l i n g . A s t h i s t e c h n o l o g y m a t u r e s t h r o u g h m o r e t e s t i n g a n d v a l i d a t i o n , c o n fi d e n c e i n i t s u s e w i l l i n c r e a s e a s c o n s e r v a t i o n p l a n n e r s b e c o m e b e t t e r a w a r e o f t h e i n t e g r a t e d t o o l ’ s c a p a b i l i t i e s a n d l i m i t a t i o n s . U l t i m a t e l y , t h i s w i l l r e s u l t i n b e t t e r f o r m u l a t e d p o l i c i e s a n d m o r e s u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e d p r o g r a m s . A P P E N D I X A M a y e r . W a t e r s h e d S o i l M a p p i n g U n i t D a t a B b B 2 B A R N E S ; F I N E - L O A M Y ; 5 0 . 0 5 B 0 . 2 8 5 . 0 2 . 0 7 . 0 1 . 4 5 2 3 . 0 2 2 . 0 3 . 5 0 . 0 5 . 0 1 7 . 0 1 . 4 5 3 0 . 0 1 4 . 0 3 . 5 0 . 0 6 . 0 2 7 . 0 1 . 4 5 2 2 . 0 2 3 . 0 3 . 5 0 . 0 5 . 0 2 9 . 0 1 . 4 5 2 3 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 6 0 . 0 1 . 5 5 2 3 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 V a V A L L E R S - W I N G E R ; S I L T Y - C L A Y - L O A M S ; 5 0 . 0 5 B 0 . 2 6 5 . 0 2 . 0 1 1 . 0 1 . 4 5 2 9 . 0 1 5 . 0 5 . 5 0 . 0 6 . 0 2 1 . 0 1 . 2 5 1 0 . 0 3 1 . 0 5 . 5 0 . 0 9 . 0 3 1 . 0 1 . 3 2 2 . 0 2 2 . 0 5 . 5 0 . 0 6 . 0 3 6 . 0 1 . 4 5 2 9 . 0 1 5 . 0 0 . 0 0 . 0 6 . 0 6 0 . 0 1 . 5 2 8 . 0 1 5 . 0 0 . 0 0 . 0 7 . 0 S u A S V E A ; F I N E - L O A M Y ; 4 0 . 0 5 B 0 . 3 5 . 0 2 . 0 1 0 . 0 1 . 2 2 3 . 0 2 2 . 0 6 . 5 0 . 0 5 . 0 2 0 . 0 1 . 2 1 4 . 0 3 0 . 0 6 . 5 0 . 0 6 . 0 2 1 . 0 1 . 3 5 2 2 . 0 2 3 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 6 0 . 0 1 . 2 2 3 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 P f P A R N E L L a n d F L O M ; F I N E ; 5 0 . 0 5 C 0 . 2 8 5 . 0 2 . 0 2 2 . 0 1 . 2 5 1 4 . 0 3 3 . 0 8 . 0 0 . 0 3 . 0 3 2 . 0 1 . 2 5 5 . 0 4 2 . 0 8 . 0 0 . 0 3 . 0 4 2 . 0 1 . 3 2 2 . 0 2 5 . 0 8 . 0 0 . 0 3 . 0 5 5 . 0 1 . 2 5 1 4 . 0 3 3 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 6 0 . 0 1 . 3 1 4 . 0 3 3 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 T a A T A R A ; F I N E - S I L T Y ; 5 0 . 5 B 0 . 3 5 . 0 2 . 0 1 9 . 0 1 . 4 5 2 5 . 0 2 2 . 0 6 . 0 0 . 0 3 . 0 2 9 . 0 1 . 4 5 1 9 . 0 2 8 . 0 6 . 0 0 . 0 3 . 0 3 7 . 0 1 . 4 5 2 5 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 4 3 . 0 1 . 4 5 2 5 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 6 0 . 0 1 . 4 8 2 2 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 6 . 0 B a A B A R N E S ; F I N E - L O A M Y ; 5 0 . 5 B 0 . 2 8 5 . 0 2 . 0 7 . 0 1 . 4 5 2 3 . 0 2 2 . 0 3 . 5 0 . 0 5 . 0 1 7 . 0 1 . 4 5 3 0 . 0 1 4 . 0 3 . 5 0 . 0 6 . 0 2 7 . 0 1 . 4 5 2 2 . 0 2 3 . 0 3 . 5 0 . 0 5 . 0 2 9 . 0 1 . 4 5 2 3 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 6 0 . 0 1 . 5 5 2 3 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 2 2 8 2 2 9 H d A T A R A ; F I N E - L O A M Y ; 5 0 . 5 C 0 . 3 5 . 0 2 . 0 8 . 0 1 . 4 2 5 . 0 2 2 . 0 5 . 5 0 . 0 3 . 0 1 8 . 0 1 . 4 1 2 . 0 3 1 . 0 5 . 5 0 . 0 7 . 0 2 8 . 0 1 . 4 2 0 . 0 2 7 . 0 5 . 5 0 . 0 3 . 0 3 8 . 0 1 . 4 2 5 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 6 0 . 0 1 . 4 5 2 5 . 0 2 3 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 B u B 2 B U S E ; F I N E - L O A M Y ; 2 0 . 5 B 0 . 3 3 5 . 0 2 . 0 1 . 0 7 . 0 0 1 . 4 5 2 2 . 0 2 2 . 0 2 . 0 0 . 0 6 0 . 0 7 . 4 5 1 . 5 5 2 0 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 S u B S V E A ; F I N E - L O A M Y ; 4 0 . 0 5 B 0 . 3 5 . 0 2 . 0 1 0 . 0 1 . 2 2 3 . 0 2 2 . 0 6 . 5 0 . 0 5 . 0 2 0 . 0 1 . 2 1 4 . 0 3 0 . 0 6 . 5 0 . 0 6 . 0 2 1 . 0 1 . 3 5 2 2 . 0 2 3 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 6 0 . 0 1 . 2 2 3 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 D l B D O L A N D ; F I N E - L O A M Y ; 3 0 . 0 5 B 0 . 3 2 5 . 0 2 . 0 8 . 0 1 . 3 8 2 5 . 0 2 2 . 0 5 . 0 0 . 0 3 . 0 3 2 . 0 1 . 4 3 2 5 . 0 2 2 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 6 0 . 0 1 . 5 8 2 1 . 0 2 4 . 0 0 . 0 0 . 0 5 . 0 P a P A R N E L L ; F I N E ; 5 0 . 0 5 C 0 . 2 8 5 . 0 2 . 0 2 . 0 1 . 2 5 1 4 . 0 3 3 . 0 8 . 0 0 . 0 3 . 0 3 2 . 0 1 . 2 5 5 . 0 4 2 . 0 8 . 0 0 . 0 3 . 0 4 2 . 0 1 . 3 2 2 . 0 2 5 . 0 8 . 0 0 . 0 3 . 0 5 5 . 0 1 . 2 5 1 4 . 0 3 3 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 6 0 . 0 1 . 3 1 4 . 0 3 3 . 0 0 . 0 0 . 0 3 . 0 T o p R o w : S u b s e q u e n t R o w s : M a p S y m b o l S o i l L a y e r s ( i n ) S o i l N a m e B u l k D e n s i t y ( g m / c c ) S o i l T e x t u r e P e r c e n t S a n d N u m b e r o f S o i l L a y e r s P e r c e n t C l a y S o i l A l b e d o P e r c e n t O r g a n i c M a t t e r H y d r a u l i c S o i l s G r o u p C a t i o n E x c h a n g e C a p a c i t y U S L E K F a c t o r I n i t i a l N i t r o g e n C o n c e n t r a t i o n ( p p m ) I n i t i a l P h o s p h o r u s C o n c e n t r a t i o n ( p p m ) A P P E N D I X B 1 9 9 1 a n d 1 9 9 2 F i e l d M a n a g e m e n t D a t a F i e l d S B 1 S o y b e a n s S o y b e a n s l 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 / 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S o y b e a n s 0 5 1 0 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 / 0 6 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 5 / 0 7 / 9 2 F e r t i l i z e 6 0 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 8 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 1 1 / 0 6 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 6 5 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d S B 2 C o r n S o y b e a n s 2 2 C o r n 0 7 1 0 l 2 0 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( l 8 - 2 2 ) 0 4 / 1 2 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 I 1 4 / 9 1 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 4 / 1 7 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 0 7 / 0 2 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 0 / 0 1 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S o y b e a n s 0 5 1 0 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 l 0 6 l 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d . ( 1 6 - l 8 ) 0 5 / 0 7 / 9 2 F e r t i l i z e 6 0 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 8 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 1 1 / 0 6 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 6 5 . 0 0 . 0 0 . 0 2 3 0 F i e l d S B 3 C o r n S o y b e a n s 2 2 C o r n 0 7 1 0 / 2 0 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 4 / 1 2 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 1 4 / 9 1 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 , 0 4 / 1 7 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 0 7 / 0 2 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 0 / 0 1 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S o y b e a n s 0 4 0 5 I 0 5 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ 1 - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 l 0 6 l 9 2 F e r t i l i z e 7 5 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 7 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 1 1 / 0 5 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 6 5 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d S B 4 C o r n S o y b e a n s 2 2 C o r n 0 7 1 0 / 2 0 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 4 / 1 2 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 1 4 / 9 1 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 4 l l 7 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 0 7 / 0 2 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 0 / 0 1 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S o y b e a n s 0 5 1 0 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 / 0 6 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( 1 6 - 1 8 ) 0 5 / 0 7 / 9 2 F e r t i l i z e 6 0 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 8 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 1 1 l 0 6 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 6 5 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d S B 6 S o y b e a n s S o y b e a n s 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 / 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S o y b e a n s 0 5 1 0 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 l 0 6 l 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 5 / 0 7 / 9 2 F e r t i l i z e 6 0 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 8 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 1 1 / 0 6 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 6 5 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d S B 6 C o r n S o y b e a n s 2 2 C o r n 0 7 1 0 / 2 0 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( l 8 - 2 2 ) 0 4 / 1 2 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 1 4 / 9 1 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 4 / 1 7 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 0 7 / 0 2 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 0 / 0 1 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S o y b e a n s 0 4 0 5 l 0 5 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ _ ( l 8 - 2 2 ) 0 5 l 0 6 l 9 2 F e r t i l i z e 7 5 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 7 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 1 1 / 0 5 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 6 5 . 0 0 . 0 0 . 0 2 3 1 F i e l d C 1 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 / 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 6 1 0 / 1 7 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 5 l 0 5 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - l 8 ) 0 5 / 0 1 / 9 2 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 1 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 5 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 / 0 2 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 2 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 I 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 / 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 5 0 5 / 0 7 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 / 0 8 / 9 2 F e r t i l i z e 1 0 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 1 0 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 8 I 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w l l l l 7 l 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 3 C o r n C o r n 1 2 C o r n 0 7 1 0 / 2 0 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 4 / 1 2 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 1 4 / 9 1 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 4 / 1 7 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 0 7 / 0 2 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 0 / 0 1 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 5 0 5 / 0 7 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 / 0 8 / 9 2 F e r t i l i z e 1 0 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 1 0 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 8 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 1 1 7 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 4 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( 1 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 I 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 l 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 6 1 0 / 1 7 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 5 / 0 1 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 5 / 0 1 / 9 2 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 5 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 5 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 / 0 2 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 3 2 F i e l d C 5 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 l 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 5 0 5 / 0 7 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 / 0 8 / 9 2 F e r t i l i z e 1 0 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 1 0 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 8 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 / 1 7 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 6 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( 1 6 — l 8 ) 0 4 I 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 l 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 . 2 2 C o r n 0 6 1 0 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 5 l 0 6 l 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( l 8 - 2 2 ) 0 5 / 0 7 / 9 2 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 4 / 1 7 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 9 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 / 1 4 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 7 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 7 C o r n C o r n 1 2 C o r n 0 7 1 0 / 2 0 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 4 / 1 2 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 1 4 / 9 1 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 4 / 1 7 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 0 7 / 0 2 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 0 / 0 1 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 6 1 0 I 1 7 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 5 / 0 1 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ _ ( 1 6 - l 8 ) 0 5 / 0 1 / 9 2 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 5 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 5 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 / 0 2 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 8 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 l 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - l 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 l 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 6 1 0 / 1 7 / 9 1 T i l l a g e c h l s e l _ ( 2 _ _ i n _ s h o v e l ) 0 5 / 0 1 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 — 1 8 ) 0 5 / 0 1 / 9 2 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 / 0 5 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 5 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 1 0 2 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 3 3 F i e l d C 9 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 l 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 6 1 0 / 1 7 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 5 / 0 1 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( 1 6 - 1 8 ) 0 5 / 0 1 / 9 2 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 5 l 0 5 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 2 5 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 1 / 0 2 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 1 0 S o y b e a n s C o r n 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( 1 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 / 2 8 l 9 l H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 5 1 1 / 0 9 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 5 / 0 5 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( l 8 - 2 2 ) 0 5 / 0 5 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 5 / 0 5 / 9 2 F e r t i l i z e 5 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 0 1 1 / 0 6 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d C 1 1 C o r n C o r n 1 2 C o r n 0 7 1 0 / 2 0 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( l 8 - 2 2 ) 0 4 / 1 2 / 9 1 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 1 4 / 9 1 F e r t i l i z e 1 2 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 0 4 / 1 7 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 5 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 0 7 / 0 2 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ r o w 1 0 / 0 1 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 C o r n 0 5 1 1 / 0 9 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 5 l 0 5 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 5 l 0 5 / 9 2 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 5 l 0 5 / 9 2 F e r t i l i z e 5 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 0 1 1 / 0 6 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 1 2 0 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d W 1 S o y b e a n s S p r i n g _ W h e a t 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 l 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S p r i n g _ W h e a t 0 4 1 0 I 1 5 / 9 1 T i l l a g e c h i s e l _ ( 2 _ i n _ s h o v e l ) 0 4 / 2 5 / 9 2 P l a n t d r i l l ; _ c o n v e n t i o n a l 0 4 / 2 6 / 9 2 F e r t i l i z e 1 2 9 . 0 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 0 8 / 1 5 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 6 0 . 0 0 . 0 0 . 0 2 3 4 F i e l d W 2 S o y b e a n s S p r i n g _ W h e a t l 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( 1 6 - l 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 / 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S p r i n g _ W h e a t 0 4 0 4 / 2 1 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( l 8 - 2 2 ) 0 4 / 2 2 / 9 2 P l a n t d r i l l ; _ c o n v e n t i o n a l 0 4 / 2 4 / 9 2 F e r t i l i z e 5 0 . 0 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 0 8 l 1 0 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 5 8 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d W 3 S o y b e a n s S p r i n g _ W h e a t 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 — 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 9 l 2 8 / 9 l H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S p r i n g _ W h e a t 0 4 0 4 / 2 1 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 4 / 2 2 / 9 2 P l a n t d r i l l ; _ c o n v e n t i o n a l 0 4 / 2 4 / 9 2 F e r t i l i z e 5 0 . 0 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 0 8 / 1 0 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 5 8 . 0 0 . 0 0 . 0 2 3 5 F i e l d W 4 S o y b e a n s S p r i n g _ W h e a t 1 2 S o y b e a n s 0 7 1 0 / 1 5 / 9 0 T i l l a g e d i s k ; _ l a r g e _ o f f s e t 0 4 / 2 0 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( l 6 - 1 8 ) 0 4 / 2 1 / 9 1 F e r t i l i z e 6 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 0 4 / 2 1 / 9 1 T i l l a g e h a r r o w _ ( s p i k e ) 0 4 / 2 2 / 9 1 P l a n t p l a n t e r : _ r o w 0 6 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ _ ( s h o v e l ) 0 9 / 2 8 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 4 2 . 0 0 . 0 0 . 0 2 2 S p r i n g _ W h e a t 0 4 0 4 / 2 1 / 9 2 T i l l a g e d i s k ; _ l - w a y _ ( 1 8 - 2 2 ) 0 4 / 2 2 / 9 2 P l a n t d r i l l ; _ c o n v e n t i o n a l 0 4 / 2 4 / 9 2 F e r t i l i z e 5 0 . 0 5 0 . 0 0 . 0 0 . 0 0 8 l 1 0 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 5 8 . 0 0 . 0 0 . 0 F i e l d F 1 S p r i n g _ W h e a t S p r i n g _ W h e a t 1 2 S p r i n g _ W h e a t 0 4 0 4 / 1 0 / 9 0 F e r t i l i z e 7 5 . 0 7 0 . 0 5 5 . 0 7 0 . 0 0 4 / 1 6 / 9 1 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 4 / 1 ‘ 7 / 9 1 P l a n t d r i l l ; _ c o n v e n t i o n a l 0 8 / 0 4 / 9 1 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 3 8 . 5 0 . 0 0 . 0 2 2 S p r i n g _ W h e a t 0 4 0 4 / 1 0 / 9 2 F e r t i l i z e 7 5 . 0 7 0 . 0 5 5 . 0 7 0 . 0 0 4 / 1 6 / 9 2 T i l l a g e c u l t ; _ fi e l d _ ( s h o v e l ) 0 4 / 1 7 / 9 2 P l a n t d r i l l ; _ c o n v e n t i o n a l 0 8 / 0 4 / 9 2 H a r v e s t / C u t H a r v e s t 3 8 . 5 0 . 0 0 . 0 A P P E N D I X C M o d e l I n p u t P a r a m e t e r V a l u e s T a b l e C 1 4 0 A c r e G r i d C e l l I n t e r p r e t e d M o d e l I n p u t P a r a m e t e r V a l u e s C e l l F l o w R e c . 1 1 m S l o p e C h a n n e l C h a n n e l C h a n n e l M a n n . S o i l s F i e l d s I D i r e c t - C e l l S l o p e L e n g t h S l o p e L e n g t h S i d e N ‘ 0 0 8 1 0 9 0 1 5 4 2 . 1 1 0 0 1 . 0 6 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 8 3 1 4 w l 2 5 5 1 . 7 1 0 0 0 . 3 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 W 2 3 5 1 0 3 . 6 1 2 5 1 . 0 9 0 0 5 . 6 0 . 0 3 3 B b B 2 c 1 4 5 l l 1 3 1 0 0 0 . 6 5 0 l 3 2 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 3 3 2 m 5 5 1 2 2 . 4 1 0 0 1 . 2 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 r . c 2 j 6 5 1 3 2 . 4 1 0 0 2 . 0 1 0 5 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 a t 3 3 3 * 7 5 1 4 6 . 2 1 2 5 3 . 1 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 8 3 2 3 3 3 s 5 9 3 3 1 2 5 1 . 5 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 v . 5 3 2 9 4 1 3 3 . 1 1 2 5 1 . 1 2 1 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 3 B b B 2 c 1 1 0 5 l 3 3 . 4 1 2 5 2 5 1 3 6 0 3 . 6 0 . 0 3 0 B b B Z 3 3 6 1 1 5 1 9 3 . 1 1 2 5 1 . 6 1 4 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 0 3 2 o r i 1 2 5 2 0 1 . 4 1 0 0 2 . 0 1 1 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 0 3 2 3 3 3 1 1 3 5 2 1 2 . 5 1 0 0 1 . 2 1 5 0 0 5 . 6 0 . 0 3 0 1 1 4 4 s 3 3 1 4 5 2 2 4 . 0 1 2 5 1 3 1 3 2 5 9 . 6 0 . 0 3 0 r u t c 4 1 5 7 1 5 1 . 2 1 0 0 0 . 6 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 . 1 3 2 c 4 1 6 3 1 3 0 . 9 1 2 5 0 . 4 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 S u A 3 3 5 I 7 4 2 4 2 . 3 1 0 0 1 . 1 2 1 1 7 3 . 4 0 . 0 3 3 a t C 6 1 3 5 2 4 3 . 3 1 0 0 1 . 4 1 5 0 2 7 . 0 0 . 0 3 3 3 0 3 2 a 6 1 9 5 1 . 1 1 0 0 0 . 5 5 0 1 3 2 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 T a A w 4 ; 2 0 5 2 6 1 . 6 1 0 0 1 . 1 1 5 0 0 1 0 . 4 0 . 0 3 0 r u t c 5 * 2 1 7 2 1 2 . 4 1 2 5 0 . 3 3 0 0 9 . 6 0 . 0 3 0 3 0 3 2 s 3 4 2 2 3 2 4 4 . 1 1 2 5 1 . 1 1 2 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 3 3 0 3 2 0 6 2 3 3 2 5 1 5 1 0 0 0 . 5 1 7 0 0 3 . 9 0 . 0 3 0 3 0 3 2 a s 2 4 5 2 3 1 . 6 1 2 5 0 3 1 4 0 0 1 0 . 4 0 . 0 3 3 a t w 4 2 5 7 2 5 0 . 3 1 0 0 0 . 9 1 0 0 0 1 0 . 4 0 . 0 0 3 r u t c 5 2 6 1 2 3 1 . 1 1 0 0 0 5 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 . 3 c 9 ' A p p r o x i m a t e d I n p u t P a r a m e t e r V a l u e s 2 3 6 2 3 7 T a b l e C 2 1 0 A c r e G r i d C e l l I n t e r p r e t e d M o d e l I n p u t P a r a m e t e r V a l u e s 0 . 1 1 3 1 6 w 1 1 . 3 . 1 1 1 1 1 3 1 6 9 . 3 D i n e t - C a n 3 1 6 9 . 1 . 3 1 1 3 1 6 i o n 7 1 5 2 2 . 0 1 0 0 2 6 1 2 2 . 1 1 0 0 1 . 0 6 0 7 3 3 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 W 1 I 3 5 1 4 2 3 1 0 0 1 . 1 5 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 W 1 I 4 5 1 5 0 . 7 1 0 0 3 5 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 W 2 I ; 5 5 1 6 2 3 1 0 0 1 . 1 5 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 v n . 6 5 1 7 1 . 4 1 0 0 0 . 7 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 3 W 2 l . 7 5 1 3 0 . 3 1 0 0 0 . 4 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 W 2 ‘ 3 5 1 9 1 . 4 1 0 0 0 . 7 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 1 I _ . 9 5 2 0 1 . 6 1 0 0 0 . 3 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 1 . 1 0 5 2 1 1 3 1 0 0 0 . 7 5 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 1 1 1 5 2 2 0 3 1 0 0 0 . 2 5 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 1 3 1 1 3 3 1 1 2 5 2 4 1 . 3 1 0 0 0 . 9 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 1 1 3 4 2 6 7 . 1 1 0 0 3 3 5 0 4 6 6 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 1 1 4 5 2 6 1 3 1 0 0 0 . 6 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 1 1 5 5 2 7 1 . 1 1 0 0 0 3 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 W 3 1 6 5 2 3 1 . 4 1 0 0 0 . 7 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 2 1 7 5 2 9 1 . 4 1 0 0 0 . 7 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 2 5 3 0 1 . 0 1 0 0 0 3 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 3 c 2 5 3 1 1 . 1 1 0 0 0 3 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 3 5 3 2 2 . 1 1 0 0 1 . 0 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 . 1 1 e a 5 3 3 3 3 1 2 5 1 . 6 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 3 2 2 5 3 4 6 2 1 2 5 3 3 5 4 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 6 3 2 a 1 l 2 3 5 3 5 4 . 6 1 2 5 2 3 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 1 1 1 1 1 1 3 3 2 2 4 4 3 3 1 . 1 1 0 0 0 . 6 7 6 2 1 0 . 0 0 0 . 0 3 3 3 6 3 2 c 1 2 5 5 3 3 0 . 3 1 0 0 0 . 4 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 1 3 6 4 4 0 2 . 0 1 0 0 1 . 0 0 9 3 3 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 1 , 2 7 5 4 0 1 . 3 1 0 0 0 . 9 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 6 ‘ 2 3 6 4 0 1 . 2 1 0 0 0 . 6 0 7 3 3 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 r m c 2 2 9 5 4 2 1 . 4 1 0 0 0 . 7 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 m 1 ( : 2 ‘ 3 0 5 4 3 1 . 1 1 0 0 0 3 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 c 2 1 2 3 8 T a b l e C 2 1 0 A c r e G r i d C e l l I n t e r p r e t e d M o d e l I n p u t P a r a m e t e r V a l u e s ( c o n t i n u e d ) c . 1 1 F l o w 1 1 . . . 1 1 1 1 1 3 1 6 9 . C h a n n e l ( 3 1 . 6 . 1 . 1 c u m M 3 1 1 1 1 . 3 6 1 1 . 3 1 . 1 1 1 . 3 1 2 1 1 3 . 1 - c . 1 1 3 1 6 9 . 3 . 3 3 1 1 1 3 1 6 1 » 3 . 1 1 3 1 1 1 3 1 6 . 1 1 1 6 1 1 3 1 1 1 p . 3 1 5 4 4 0 . 3 1 0 0 0 . 4 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 3 3 2 5 4 5 1 . 2 1 0 0 1 . 1 7 4 3 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 3 3 3 5 4 6 4 . 9 1 2 5 2 . 4 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 3 3 4 5 4 7 7 . 2 1 2 5 2 . 2 7 0 3 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 6 3 2 3 3 3 3 5 5 4 3 5 . 2 1 2 5 1 3 3 7 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 6 3 2 3 3 3 3 6 5 4 9 2 . 3 1 0 0 1 . 4 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 1 1 1 3 3 3 3 7 3 3 3 0 . 3 1 0 0 0 . 4 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 1 ' 3 3 5 5 1 1 . 0 1 0 0 1 . 0 7 7 3 1 0 . 0 0 0 . 0 3 3 3 6 3 2 c 1 3 9 5 5 2 1 . 6 1 0 0 0 . 3 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 1 4 0 5 5 3 3 . 0 1 2 5 0 . 7 3 1 2 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 6 3 2 3 3 6 4 1 5 5 4 2 . 0 1 0 0 1 . 0 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 2 4 2 5 5 5 1 3 1 0 0 0 . 6 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 c 2 4 3 5 5 6 1 . 2 1 0 0 1 . 1 3 0 1 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 6 3 2 a 4 4 5 5 7 1 . 0 1 0 0 0 . 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 - 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 3 4 5 5 5 3 2 3 1 0 0 2 3 6 9 0 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 6 3 2 3 3 3 4 6 5 5 9 1 3 1 0 0 0 . 7 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 3 4 7 5 6 0 3 3 1 2 5 1 . 2 6 7 4 1 0 . 0 0 0 . 0 3 0 3 6 3 2 3 3 3 4 3 5 6 1 4 . 4 1 2 5 2 . 2 6 6 7 0 9 . 6 0 . 0 3 0 3 6 3 2 0 4 V 4 9 7 4 3 2 . 3 1 0 0 1 . 4 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 1 3 2 c 4 5 0 7 4 9 1 . 6 1 0 0 0 . 3 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 T 3 A c 4 5 1 3 5 2 1 . 6 1 0 0 0 . 3 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 1 3 c 1 5 2 4 6 6 3 . 1 1 2 5 0 . 7 6 9 7 5 . 6 0 . 0 3 0 3 6 3 2 c 1 , 5 3 5 6 6 3 . 0 1 2 5 1 3 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 6 5 4 5 6 7 2 . 3 1 0 0 1 . 4 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 a j 5 5 5 6 3 2 3 1 0 0 2 . 0 6 2 7 9 . 6 0 . 0 3 0 3 6 3 3 a 5 6 5 6 9 2 3 1 0 0 1 . 1 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 1 1 1 c 2 5 7 5 7 0 1 . 2 1 0 0 0 . 6 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 3 5 3 3 5 9 1 . 7 1 0 0 0 . 3 5 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 3 5 9 5 7 2 2 . 1 1 0 0 1 . 0 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 1 0 1 3 1 T a b l e C 2 1 0 A c r e G r i d C e l l I n t e r p r e t e d M o d e l I n p u t P a r m a t e r V a l u e s ( c o n t i n u e d ) C 5 C 5 3 4 1 . 4 1 0 0 1 . 0 6 7 0 9 . 6 0 . 0 3 0 3 6 3 3 3 3 4 7 4 1 . 6 1 0 0 0 . 3 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 3 3 4 I 7 6 7 7 1 . 3 1 0 0 0 . 9 0 3 3 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 1 . 1 1 C 7 7 7 7 3 3 3 1 2 5 1 . 7 5 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 6 3 2 C 6 7 3 3 3 2 3 1 0 0 0 . 6 7 4 3 3 . 4 0 . 0 3 3 9 1 C 6 7 9 3 3 4 . 6 1 2 5 2 3 0 6 6 0 0 1 0 . 0 0 0 . 0 4 5 3 1 C 6 0 . 0 3 3 3 6 3 2 C 6 0 . 0 4 5 3 . 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T e m p . M i n . T e m p . S o l a r 3 3 4 1 1 3 6 0 3 3 ‘ 5 5 9 2 0 . 0 1 7 . 4 0 - 1 . 3 0 6 2 4 . 8 3 0 . 0 6 5 9 2 0 . 0 2 4 . 4 0 4 . 6 0 6 3 5 . 0 9 0 . 0 7 5 9 2 0 . 0 2 9 . 5 0 1 0 . 2 0 6 2 3 . 3 6 0 . 0 8 5 9 2 0 . 0 3 0 . 1 0 1 2 . 3 0 6 2 0 . 2 6 0 . 0 9 5 9 2 0 . 0 3 0 . 3 0 1 3 . 7 0 4 8 8 . 4 5 0 . 0 1 0 5 9 2 2 . 5 4 2 4 . 5 0 1 3 . 4 0 2 5 7 . 8 4 0 . 5 1 1 5 9 2 2 0 . 0 7 2 1 . 7 0 1 1 . 9 0 3 5 8 . 5 3 2 3 . 9 7 1 2 5 9 2 1 . 7 8 1 9 . 4 0 6 . 5 0 5 6 7 . 1 5 0 . 0 4 1 3 5 9 2 0 . 0 1 2 . 9 0 0 . 8 0 2 6 0 . 8 6 0 . 0 1 4 5 9 2 0 . 0 2 3 . 3 0 3 . 4 0 5 2 6 . 3 8 0 . 0 1 5 5 9 2 0 . 0 2 6 . 1 0 9 . 3 0 5 3 4 . 0 5 0 . 0 1 6 5 9 2 7 . 8 7 2 5 . 1 0 1 4 . 4 0 4 6 0 . 6 9 5 . 6 7 1 7 5 9 2 1 . 7 8 1 6 . 4 0 8 . 6 0 4 0 3 . 1 9 0 . 5 5 1 8 5 9 2 0 . 0 2 4 . 5 0 6 . 9 0 6 6 4 . 1 4 0 . 0 1 9 5 9 2 0 . 0 3 2 . 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S o l a r 8 1 R a d i a t i o n 3 6 9 2 0 . 0 2 7 . 6 0 1 0 . 7 0 5 6 2 . 8 4 0 . 0 4 6 9 2 1 0 . 6 7 2 0 . 0 0 9 . 9 0 6 4 0 . 5 2 8 . 5 6 5 6 9 2 8 . 1 3 2 0 . 1 0 8 . 6 0 2 3 7 . 5 9 2 . 1 3 6 6 9 2 0 . 7 6 1 5 . 3 0 6 . 8 0 4 7 9 . 7 4 0 . 0 7 6 9 2 6 . 8 6 1 7 . 7 0 1 . 3 0 4 1 2 . 7 6 0 . 0 4 8 6 9 2 6 . 6 0 1 8 . 5 0 1 1 . 1 0 4 0 7 . 6 7 0 . 0 4 9 6 9 2 0 . 0 2 2 . 5 0 1 4 . 3 0 4 1 3 . 5 3 0 . 0 ‘ 1 0 6 9 2 0 . 0 2 6 . 9 0 1 0 . 9 0 6 3 4 . 5 7 0 . 0 1 1 6 9 2 0 . 0 3 0 . 2 0 1 2 . 5 0 6 6 0 . 6 0 0 . 0 1 2 6 9 2 0 . 0 3 1 . 4 0 1 3 . 1 0 5 4 8 . 3 6 0 . 0 1 3 6 9 2 0 . 0 3 0 . 5 0 1 5 . 1 0 6 1 6 . 9 0 0 . 0 1 4 6 9 2 2 . 2 8 2 7 . 1 ! ) 1 6 . 3 0 2 6 5 . 0 9 0 . 0 6 1 5 6 9 2 1 1 . 1 7 2 1 . “ ) 1 4 . 3 0 4 5 9 . 2 2 6 . 1 8 1 6 6 9 2 5 1 . 8 2 2 4 . 5 0 1 5 . 4 0 3 3 2 . 5 9 2 4 9 . 5 5 1 7 6 9 2 1 2 . 4 5 1 9 . 3 0 1 5 . 9 0 2 2 6 . 9 8 2 2 . 9 8 1 8 6 9 2 4 . 0 6 2 5 . 1 0 1 6 . 1 0 5 7 1 . 7 2 1 . 9 4 1 9 6 9 2 0 . 2 5 1 5 . 7 0 9 . 4 0 2 0 6 . 9 0 0 . 0 2 0 6 9 2 0 . 0 1 7 . 8 0 3 . 9 0 6 4 1 . 7 2 0 . 0 2 1 6 9 2 2 . 2 9 1 7 . 9 0 6 . 0 0 5 2 6 . 1 2 0 . 2 3 g 2 2 6 9 2 1 . 2 7 1 9 . 1 0 1 2 . 0 0 2 6 4 . 2 2 0 . 1 4 ‘ 2 3 6 9 2 0 . 0 2 3 . 7 0 9 . 6 0 6 1 4 . 1 4 0 . 0 2 4 6 9 2 1 . 0 2 2 2 . 4 0 1 2 . 6 0 6 4 6 . 9 0 0 . 0 2 ‘ 2 5 6 9 2 0 . 0 1 8 . 6 0 9 . 0 0 3 9 2 . 1 5 0 . 0 2 6 6 9 2 0 . 0 2 0 . 2 0 4 . 9 0 7 1 3 . 4 5 0 . 0 2 7 6 9 2 0 . 0 2 4 . 7 0 7 . 1 0 5 4 1 . 5 5 0 . 0 2 8 6 9 2 0 . 0 2 5 . 8 0 1 3 . 4 0 4 5 8 . 5 3 0 . 0 2 9 6 9 2 0 . 0 1 9 . 7 0 1 2 . 1 0 6 5 2 . 3 3 0 . 0 3 0 6 9 2 3 1 . 5 0 1 5 . 3 0 1 1 . 6 0 1 2 3 . 1 9 5 5 . 7 1 7 9 2 1 7 . 0 0 1 2 . 9 0 2 1 1 . 6 4 0 . 0 2 5 3 = — D a y M o d : 1 m : 2 7 9 2 I 3 7 9 2 4 7 9 2 5 7 9 2 I 5 7 9 2 0 . 7 5 2 2 . 1 0 3 . 4 0 3 7 3 . 9 7 0 . 0 5 7 7 9 2 0 . 0 2 5 . 9 0 1 3 . 9 0 3 5 3 . 7 9 0 . 0 3 7 9 2 0 . 0 2 5 . 4 0 1 5 . 7 0 5 2 5 5 4 0 . 0 9 7 9 2 3 5 5 2 5 . 3 0 1 3 . 3 0 4 5 3 . 2 3 1 3 2 1 0 7 9 2 3 . 3 9 2 0 . 7 0 1 2 . 2 0 1 1 7 9 2 4 . 3 3 1 3 . 7 0 9 . 7 0 1 2 7 9 2 2 4 . 3 9 2 3 . 5 0 1 4 . 5 0 1 3 7 9 2 0 . 0 2 0 . 1 0 1 1 . 5 0 I 1 4 7 9 2 0 . 0 2 3 . 9 0 3 . 2 0 I 1 5 7 9 2 2 . 2 9 2 4 3 0 1 4 . 1 0 1 5 7 9 2 0 . 0 2 1 5 0 1 0 . 3 0 1 7 7 9 2 0 . 0 2 2 . 5 0 1 2 . 4 0 1 3 7 9 2 0 . 0 2 4 . 4 0 1 0 . 1 0 1 9 7 9 2 3 . 3 1 2 1 . 9 0 1 3 . 5 0 2 0 7 9 2 0 . 0 2 1 . 1 0 9 . 2 0 2 1 7 9 2 0 . 0 2 2 . 7 0 1 0 . 1 0 I 2 2 7 9 2 1 3 . 7 2 1 3 5 0 1 0 . 0 0 I 2 3 7 9 2 0 . 0 2 0 . 7 0 5 3 0 2 4 7 9 2 0 . 0 2 0 3 0 1 2 . 5 0 2 5 7 9 2 0 . 0 2 7 3 0 1 7 . 0 0 2 5 7 9 2 0 . 0 2 5 . 0 0 1 1 3 0 2 7 7 9 2 0 . 0 2 3 . 5 0 1 2 . 3 0 2 3 7 9 2 0 . 7 5 2 3 . 2 0 1 3 . 0 0 2 9 7 9 2 0 . 0 2 1 . 0 0 1 1 . 5 0 3 0 7 9 2 0 5 1 2 2 5 0 1 1 . 0 0 3 i 2 5 4 - < E C C . . . . C C C C C O C O O O O C O O O C C O D ' C C Q 3 8 8 3 3 8 3 3 8 3 3 3 8 3 3 8 3 8 3 3 3 3 3 3 8 3 8 8 3 2 5 5 0 . 0 1 8 . 3 0 D a y M o n t h Y e a r P r e e i p M a x . T e n . M i n . T 3 3 1 9 . S o l a r E l R a d i a t i o n 2 9 8 9 2 0 . 2 5 1 8 . 4 0 1 3 . 6 0 2 5 3 . 0 2 0 . 0 3 0 8 9 2 0 . 0 2 0 . 1 0 6 . 9 0 4 8 9 . 1 4 0 . 0 3 1 8 9 2 0 . 0 2 0 . 1 0 3 . 2 0 5 1 4 . 4 8 0 . 0 1 9 9 2 1 3 . 9 7 1 7 . 9 0 1 0 . 0 1 3 1 . 1 3 3 . 4 8 2 9 9 2 0 . 2 5 2 4 . 9 0 1 1 . 8 0 3 7 6 . 9 8 0 . 0 3 9 9 2 0 . 0 2 2 . 1 ! ) 6 . 7 0 4 9 7 . 4 1 0 . 0 4 9 9 2 0 . 2 5 2 6 . “ ) 1 4 . 8 0 3 7 8 . 5 3 0 . 0 5 9 9 2 6 . 3 5 2 4 . 9 0 1 3 . “ ) 4 2 6 . 6 4 3 . 5 7 ‘ 6 9 9 2 0 . 0 2 1 . 8 0 6 . 1 0 3 8 9 . 2 2 0 . 0 7 9 9 2 2 . 2 9 1 6 . 3 0 7 . 6 0 1 2 9 . 7 4 0 . 0 1 8 9 9 2 6 . 3 5 1 6 . 6 0 2 . 2 0 3 8 3 . 1 9 0 . 0 9 9 9 2 0 . 7 6 1 7 . 8 0 8 . 6 0 3 5 9 . 0 5 0 . 0 1 0 9 9 2 0 . 2 5 1 7 . 8 0 6 . 4 0 4 0 9 . 4 8 0 . 0 1 1 9 9 2 0 . 0 2 4 . 2 0 5 . 3 0 4 5 3 . 7 9 0 . 0 1 2 9 9 2 0 . 0 2 2 . 7 0 1 3 . 4 0 2 6 7 . 8 4 0 . 0 1 3 9 9 2 0 . 0 2 4 . 4 0 1 0 . 4 0 3 7 8 . 9 7 0 . 0 1 4 9 9 2 0 . 0 2 2 . 8 0 6 . 7 0 4 1 4 . 5 7 0 . 0 1 5 9 9 2 1 . 2 7 2 3 . 9 0 1 0 . 6 0 1 3 7 . 9 3 0 . 0 5 1 6 9 9 2 0 . 0 2 5 . 8 0 1 0 . 5 0 2 2 0 . 6 0 0 . 0 1 7 9 9 2 0 . 2 5 1 4 . 6 0 9 . 7 0 1 5 5 . 5 2 0 . 0 1 8 9 9 2 0 . 2 4 1 4 . 1 0 2 . 2 0 3 5 3 . 8 8 0 . 0 1 9 9 9 2 0 . 0 2 0 . 6 0 1 . 9 0 3 9 1 . 5 5 0 . 0 I 2 0 9 9 2 0 . 0 2 6 . 3 0 8 . 3 0 4 2 6 . 2 1 0 . 0 2 1 9 9 2 0 . 0 2 1 . 7 0 3 . 0 0 4 1 6 . 7 6 0 . 0 2 2 9 9 2 0 . 0 1 3 . 8 0 ~ 1 1 ! ) 4 2 6 . 9 8 0 . 0 2 3 9 9 2 0 . 0 2 5 . 1 0 5 . 4 0 4 0 5 . 8 6 0 . 0 2 4 9 9 2 0 . 0 2 5 . 1 0 1 3 . 2 0 4 0 1 . 7 2 0 . 0 - 2 5 9 9 2 0 . 0 2 4 . 8 0 1 0 . 8 0 3 7 9 . 8 3 0 . 0 2 6 9 9 2 3 . 6 0 3 2 0 . 4 3 0 . 0 2 5 6 1 . 5 2 1 . 2 0 D a y M o n a : Y e a r P r e e i p M a x . T e m p . M i n . T e a m . S o l a r 8 1 1 1 . 5 1 . 1 1 5 5 2 7 9 9 2 0 . 0 2 1 . 5 0 0 3 0 3 2 1 5 5 0 . 0 2 3 9 9 2 0 . 0 1 2 . 4 0 . 2 3 0 4 0 5 . 5 5 0 . 0 2 9 9 9 2 0 . 0 2 2 . 9 0 . 1 5 0 3 5 3 . 4 5 0 . 0 . 3 0 9 9 2 0 . 0 2 7 . 5 0 4 . 5 0 3 3 5 . 0 9 0 . 0 g 1 1 0 9 2 0 . 0 3 1 . 5 0 2 5 0 3 9 1 . 9 0 0 . 0 2 1 0 9 2 0 . 0 3 0 . 2 0 3 . 3 0 3 7 3 . 9 7 0 . 0 3 1 0 9 2 0 . 0 2 2 . 3 0 2 . 3 0 3 7 7 5 0 0 . 0 g 4 1 0 9 2 0 . 0 2 1 . 5 0 3 . 2 0 3 5 5 . 3 5 0 . 0 . 1 5 1 0 9 2 0 . 0 2 4 . 5 0 1 0 . 3 0 2 3 9 3 1 0 . 0 5 1 0 9 2 0 . 0 1 2 . 2 0 4 5 0 2 1 5 . 2 9 0 . 0 7 1 o 9 2 4 3 2 9 . 5 0 5 3 0 7 2 . 9 3 0 . 7 2 i 3 1 0 9 2 5 . 0 9 1 0 . 4 0 5 3 0 7 4 . 0 5 0 . 0 2 9 1 0 9 2 0 . 0 1 1 . 0 0 5 . 1 0 5 7 5 0 0 . 0 . 1 0 1 0 9 2 0 . 0 1 4 . 1 0 0 7 0 3 0 0 . 5 9 0 . 0 i 1 1 1 0 9 2 0 . 0 2 1 . 1 0 . 3 . 7 0 3 0 3 . 7 9 0 . 0 1 2 1 0 9 2 0 . 0 1 2 . 0 0 3 5 0 3 2 2 . 3 3 0 . 0 1 3 1 0 9 2 0 . 0 1 1 . 3 0 0 3 0 2 5 3 . 4 5 0 . 0 1 4 1 0 9 2 0 . 0 5 . 2 0 3 . 4 0 2 1 5 3 4 0 . 0 1 5 1 0 9 2 0 . 0 5 . 5 0 5 . 9 0 1 5 7 5 9 0 . 0 1 5 1 0 9 2 - 3 . 2 0 1 3 4 5 7 0 . 0 B I B L I O G R A P H Y A b b o t t , M . B . , L C . B a t h u r s t , L A . C u n g e , P . E . O ’ C o n n e l l a n d L R a s m u s s e n . 1 9 8 6 . “ A n I n t r o d u c t i o n t o t h e E u r o p e a n H y d r o l o g i c a l S y s t e m ( S y s t e m e H y d r o l o g i q u e E u r o p e e n : S H E ) , 2 : S t r u c t u r e o f a P h y s i c a l l y - B a s e d , D i s t r i b u t e d M o d e l i n g S y s t e m ” . J o u r n a l o f H y d r o l o g y . 8 7 : 6 1 - 7 7 . A h a , A . V . , L E . M o p c r o f t a n d L D . U l l m a n . 1 9 8 3 . D a t a S t r u c t u r e s a n d A l g o r i t h m s . A d d i s o n - W e s l e y . R e a d i n g , M a s s a c h u s e t t s . A h u j a , L . R . 1 9 8 2 . ” R e l e a s e o f a S o l u b l e C h e m i c a l f r o m S o i l t o R u n o f f ” . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 5 : 9 4 8 - 9 5 6 . A l b e r t s , E . E . , M . A . W e l t z a n d F . G h i d e y . 1 9 8 9 a . ” P l a n t G r o w t h C o m p o n e n t ” . U S D A - W a t e r E r o s i o n P r e d i c t i o n P r o j e c t : H i l l s l o p e P r o fi l e M o d e l D o c u m e n t a t i o n . , L . L L a n e a n d M . A . N e a r i n g ( e d s ) . N S E R L R e p o r t N o . 2 . U S D A - A R S N a t i o n a l S o i l E r o s i o n R e s e a r c h L a b o r a t o r y . W e s t L a f a y e t t e , I n d i a n a . 8 . 1 - 8 . 3 8 . A l b e r t s , E . E . , L M . L a fl e n , W . L R a w l s , L R . S i m a n t o n a n d M . A . N e a r i n g . 1 9 8 9 b . " S o i l C o m p o n e n t ” . U S D A - W a t e r E r o s i o n P r e d i c t i o n P r o j e c t : H i l l s l o p e P r o fi l e M o d e l D o c u m e n t a t i o n . L . L L a n e a n d M . A . N e a r i n g ( e d s ) . N S E R L R e p o r t N o . 2 . U S D A - A R S N a t i o n a l S o i l E r o s i o n R e s e a r c h L a b o r a t o r y . W e s t L a f a y e t t e , I n d i a n a . 6 . l - 6 . 1 5 . A l l e r , L . , T . B e n n e t t , L H . L e h r , R . L P e t t y a n d G . H a c k e t t . 1 9 8 7 . D R A S T I C : A S t a n d a r d i z e d S y s t e m f o r E v a l u a t i n g G r o u n d W a t e r P o l l u t i o n P o t e n t i a l U s i n g H y d r o g e o l o g i c S e t t i n g s . E P A / 6 0 0 / 2 - 8 7 / 0 3 5 . E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n A g e n c y . A d a , O k l a h o m a . A r n o l d , L G . , L R . W i l l i a m s , A . D . N i c k s a n d N . B . S a m m o n s . 1 9 9 0 . S W R B B : A B a s i n S e a l e S i m u l a t i o n M o d e l f o r S o i l a n d W a t e r R e s o u r c e s M a n a g e m e n t . T e x a s A & M P r e s s . A s h o f , M . S . a n d D . K . B o r a h . 1 9 9 2 . ” M o d e l i n g P o l l u t a n t T r a n s p o r t i n R u n o f f a n d S e d i m e n t ” . T r a n s a c t i o n s A S A E . 3 5 ( 6 ) : 1 7 8 9 - 1 7 9 7 . A s s o c i a t e d P r e s s . S e p t . 3 , 1 9 9 3 . ” P l a n W o u l d M e r g e a n d P u r g e D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e ” . 2 5 7 2 5 8 B a g n o l d , R . A . 1 9 6 6 . ” A n A p p r o a c h t o t h e S e d i m e n t T r a n s p o r t P r o b l e m F r o m G e n e r a l P h y s i c s “ . U S G S P r o f e s s i o n a l P a p e r . 4 2 2 - 1 . B a i l e y , G . W . , R . R . S w a n k a n d H . P . N i c h o l s o n . 1 9 7 4 . ” P r e d i c t i n g P e s t i c i d e R u n o f f f r o m A g r i c u l t u r a l L a n d s : A C o n c e p t u a l M o d e l ” . J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a l Q u a l i t y . 3 : 9 5 - 1 0 2 . B a n d , L E . 1 9 8 6 . ” T o p o g r a p h i c P a r t i t i o n o f W a t e r s h e d s w i t h D i g i t a l E l e v a t i o n M o d e l s ” . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 2 ( 1 ) : 1 5 - 2 4 . B a u m e r , O . 1 9 8 9 . P e r s o n a l C o m m u n i c a t i o n . i n : ” S o i l C o m p o n e n t ” . 6 . 1 - 6 . 1 5 . U S D A - W a t e r E r o s i o n P r e d i c t i o n P r o j e c t : H i l l s l o p e P r o fi l e M o d e l D o c u m e n t a t i o n . L . L L a n e a n d M . A . N e a r i n g ( e d s ) . N S E R L R e p o r t N o . 2 . U S D A - A R S N a t i o n a l S o i l E r o s i o n R e s e a r c h L a b o r a t o r y . W e s t L a f a y e t t e , I n d i a n a . B e a s l e y , D . B , L . F . H u g g i n s a n d E R M o n k e . 1 9 8 0 . A N S W E R S : A M o d e l f o r W a t e r s h e d P l a n n i n g . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 3 ( 4 ) : 9 3 8 - 9 4 4 . B e n n e t t , L P . 1 9 7 4 . “ C o n c e p t s o f M a t h e m a t i c a l M o d e l i n g o f S e d i m e n t Y i e l d " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 1 0 ( 3 ) : 4 8 5 - 4 9 2 . B e t s o n , R . P . 1 9 6 4 . ” W h a t i s W a t e r s h e d R u n o f f ? " . J o u r n a l o f G e o p h y s i c a l R e s e a r c h . 6 9 : 1 5 4 1 - 1 5 5 2 . ' B e v e n , K 1 9 9 3 . ” P r o p h e c y , R e a l i t y a n d U n c e r t a i n t y i n D i s t r i b u t e d H y d r o l o g i c M o d e l i n g " . A d v a n c e s i n W a t e r R e s o u r c e s . 1 6 ( 1 ) : 4 1 - 5 2 . B e v e n , K . 1 9 8 9 . ” C h a n g i n g I d e a s i n H y d r o l o g y : T h e C a s e o f P h y s i c a l l y - B a s e d M o d e l s ” . J o u r n a l o f H y d r o l o g y . 1 0 5 : 1 5 7 - 1 7 2 . B e v e n , K . 1 9 8 5 . ” D i s t r i b u t e d M o d e l s ” . H y d r o l o g i c a l F o r e c a s t i n g . M . G . A n d e r s o n a n d T . P . B u r t ( e d s ) . J o h n W i l e y & S o n s . N e w Y o r k . 4 0 5 - 4 3 7 . B i n g e r , R . L . , C . E . M u r p h r e e a n d C . K . M u t c h l e r . 1 9 8 9 . ” C o m p a r i s o n o f S e d i m e n t Y i e l d M o d e l s o n W a t e r s h e d s i n M i s s i s s i p p i ” . T r a n s a c t i o n s A S A E . 3 2 ( 2 ) : 5 2 9 - 5 3 4 . B o d m a n . G B a n d E A . C o l e m a n . 1 9 4 4 . ” M o i s t u r e a n d E n e r g y C o n d i t i o n s D u r i n g D o w n w a r d E n t r y o f W a t e r i n t o S o i l s ” . S o i l S c i e n c e S o c i e t y o f A m e r i c a P r o c e e d i n g . 8 : 1 1 6 - 1 2 2 . B o l a n , N . S . , N . L B a r r o w a n d A . M . P o s n e r . 1 9 8 5 . “ D e s c r i b i n g t h e E f f e c t o f T i m e o n S o r p t i o n o f P h o s p h a t e b y I r o n a n d A l u m i n u m H y d r o x i d e s " . J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e . 3 6 ( 2 ) : 1 8 7 - 1 9 7 . 2 5 9 B o r g , H . a n d D . W . W i l l i a m s . 1 9 8 6 . ” D e p t h D e v e l o p m e n t o f R o o t s w i t h T i m e : A n E m p i r i c a l D e s c r i p t i o n ” . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 9 ( 1 ) : 1 9 4 - 1 9 7 . B o y e r , L M . 1 9 9 3 . ” A n O b j e c t - O r i e n t e d A p p r o a c h t o G e n e r a l P u r p o s e R i v e r B a s i n M a n a g e m e n t ” . P r o m d i n g s o f t h e F e d e r a l I n t e r a g e n c y W o r k s h o p o n H y d r o l o g i c M o d e l i n g : D e m a n d s f o r t h e 9 0 ’ s . U S G S W a t e r - R e s o u r c e s I n v e s t i g a t i o n s R e p o r t 9 3 - 4 0 1 8 . 4 . 1 6 - 4 . 2 1 . B r a d e n , J . a n d D . U c h t m a n n . 1 9 8 5 . ” A g r i c u l t u r a l N o n p o i n t P o l l u t i o n C o n t r o l : A n A s s e s s m e n t ” . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 4 0 ( 1 ) : 2 3 - 2 6 . B r a k e n s i e k , D . L . , W . L R a w l s a n d G R . S t e p h e n s o n . 1 9 8 6 . “ D e t e r m i n i n g t h e S a t u r a t e d H y d r a u l i c C o n d u c t i v i t y o f a S o i l C o n t a i n i n g R o c k F r a g m e n t s ” . S o i l S c i e n c e S o c i e t y o f A m e r i c a J o u r n a l . 5 0 : 8 3 4 - 8 3 5 . B r a k e n s i e k , D . L . , R . L . E n g l e m a n a n d W . L R a w l s . 1 9 8 1 . ” V a r i a t i o n W i t h i n T e x t u r e C l a s s e s o f S o i l W a t e r P a r a m e t e r s " . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 4 ( 2 ) : 3 3 5 - 3 3 9 . B r a k e n s i e k . D . L . 1 9 6 6 . " H y d r o d y n a m i c s o f O v e r l a n d F l o w a n d N o n p r i s m a t i c C h a n n e l s ” . T r a n s a c t i o n s A S A E . 9 ( 1 ) : 1 1 9 - 1 2 2 . B r o o k s , R . H . a n d A . T . C o r e y . 1 9 6 4 . ” H y d r a u l i c P r o p e r t i e s o f P o r o u s M e d i a ” . H y d r o l o g y P a p e r 3 . C o l o r a d o S t a t e U n i v e r s i t y . F o r t C o l l i n s , C o l o r a d o . C e n t e r f o r R e s o u r c e E c o n o m i c s . 1 9 9 0 . 1 9 9 0 F a r m B i l l : E n v i r o n m e n t a l a n d C o n s u m e r P r o v i s i o n s . V o l u m e 1 : S t a t u t o r y L a n g u a g e . I s l a n d P r e s s . W a s h i n g t o n D . C . C h i e n , S . H . a n d W . R . C l a y t o n . 1 9 8 0 . " A p p l i c a t i o n o f E l o v i c h E q u a t i o n t o t h e K i n e t i c s o f P h o s p h a t e R e l e a s e a n d S o r p t i o n i n S o i l s " . S o i l S c i e n c e S o c i e t y o f A m e r i c a J o u r n a l . 4 ( 2 ) : 2 6 5 - 2 6 8 . C h o r l e y , R . L 1 9 7 8 . “ T h e H i l l s l o p e H y d r o l o g i c a l C y c l e ” . H i l l s l o p e H y d r o l o g y . M . L K i r k b y ( e d ) . J o h n W i l e y & S o n s . N e w Y o r k . 1 - 3 2 . C h o w , V . T . , D . R . M a i d m e n t a n d L . W . M a y s . 1 9 8 8 . A p p l i e d H y d r o l o g y . M c G r a w H i l l . N e w Y o r k . C h u , S . T . 1 9 7 8 . “ I n fi l t r a t i o n D u r i n g a n U n s t e a d y R a i n ” . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 1 4 ( 3 ) : 4 6 1 - 4 6 6 . C l a r k , E . H . , L A . H a v e r k a m p a n d W . C h a p m a n . 1 9 8 5 . E r o d i n g S o i l s : T h e O f f - F a r m I m p a c t s . T h e C o n s e r v a t i o n F o u n d a t i o n . 2 6 0 C r a w f o r d , N . H . a n d A . S . D o n i g i a n . 1 9 7 3 . P e s t i c i d e T r a n s p o r t a n d R u n o f f M o d e l f o r A g r i c u l t u r a l l a n d s . O f fi c e o f R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t . U S E P A . E P A - 6 0 0 / 2 - 7 4 - 0 1 3 . C r o n s h e y , R . G . , F . D . T h e u r e r a n d R . L . G l e n n . 1 9 9 3 . ” G I S - W a t e r Q u a l i t y C o m p u t e r M o d e l I n t e r f a c e : A P r o t o t y p e ” . P r o c e e d i n g s , G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . B r e c k e n r i d g e , C o l o r a d o . C r o w d e r , B . M . , M . O . R i b a u d o a n d C . E . Y o u n g . 1 9 8 8 . A g r i c u l t u r e a n d W a t e r Q u a l i t y . U S D A - E R S . A g . I n f o . B u l l e t i n N o . 5 4 8 . W a s h i n g t o n D . C . D a n i e l , T . C . , D . R . E d w a r d s a n d A N . S h a r p l e y . 1 9 9 3 . ” E f f e c t o f E x t r a c t a b l e S o i l S u r f a c e P h o s p h o r u s o n R u n o f f W a t e r Q u a l i t y " . T r a n s a c t i o n s A S A E . 3 6 ( 4 ) : 1 0 7 9 - 1 0 8 5 . D a w e s , W . R . a n d D . L . S h o r t . 1 9 8 8 . T O P O G : S e r i e s T o p o g r a p h i c A n a l y s i s a n d C a t c h m e n t D r a i n a g e M o d e l i n g P a c k a g e . A u s t r a l i a n C e n t r e o f C a t c h m e n t H y d r o l o g y . C S I R O D i v i s i o n o f W a t e r R e s o u r c e s . C a n b e r r a , A u s t r a l i a . D i l l a h a , T . A . a n d D B . B e a s l e y . 1 9 8 3 . ” D i s t r i b u t e d P a r a m e t e r M o d e l i n g o f S e d i m e n t M o v e m e n t a n d P a r t i c l e S i z e D i s t r i b u t i o n ” . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 6 ( 6 ) : 1 7 6 6 - 1 7 7 2 . D i s s m e y e r , G E . a n d G R . F o s t e r . 1 9 8 1 . ” E s t i m a t i n g t h e C o v e r - M a n a g e m e n t F a c t o r ( C ) i n t h e U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n o f F o r e s t C o n d i t i o n s ” . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 3 6 ( 4 ) : 2 3 5 - 2 4 0 . D j o k i c , D . 1 9 9 3 . ” T o w a r d s G e n e r a l P u r p o s e S p a t i a l D e c i s i o n S u p p o r t S y s t e m U s i n g E x i s t i n g T e c h n o l o g i e s ” . P r o c e e d i n g s , G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . B r e c k e n r i d g e , C o l o r a d o . D o n i g i a n , A . S . a n d N . H . C r a w f o r d . 1 9 7 6 . M o d e l i n g N o n p o i n t P o l l u t i o n f r o m t h e I a n d S u r f a c e . O f fi c e o f R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t . U S E P A . E P A - 6 0 0 / 3 - 7 6 - 0 8 3 . D u n n e , T . , T . R . M o o r e a n d C . H . T a y l o r . 1 9 7 5 . ” R e c o g n i t i o n a n d P r e d i c t i o n o f R u n o f f P r o d u c i n g Z o n e s i n H u m i d R e g i o n s " . H y d r o l o g i c S c i e n c e B u l l e t i n . 2 0 : 3 0 5 - 3 2 7 . E l l i s o n , W . D . 1 9 4 7 . ” S o i l E r o s i o n S t u d i e s ” . A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n g . 2 8 : 1 4 5 - 1 4 6 . E m m e r i c h , W . E . , D . A . W o o l h i s e r a n d E D . S h i r l e y . 1 9 8 9 . “ C o m p a r i s o n o f L u m p e d a n d D i s t r i b u t e d M o d e l s f o r C h e m i c a l T r a n s p o r t o f S u r f a c e R u n o f f ” . J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a l Q u a l i t y . 1 8 : 1 2 0 - 1 2 6 . 2 6 1 E m m e t t , W . W . 1 9 7 8 . " O v e r l a n d F l o w ” . H i l l s l o p e H y d r o l o g y . M . J . K i r k b y ( e d ) . J o h n W i l e y & S o n s . N e w Y o r k . 1 4 5 - 1 7 7 . E n g e l , B . A . 1 9 9 3 a . “ M e t h o d o l o g i e s f o r D e v e l o p m e n t o f H y d r o l o g i c R e s p o n s e U n i t s B a s e d o n T e r r a i n , L a n d C o v e r a n d S o i l s D a t a “ . P r o c e e d i n g s , G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . B r e c k e n r i d g e , C o l o r a d o . E n g e l , B . A . , R . S r i n i v a s a n a n d C . R e w e r t s . 1 9 9 3 b . " A S p a t i a l D e c i s i o n S u p p o r t S y s t e m f o r M o d e l i n g a n d M a n a g i n g A g r i c u l t u r a l N o n p o i n t S o u r c e P o l l u t i o n ” . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . M . F . G o o d c h i l d , B . O . P a r k s a n d L T . S t e y a e r t ( e d s ) . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s . O x f o r d . 2 3 1 - 2 3 7 . E S R I . 1 9 9 1 . U s e r s M a n u a l . E n v i r o n m e n t a l S y s t e m s R e s e a r c h I n s t i t u t e . R e d l a n d s , C a l i f o r n i a . E v a n s , B . M a n d W . L . M y e r s . 1 9 9 0 . ” A G I S - B a s e d A p p r o a c h t o E v a l u a t i n g R e g i o n a l G r o u n d w a t e r P o l l u t i o n P o t e n t i a l w i t h D R A S T I C " . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 4 5 ( 2 ) : 2 4 2 - 2 4 5 . F a i r fi e l d , J . a n d P . L e y m a i r e . 1 9 9 1 . “ D r a i n a g e N e t w o r k s f r o m G r i d D i g i t a l E l e v a t i o n M o d e l s ” . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 7 : 7 0 9 - 7 1 7 . F o s t e r , G . R . , G . A . W e e s i e s , K . G . R e n a r d , L P . P o r t e r a n d D . C Y o d e r . 1 9 9 1 . ” C o n s e r v a t i o n P r a c t i c e F a c t o r ” . P r e d i c t i n g S o i l E r o s i o n b y W a t e r : A G u i d e t o C o n s e r v a t i o n P l a n n i n g w i t h t h e R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n ( R U S L E ) . U S D A - A R S . F o s t e r , G . R . , L . J . I a n e , M . A . N e a r i n g , S . C . F i n k n e r a n d D . C . F l a n a g a n . 1 9 8 9 . “ E r o s i o n C o m p o n e n t “ . U S D A - W a t e r E r o s i o n P r e d i c t i o n P r o j e c t : H i l l s l o p e P r o fi l e M o d e l D o c u m e n t a t i o n . L . J . L a n e a n d M . A . N e a r i n g ( e d s ) . N S E R L R e p o r t N o . 2 . U S D A - A R S N a t i o n a l S o i l E r o s i o n R e s e a r c h L a b o r a t o r y . W e s t L a f a y e t t e , I n d i a n a . 1 0 . 1 - 1 0 . l 2 . - F o s t e r , G . R . 1 9 8 2 . ” M o d e l i n g t h e E r o s i o n P r o c e s s “ . H y d r o l o g i c M o d e l i n g o f S m a l l W a t e r s h e d s . C . T . H a a n , H . P . J o h n s o n a n d D . L . B r a k e n s i e k ( e d s ) . A S A E M o n o g r a p h N o . 5 . S t . J o s e p h , M i c h i g a n . 2 9 7 - 3 8 2 . F o s t e r , G . R . 1 9 8 1 . " T h e O v e r l a n d F l o w P r o c e s s U n d e r N a t u r a l C o n d i t i o n s ” . B i o l o g i e a l E f f e c t s i n t h e H y d r o l o g i c a l C y c l e . P r o c . o f t h e T h i r d I n t e r n a t i o n a l S e m i n a r f o r H y d r o l o g y P r o f e s s o r s . P u r d u e U n i v e r s i t y . W e s t I a f a y e t t e , I n d i a n a . 2 6 2 F o s t e r , G . R . , L . L I a n d , L D . N o w l i n , L M . L a fl e n a n d R . A . Y o u n g . 1 9 8 0 . " A M o d e l t o E s t i m a t e S e d i m e n t Y i e l d f r o m F i e l d - S i z e d A r e a s : D e v e l o p m e n t o f M o d e l " . C R E A M S : A F i e l d - S c a l e M o d e l f o r C h e m i c a l s , R u n o f f a n d E r o s i o n f r o m A g r i c u l t u r a l M a n a g e m e n t S y s t e m s . U S D A - A R S . C o n s e r v a t i o n R e s e a r c h R e p o r t N o . 2 6 . 3 6 - 6 4 . F o s t e r , G . R . , L . D . M e y e r a n d C . A . O n s t a d . 1 9 7 7 . " A R u n o f f E r o s i v i t y F a c t o r a n d V a r i a b l e S l o p e L e n g t h E x p o n e n t s f o r S o i l L o s s E s t i m a t e s " . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 0 ( 4 ) : 6 7 8 - 6 8 2 . F o s t e r , G . R . 1 9 7 6 . " S e d i m e n t a t i o n , G e n e r a l " . P r o c e e d i n g s o f t h e N a t i o n a l S y m p o s i u m o n U r b a n H y d r o l o g y , H y d r a u l i c s a n d S e d i m e n t C o n t r o l . U n i v e r s i t y o f K e n t u c k y , L e x i n g t o n . F o s t e r , G . R . a n d L . D . M e y e r . 1 9 7 2 . " A C l o s e d - F o r m S o i l E r o s i o n E q u a t i o n f o r U p l a n d A r e a s " . S e d i m e n t a t i o n : S y m p o s i u m t o H o n o r P r o f e s s o r H . A . E i n s t e i n . H . W . S h e n ( e d ) . F t . C o l l i n s , C O . F r e e m a n , G . T . 1 9 9 1 . " C a l c u l a t i n g C a t c h m e n t A r e a w i t h D i v e r g e n t F l o w B a s e d o n a R e g u l a r G r i d " . C o m p u t e r a n d G e o s c i e n c e s . 1 7 : 4 1 3 - 4 2 2 . F r e e z e , R . A . 1 9 7 4 . " S t r e a m fl o w G e n e r a t i o n " . R e v i e w s o f G e o p h y s i c s a n d S p a c e P h y s i c s . 1 2 ( 4 ) : 6 2 7 - 6 4 7 . F r e e z o r , D . R . , M . C . H i r s c h i a n d B . L L e s i k a r . 1 9 8 9 . " E f f e c t o f C e l l S i z e o n A G N P S P r e d i c t i o n " . A S A E P a p e r N o . 8 9 - 2 6 6 2 . N e w O r l e a n s , L o u i s i a n a . F r e r e , M . H . , L D . R o s s a n d L L L a n e . 1 9 8 0 . " T h e N u t r i e n t S u b m o d e l " . C R E A M S : A F i e l d - S c a l e M o d e l f o r C h e m i c a l s , R u n o f f a n d E r o s i o n f r o m A g r i c u l t u r a l M a n a g e m e n t S y s t e m s . U S D A - A R S . C o n s e r v a t i o n R e s e a r c h R e p o r t N o . 2 6 . 6 5 - 8 7 . F r e r e , M . H . , C . A . O n s t a d a n d H . N . H o l t o n . 1 9 7 5 . A C T M O : A n A g r i c u l t u r a l C h e m i c a l T r a n s p o r t M o d e l . A R S - H - 3 . A g r i c u l t u r a l R e s e a r c h S e r v i c e , U S D A . W a s h i n g t o n D . C . G a o , X . , S . S o r o o s h i a n a n d D . C . G o o d r i c h . 1 9 9 3 . " L i n k a g e o f a G I S t o a D i s t r i b u t e d R a i n f a l l - R u n o f f M o d e l " . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . M . F . G o o d c h i l d , B . O . P a r k s a n d L T . S t e y a e r t ( e d s ) . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s . O x f o r d . 1 8 2 - 1 8 7 . G h e b r e i y e s s u s , Y . a n d J . M . G r e g o r y . 1 9 8 7 . " C r o p C a n o p y F u n c t i o n s f o r S o i l E r o s i o n P r e d i c t i o n " . T r a n s a c t i o n s A S A E 3 0 ( 3 ) : 6 7 6 - 6 8 2 . 2 6 3 G o o d c h i l d , M . F . 1 9 9 3 . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . M . F . G o o d c h i l d , B . O . P a r k s a n d L T . S t e y a e r t ( e d s ) . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s . G o o d r i c h , D . C . , W o o l h i s e r , D . A . a n d K e e f e r , T . O . 1 9 9 1 . " K i n e m a t i c R o u t i n g U s i n g F i n i t e E l e m e n t s o n a T r i a n g u l a r I r r e g u l a r N e t w o r k " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 7 ( 6 ) : 9 9 5 - 1 0 0 3 . G r a y s o n , R . B . , I . D . M o o r e a n d T . A . M c M a h o n . 1 9 9 2 a . " P h y s i c a l l y - B a s e d H y d r o l o g i c M o d e l i n g - 1 1 : I s t h e C o n c e p t R e a l i s t i c ? " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 6 ( 1 0 ) : 2 6 5 9 - 2 6 6 6 . G r a y s o n , R . B . , L D . M o o r e a n d T . A . M c M a h o n . 1 9 9 2 b . " P h y s i c a l l y - B a s e d H y d r o l o g i c M o d e l i n g - I : A T e r r a i n - B a s e d M o d e l f o r I n v e s t i g a t i v e P u r p o s e s " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 6 ( 1 0 ) : 2 6 3 9 - 2 6 5 8 . G r e e n , W . H . a n d G A . A m p t . 1 9 1 1 . " S t u d y o f S o i l P h y s i c s : 1 . F l o w o f A i r a n d W a t e r T h r o u g h S o i l s " . J o u r n a l A g r i c u l t u r a l S c i e n c e . 4 : 1 - 2 4 . G r i n e r , A . J . 1 9 9 3 . D e v e l o p m e n t o f a W a t e r S u p p l y P r o t e c t i o n M o d e l i n a G I S . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d W a t e r R e s o u r c e s , P r o c w d i n g s . L M . H a r l i n a n d K . L L a n f e a r ( e d s ) . A W R A . B e t h e s d a , M a r y l a n d . 3 7 1 - 3 7 8 . H a i t h , D . A . a n d L L . S h o e m a k e r . 1 9 8 7 . " G e n e r a l i z e d W a t e r s h e d L o a d i n g F u n c t i o n s f o r S t r e a m F l o w N u t r i e n t s " . W a t e r R e s o u r c e s B u l l e t i n . 2 3 ( 3 ) : 4 7 1 - 4 7 8 . H a l l i d a y , S . L . a n d M . L . W o l f e . 1 9 9 1 . " A s s e s s i n g G r o u n d W a t e r P o l l u t i o n P o t e n t i a l f r o m N i t r o g e n F e r t i l i z e r U s i n g a G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m " . W a t e r R e s o u r c e s B u l l e t i n . 2 7 ( 2 ) : 2 3 7 - 2 4 5 . H a m e d , K . a n d B A . E n g e l . 1 9 9 3 . " S o i l E r o s i o n E s t i m a t i o n W i t h i n t h e A n i m a l S c i e n c e W a t e r s h e d " . C l a s s R e p o r t f o r A G E N 5 2 6 . A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t . P u r d u e U n i v e r s i t y . W e s t I a f a y e t t e , I n d i a n a . H a r n l e t t , L M . a n d G . W . P e t e r s e n . 1 9 9 2 . " G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s f o r N o n p o i n t P o l l u t i o n R a n k i n g o f W a t e r s h e d " . W a t e r R e s o u r c e s U p d a t e . T h e U n i v e r s i t i e s C o u n c i l o f W a t e r R e s o u r c e s . 8 7 : 2 1 - 2 5 . H a r l i n , J . M . a n d K J . L a n f e a r ( e d s ) . 1 9 9 3 . S y m p o s i u m o n G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d W a t e r R e s o u r c e s . A W R A T e c h . P u b ] . S e r i e s . T P S - 9 3 - l . B e t h e s d a , M a r y l a n d . 2 6 4 H e a m e , G . A . , M . W i r e m a n , A . C a m p b e l l , S . T u r n e r a n d G P . I n g e r s o l l . 1 9 9 1 . V u l n e r a b i l i t y o f G r o u n d W a t e r i n t h e G r e a t e r D e n v e r A r e a . U S G S . W a t e r R e s o u r c e s I n v e s t i g a t i o n s R e p o r t 9 1 - 4 1 4 3 . D e n v e r , C o l o r a d o . H e n d e r s o n , R M . a n d R . A . W o o d i n g . 1 9 6 5 . " O v e r l a n d F l o w a n d G r o u n d w a t e r F l o w f r o m a S t e a d y R a i n f a l l o f I n fi n i t e D u r a t i o n " . J o u r n a l G e 0 p h y s i c a l R e s e a r c h . 6 9 ( 8 ) : 1 5 3 1 - 1 5 3 9 . H e s s i o n , C . W . a n d V . O . S h a n h o l t z . 1 9 8 8 . " A G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m f o r T a r g e t i n g N o n p o i n t S o u r c e A g r i c u l t u r a l P o l l u t i o n " . J o u r n a l o f W a t e r C o n s e r v a t i o n . 4 3 ( 3 ) : 2 6 4 - 2 6 6 . H e w l e t t , L D a n d A . R . H i b b e r t . 1 9 6 7 . " F a c t o r s A f f e c t i n g t h e R e s p o n s e o f S m a l l W a t e r s h e d s t o P r e c i p i t a t i o n i n H u m i d A r e a s " . P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n F o r e s t H y d r o l o g y . P e n n s y l v a n i a S t a t e U n i v e r s i t y . P e r g a m o n . H j e l m f e l t , A . T . a n d C R . A m e r m a n . 1 9 8 0 . " T h e M a t h e m a t i c a l B a s i n M o d e l o f M e r r i l l B e n a r d " . P r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n t h e H y d r o l o g i c a l R e g i m e . H e l s i n k i . A I S H P u b ] . N o . 1 3 0 . H o l t a n , H . N , G . J . S t i l t n e r , W . H . H e n s o n a n d N . C . L o p e z . 1 9 7 5 . U S D A H L - 7 4 M o d e l o f W a t e r s h e d H y d r o l o g y . U S D A - A R S T e c h . B u l l . N o . 1 5 1 8 . W a s h i n g t o n D . C . H o l t a n , H . N . a n d N . C . L o p e z . 1 9 7 1 . U S D A H L - 7 0 M o d e l o f W a t e r s h e d H y d r o l o g y . U S D A T e c h n i c a l B u l l e t i n 1 4 3 5 . W a s h i n g t o n D . C . H o l t o n , H . N . 1 9 6 1 . A C o n c e p t f o r I n fi l t r a t i o n E s t i m a t e s i n W a t e r s h e d E n g i n e e r i n g . U S D A B u l l e t i n . W a s h i n g t o n D . C . H o o g e n b o o m , G . , L W . W h i t e , L W . J o n e s a n d D J . B o o t e . 1 9 9 0 . B E A N G R O V e r s i o n 1 . 0 0 : D r y B e a n C r o p G r o w t h S i m u l a t i o n M o d e l U s e r ’ s G u i d e . U n i v e r s i t y o f F l o r i d a , F l o r i d a A g r i c u l t u r a l E x p e r i m e n t S t a t i o n J o u r n a l N o . N - 0 0 3 7 9 . G a i n e s v i l l e , F l o r i d a . H o r t o n , R E . 1 9 3 3 . " T h e R o l e o f I n fi l t r a t i o n i n t h e H y d r o l o g i c a l C y c l e " . T r a n s a c t i o n A m e r i c a n G e o p h y s i c a l U n i o n . 1 4 : 4 4 6 - 4 6 0 . H u g g i n s , L E a n d L R . B u r n e y . 1 9 8 2 . " S u r f a c e R u n o f f , S t o r a g e a n d R o u t i n g . H y d r o l o g i c M o d e l i n g o f S m a l l W a t e r s h e d s . C . T . H a a n , H . P . J o h n s o n a n d D . L . B r a k e n s i e k ( e d s ) . A S A E M o n o g r a p h N o . 5 . S t . J o s e p h , M i c h i g a n . 1 6 9 - 2 2 8 . H u t c h i n s o n , D E . a n d H . W . P r i t c h a r d . 1 9 7 6 . " R e s o u r c e C o n s e r v a t i o n G l o s s a r y " . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 3 1 ( 4 ) . 2 6 5 I n g r a m , L J a n d D . A . W o o l h i s e r . 1 9 8 1 . " C h e m i c a l T r a n s f e r i n t o O v e r l a n d F l o w " . P r o c e e d i n g s A S C E S y m p o s i u m o f W a t e r s h e d M a n a g e m e n t . B o i s e , I d a h o . J e n s o n , S . K . a n d L O . D o m i n g u e . 1 9 8 8 . " E x t r a c t i n g T o p o g r a p h i c S t r u c t u r e f r o m D i g i t a l E l e v a t i o n M o d e l D a t a f o r G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m A n a l y s i s " . P h o t o g r a m e t r i c E n g i n e e r i n g a n d R e m o t e S e n s i n g . 5 4 : 1 5 9 3 - 1 6 0 0 . J o n e s , L W . , K . L B o o t e , G . H o o g e n b o o m , S . S . J a g t a p a n d G . G W i l k e r s o n . 1 9 8 9 . S O Y G R O V 5 . 4 2 : S o y b e a n C r o p G r o w t h S i m u l a t i o n M o d e l . U n i v e r s i t y o f F l o r i d a . F l o r i d a A g r i c u l t u r a l E x p e r i m e n t a l S t a t i o n J o u r n a l N o . 8 3 0 4 . G a i n e s v i l l e , F l o r i d a . K n i s e l , W . G ( e d ) . 1 9 8 0 . C R E A M S : A F i e l d - S c a l e M o d e l f o r C h e m i c a l s , R u n o f f a n d E r o s i o n f r o m A g r i c u l t u r a l M a n a g e m e n t S y s t e m s . U S D A - A R S . C o n s e r v a t i o n R e s e a r c h R e p o r t N o . 2 6 . l a n e , L L a n d M . A . N e a r i n g ( e d s ) . 1 9 8 9 . U S D A - W a t e r E r o s i o n P r e d i c t i o n P r o j e c t : H i l l s l o p e P r o fi l e M o d e l D o c u m e n t a t i o n . N S E R L R e p o r t N o . 2 . U S D A - A R S N a t i o n a l S o i l E r o s i o n R e s e a r c h L a b o r a t o r y . W e s t L a f a y e t t e , I n d i a n a . L a r s o n , C . L . , C . A . O n s t a d a n d H . H . R i c h a r d s o n . 1 9 8 2 . " S o m e P a r t i c u l a r W a t e r s h e d M o d e l s " . H y d r o l o g i c M o d e l i n g o f S m a l l W a t e r s h e d s . C . T . H a a n , H . P . J o h n s o n a n d D . L . B r a k e n s i e k ( e d s ) . A S A E M o n o g r a p h N o . 5 . S t . J o s e p h , M i c h i g a n . 4 1 0 - 4 3 6 . I a t t e n m a i e r , D . P . , E . H o o p e r , C . W a g o n e r a n d K . F a r i s . 1 9 9 1 . " T r e n d s i n S t r e a m Q u a l i t y i n t h e C o n t i n e n t a l U n i t e d S t a t e s : 1 9 7 8 - 1 9 8 7 " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . V o l 2 7 ( 3 ) : 3 2 7 - 3 3 9 . L e a v e s l e y , G . H . , P . L R e s t r e p o , L . G . S t a n n a r d a n d M . J . D i x o n . 1 9 9 3 . " T h e M o d u l a r H y d r o l o g i c M o d e l i n g S y s t e m : M I - I M S " . P r o c e e d i n g s o f t h e F e d e r a l I n t e r a g e n c y W o r k s h o p o n H y d r o l o g i c M o d e l i n g : D e m a n d s f o r t h e 9 0 ’ s . U S G S W a t e r - R e s o u r c e s I n v e s t i g a t i o n s R e p o r t 9 3 - 4 0 1 8 . 4 . 4 0 - 4 . 4 2 . L e e , D . , T . A D i l l a h a a n d L H . S h e r r a r d . 1 9 8 9 . " M o d e l i n g P h o s p h o r u s T r a n s p o r t i n G r a s s B u f f e r S t r i p s " . J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g . 1 5 ( 2 ) : 4 0 9 - 4 2 7 . L i g h t h i l l , F . R . a n d G B . W i t h a m . 1 9 5 5 . " O n K i n e m a t i c W a v e s : 1 , F l o o d M o v e m e n t i n L o n g R i v e r s " . P r o c e e d i n g s o f t h e R o y a l S o c i e t y o f L o n d o n . L o a g u e , K . M . a n d R . A . F r e e z e . 1 9 8 5 . " A C o m p a r i s o n o f R a i n f a l l - R u n o f f M o d e l i n g T e c h n i q u e s o n S m a l l U p l a n d C a t c h m e n t s " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 1 ( 2 ) : 2 2 9 - 2 4 8 . 2 6 6 L o u c k s , D . P . , J . K i n d l e r a n d K . F e d r a . 1 9 8 5 . " I n t e r a c t i v e W a t e r R e s o u r c e s M o d e l i n g a n d M o d e l U s e : a n O v e r v i e w " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 1 ( 2 ) : 1 3 1 - 1 4 2 . M a i d m e n t , D . R . 1 9 9 3 . G I S a n d H y d r o l o g i c M o d e l i n g . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . M . F . G o o d c h i l d , B . O . P a r k s a n d L T . S t e y a e r t ( e d s ) . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s . O x f o r d . 1 4 7 - 1 6 7 . M a i d m e n t , D . R . , D . D j o k i c a n d K . G . L a w r e n c e . 1 9 8 9 . " H y d r o l o g i c M o d e l i n g o n a T r i a n g u l a t e d I r r e g u l a r N e t w o r k " . T r a n s a c t i o n s A m e r i c a n G e o p h y s i c a l U n i o n . 7 0 : 1 0 9 1 - 1 0 9 9 . M a s s e y , H . F . a n d M . L . J a c k s o n . 1 9 5 2 . " S e l e c t i v e E r o s i o n o f S o i l F e r t i l i t y C o n s t i t u e n t s " . S o i l S c i e n c e S o c i e t y o f A m e r i c a P r o c e e d i n g s . 4 5 : 5 4 3 - 5 4 7 . M c C o o l , D . K . , G . R . F o s t e r a n d G . A . W e e s i e s . 1 9 9 1 . " S l o p e L e n g t h a n d S t e e p n e s s F a c t o r s " . P r e d i c t i n g S o i l E r o s i o n b y W a t e r : A G u i d e t o C o n s e r v a t i o n P l a n n i n g w i t h t h e R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n ( R U S L E ) . U S D A - A R S . M e i n , R . G . a n d C L . L a r s o n . 1 9 7 3 . " M o d e l i n g I n fi l t r a t i o n D u r i n g a S t e a d y R a i n " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 9 ( 2 ) : 3 8 4 - 3 9 4 . M e n z e l , R . G . 1 9 8 0 . " E n r i c h m e n t R a t i o s f o r W a t e r Q u a l i t y M o d e l i n g " . C R E A M S : A F i e l d - S c a l e M o d e l f o r C h e m i c a l s , R u n o f f a n d E r o s i o n f r o m A g r i c u l t u r a l M a n a g e m e n t S y s t e m s . U S D A - A R S . C o n s e r v a t i o n R e s e a r c h R e p o r t N o . 2 6 . 4 8 6 - 4 9 2 . M e y e r , L . D . , G . R . F o s t e r a n d M . J . R o m k e n s . 1 9 7 5 . " S o u r c e o f S o i l E r o d e d b y W a t e r f r o m U p l a n d S l o p e s " . P r e s e n t a n d P r o s p e c t i v e T e c h n o l o g y f o r P r e d i c t i n g S e d i m e n t Y i e l d s a n d S o u r c e s . A R S - S - 4 0 . U S D A - A R S . W a s h i n g t o n D . C . M e y e r , L . D . a n d W . H . W i s c h m e i e r . 1 9 6 9 . " M a t h e m a t i c a l S i m u l a t i o n o f t h e P r o c e s s e s o f S o i l E r o s i o n b y W a t e r " . T r a n s a c t i o n s A S A E . 1 2 ( 6 ) : 7 5 4 - 7 5 8 . M i t c h e l l , L K , B . A . E n g e l , R . S r i n i v a s a n a n d S . S . Y . W a n g . 1 9 9 3 . " V a l i d a t i o n o f A G N P S f o r S m a l l W a t e r s h e d s U s i n g a n I n t e g r a t e d A G N P S / G I S S y s t e m " . S y m p o s i u m o n G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d W a t e r R e s o u r c e s . L M . H a r l i n a n d K . J . I a n f e a r ( e d s ) . A W R A . M o b i l e , A l a b a m a . 8 9 - 1 0 0 . M o o r e , L D . 1 9 9 3 a . " H y d r o l o g i c M o d e l i n g i n G I S " . P r o c e e d i n g s , G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . B r e c k e n r i d g e , C o l o r a d o . 2 6 7 M o o r e , L D . , A . K . T u m e r , P . P . W i l s o n , S . K . J e n s o n a n d L E . B a n d . 1 9 9 3 b . " G I S a n d S u r f a c e - S u b s u r f a c e P r o c e s s M o d e l i n g " . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . M . F . G o o d c h i l d , B . O . P a r k s a n d L . T . S t e y a e r t ( e d s ) . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s . O x f o r d . 1 9 6 - 2 3 0 . M o o r e , L D . a n d R B . G r a y s o n . 1 9 9 1 2 . ’ T e r r a i n - B a s e d C a t c h m e n t P a r t i t i o n i n g a n d R u n o f f R e d u c t i o n U s i n g V e c t o r E l e v a t i o n D a t a " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 2 7 ( 6 ) : 1 1 7 7 - 1 1 9 1 . M o o r e , L D . , R . B . G r a y s o n a n d A . R . I a n s o n . 1 9 9 1 b . " D i g i t a l T e r r a i n M o d e l i n g : A R e v i e w o f H y d r o l o g i c a l , G e o m o r p h o l o g i c a l a n d B i o l o g i c a l A p p l i c a t i o n s " . H y d r o l o g i c a l P r o c e s s e s . 5 : 3 - 1 0 . M o o r e , L D . a n d L L . N i e b e r . 1 9 8 9 . " L a n d s c a p e A s s e s s m e n t o f S o i l E r o s i o n a n d N o n p o i n t S o u r c e P o l l u t i o n " . M i n n e s o t a A c a d e m y o f S c i e n c e s J o u r n a l . 5 5 : 1 8 - 2 5 . M u s g r a v e , G . W . 1 9 5 5 . " H o w M u c h o f t h e R a i n E n t e r s t h e S o i l ? " . U S D A W a t e r Y e a r b o o k o f A g r i c u l t u r e . W a s h i n g t o n D . C . N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l . 1 9 9 3 . G r o u n d W a t e r V u l n e r a b i l i t y A s s e s s m e n t : P r e d i c t i n g R e l a t i v e C o n t a m i n a t i o n P o t e n t i a l U n d e r C o n d i t i o n s o f U n c e r t a i n t y . N a t i o n a l A c a d e m y P r e s s . W a s h i n g t o n D . C . . N e e d h a m , S . a n d R . A . Y o u n g . 1 9 9 3 . " A N N - A G N P S : A C o n t i n u o u s S i m u l a t i o n W a t e r s h e d M o d e l " . P r o c e e d i n g s o f t h e F e d e r a l I n t e r a g e n c y W o r k s h o p o n H y d r o l o g i c M o d e l i n g D e m a n d s f o r t h e 9 0 ’ s . U S G S W a t e r R e s o u r c e I n v e s t i g a t i o n R e p o r t . 9 3 - 4 0 1 8 . 4 . 3 2 - 4 . 3 9 . N e e d h a m , S . a n d B . E . V i e u x . 1 9 8 9 . " A G I S f o r A G N P S P a r a m e t e r I n p u t a n d M a p p i n g O u t p u t " . A S A E P a p e r N o . 8 9 - 2 6 7 3 . N e w O r l e a n s , L o u i s i a n a . N e g e v , M . 1 9 6 7 . " A S e d i m e n t M o d e l o n a D i g i t a l C o m p u t e r " . T e c h n i c a l R e p o r t N o . 7 6 . D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g . S t a n f o r d U n i v e r s i t y . S t a n f o r d , C a l i f o r n i a . N o v o t n y , V . a n d G . C h e s t e r s . 1 9 8 1 . H a n d b o o k o f N o n p o i n t P o l l u t i o n : S o u r c e s a n d M a n a g e m e n t . V a n N o s t r a n d R e i n h o l d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g S e r i e s . N e w Y o r k . N o v o t n y , V . , M . C h i n a n d H . V . T r a n . 1 9 7 9 . L A N D R U N : A n O v e r l a n d F l o w M a t h e m a t i c a l M o d e l , U s e r s M a n u a l , C a l i b r a t i o n , a n d U s e . I n t e r n a t i o n a l J o i n t C o m m i s s i o n . W i n d s o r , O n t a r i o . 2 6 8 O ’ C a l l a g h a n , L F . a n d D . M . M a r k s . 1 9 8 4 . " T h e E x t r a c t i o n o f D r a i n a g e N e t w o r k s f r o m D i g i t a l E l e v a t i o n D a t a " . C o m p u t e r V i s i o n , G r a p h i c s a n d I m a g e P r o c e s s i n g . 2 8 : 3 2 3 - 3 4 4 . O l i v i e r i , L . L , G . M . S c h a a l , T . L L o g a n , W . L E l l i o t a n d B . M o t c h . 1 9 9 1 . " G e n e r a t i n g A G N P S I n p u t U s i n g R e m o t e S e n s i n g a n d G I S " . A S A E P a p e r N o . 9 1 - 2 6 6 2 . C h i e a g o , I l l i n o i s . O n s t a d , C . A . a n d D . L . B r a k e n s i e k . 1 9 6 8 . " W a t e r s h e d S i m u l a t i o n b y S t r e a m P a t h A n a l o g y " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h 4 ( 5 ) : 9 6 5 - 9 7 1 . O t t e r b y , M . A . a n d C . A . O n s t a d . 1 9 7 8 . A s s e s s m e n t o f U p l a n d E r o s i o n a n d S e d i m e n t a t i o n f r o m A g r i c u l t u r a l N o n p o i n t S o u r c e s i n M i n n e s o t a . U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a , D e p t . o f A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n g . P a n u s k a , J . C . , L D . M o o r e a n d L A . K r a m e r . 1 9 9 1 . " T e r r a i n A n a l y s i s : I n t e g r a t i o n i n t o t h e A g r i c u l t u r a l N o n p o i n t S o u r c e ( A G N P S ) P o l l u t i o n M o d e l " . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 4 6 ( 1 ) : 5 9 - 6 4 . P h i l i p , L R . 1 9 5 7 . " T h e T h e o r y o f I n fi l t r a t i o n : 1 . T h e I n fi l t r a t i o n E q u a t i o n a n d I t s S o l u t i o n " . S o i l S c i e n c e . 8 3 : 3 4 5 - 3 5 7 . Q u i n n , P . , K . B e v e n , P . C h e v a l l i e r a n d o . P l a n c h o n . 1 9 9 1 . " 1 1 1 5 P r e d i c t i o n o f H i l l s l o p e F l o w P a t h s f o r D i s t r i b u t e d H y d r o l o g i e a l M o d e l i n g U s i n g D i g i t a l T e r r a i n M o d e l s " . H y d r o l o g i c a l P r o c e s s e s . 5 : 5 9 - 7 9 . R a w l s , W . L , L . R . A h u j a , D . L . B r a k e n s i e k a n d A . S h i r r n o h a m m a d i . 1 9 9 3 . " I n fi l t r a t i o n a n d S o i l W a t e r M o v e m e n t " . H a n d b o o k o f H y d r o l o g y . D . R . M a i d m e n t ( e d ) . M c G r a w - H i l l . N e w Y o r k . R a w l s , W . L , D . L . B r a k e n s i e k a n d N . M i l l e r . 1 9 8 3 . " G r e e n - A m p t I n fi l t r a t i o n P a r a m e t e r s f r o m S o i l s D a t a " . J o u r n a l H y d r a u l i c D i v . A S C E . 1 0 9 ( 1 ) : 6 2 - 7 0 . R a w l s , W . L , D . L . B r a k e n s i e k a n d K B . S a x t o n . 1 9 8 2 . " E s t i m a t i o n o f S o i l W a t e r P r o p e r t i e s " . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 5 ( 5 ) : 1 3 1 6 - 1 3 2 0 . R a w l s , W . L , C . A . O n s t a d a n d H . H . R i c h a r d s o n . 1 9 8 0 . " R e s i d u e a n d T i l l a g e E f f e c t s o n S C S R u n o f f C u r v e N u m b e r s " . C R E A M S : A F i e l d S c a l e M o d e l f o r C h e m i c a l s , R u n o f f , a n d E r o s i o n f r o m A g r i c u l t u r a l M a n a g e m e n t S y s t e m s . W . G . K n i s e l ( e d ) . U S D A - A R S C o n s e r v a t i o n R e s e a r c h R e p o r t N o . 2 6 . W a s h i n g t o n D . C . 4 0 5 - 4 2 5 . 2 6 9 R e n a r d , K . G . , G . R . F o s t e r , G . A . W e e s i e s a n d L P . P o r t e r . 1 9 9 1 . " R U S L E : R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n " . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 4 6 ( 1 ) : 3 0 - 3 3 . R e n a r d , K . G . a n d G . R . F o s t e r . 1 9 8 3 . " S o i l C o n s e r v a t i o n : P r i n c i p l e s o f E r o s i o n b y W a t e r " . D r y l a n d A g r i c u l t u r e . A g r o n o m y M o n o g r a p h N o . 2 3 . A m e r i e a n S o c i e t y o f A g r o n o m y . M a d i s o n , W i s c o n s i n . R e n f r o , G . W . 1 9 7 5 . " U s e o f E r o s i o n E q u a t i o n s a n d S e d i m e n t D e l i v e r y R a t i o s f o r P r e d i c t i n g S e d i m e n t Y i e l d " . P r e s e n t a n d P r o s p e c t i v e T e c h n o l o g y f o r P r e d i c t i n g S e d i m e n t Y i e l d s a n d S o u r c e s . A R S - S - 4 0 . U S D A - A R S . W a s h i n g t o n D . C . R e w e r t s , C . C . a n d B . A . E n g e l . 1 9 9 1 . " A N S W E R S o n G R A S S : I n t e g r a t i n g a W a t e r s h e d S i m u l a t i o n w i t h a G I S " . A S A E P a p e r N o . 9 1 - 2 6 2 1 . R i c h a r d s , L A . 1 9 3 1 . " C a p i l l a r y C o n d u c t i o n o f L i q u i d s i n P o r o u s M e d i u m s " . P h y s i c s . 1 : 3 1 8 - 3 3 3 . R i t c h i e , J . T . , U . S i n g h , D . G o d w i n a n d L . H u n t . 1 9 8 9 . A U s e r ’ s G u i d e t o C E R E S M A I Z E - V e r s i o n 2 . 1 0 . M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , I n t e r n a t i o n a l B e n c h m a r k S i t e s N e t w o r k f o r A g r o t e c h n o l o g y T r a n s f e r a n d I n t e r n a t i o n a l F e r t i l i z e r D e v e l o p m e n t C e n t e r , M u s c l e S h o a l s , A l a b a m a . . R i t c h i e , L T . 1 9 7 2 . " A M o d e l f o r P r e d i c t i n g E v a p o r a t i o n f r o m a R o w C r o p W i t h I n c o m p l e t e C o v e r " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 8 ( 5 ) : 1 2 0 4 - 1 2 1 3 . R o e h l , L R . 1 9 6 2 . " S e d i m e n t S o u r c e A r e a s , D e l i v e r y R a t i o s , a n d I n fl u e n c i n g M o r p h o l o g i c a l F a c t o r s " . I n t e r n a t i o n a l A s s o c i a t i o n o f S c i e n t i fi c H y d r o l o g y . P u b l i c a t i o n N o . 5 9 . R é m k e n s , M . J . , R . A . Y o u n g , L W . P o e s e n , K . K . M c C o o l a n d S . A . E l S w a i f y . 1 9 9 1 . " T h e U S L E S o i l s E r o d i b i l i t y F a c t o r " . P r e d i c t i n g S o i l E r o s i o n b y W a t e r : A G u i d e t o C o n s e r v a t i o n P l a n n i n g w i t h t h e R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n ( R U S L E ) . U S D A - A R S . R o s s , B . B . , D . N . C o n t r a c t o r a n d V . O . S h a n h o l t z . 1 9 7 9 . " A F i n i t e - E l e m e n t M o d e l o f O v e r l a n d a n d C h a n n e l F l o w f o r A s s e s s i n g t h e H y d r o l o g i c I m p a c t o f I a n d - U s e C h a n g e " . J o u r n a l o f H y d r o l o g y . 4 1 : 1 1 - 3 0 . R o u s s e a u , A . , W . T . D i c k i n s o n , R . P . R u d r a a n d G . J . W a l l . 1 9 8 8 . " A P h o s p h o r u s T r a n s p o r t M o d e l f o r S m a l l A g r i c u l t u r a l W a t e r s h e d " . C a n a d i a n A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n g . 1 5 : 2 1 3 - 2 2 0 . 2 7 0 R u d r a , R . P . , W . T D i c k i n s o n , D . F . C l a r k a n d G . J . W a l l . 1 9 8 6 . " G A M E S : A S c r e e n i n g M o d e l o f S o i l E r o s i o n a n d F l u v i a l S e d i m e n t a t i o n o n A g r i c u l t u r a l W a t e r s h e d s " . C a n a d i a n W a t e r R e s e a r c h J o u r n a l . 1 1 ( 4 ) : 5 8 - 7 1 . R u n d q u i s t , D . C . , D . A . R o d e k o h r , A . J . P e t e r s , R . L . E h r r n a n , L . D i a n d G . M u r r a y . 1 9 9 1 . " S t a t e w i d e G r o u n d w a t e r V u l n e r a b i l i t y A s s e s s m e n t i n N e b r a s k a U s i n g t h e D R A S ' I ‘ I C / G I S M o d e l " . G e o c a r t o I n t e r n a t i o n a l . 2 : 5 1 - 5 7 . S a g h a fi a n , B . 1 9 9 3 . " I m p l e m e n t a t i o n o f a D i s t r i b u t e d H y d r o l o g i c M o d e l w i t h i n G e o g r a p h i c R e s o u r c e s A n a l y s i s S u p p o r t S y s t e m ( G R A S S ) " . P r o c w d i n g s , G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . B r e c k e n r i d g e , C o l o r a d o . S a v a b i , M . R . , A . D . N i c k s , L R . W i l l i a m s a n d W J . R a w l s . 1 9 8 0 . " W a t e r B a l a n c e a n d P e r c o l a t i o n " . U S D A - W a t e r E r o s i o n P r e d i c t i o n P r o j e c t : H i l l s l o p e P r o fi l e M o d e l D o c u m e n t a t i o n . L . J . L a n e a n d M . A . N e a r i n g ( e d s ) . N S E R L R e p o r t N o . 2 . U S D A - A R S . N a t i o n a l S o i l E r o s i o n R e s e a r c h L a b o r a t o r y . W e s t L a f a y e t t e , I n d i a n a . 7 . 1 - 7 . 1 4 . S h a r p l e y , A . N . a n d R . G . M e n z e l . 1 9 8 7 . " T h e I m p a c t o f S o i l a n d F e r t i l i z e r P h o s p h o r u s o n t h e E n v i r o n m e n t " . A d v a n c e s i n A g r o n o m y . 4 1 : 2 9 7 - 3 2 4 . S h a r p l e y , A . N . 1 9 8 5 . " E f f e c t o f S o i l P r o p e r t i e s o n t h e K i n e t i c s o f D e s o r p t i o n " . S o i l S c i e n c e S o c i e t y o f A m e r i c a J o u r n a l . 4 7 : 4 6 2 - 4 6 7 . S h a r p l e y , A . N . , L . R . A h u j a a n d R . G . M e n z e l . 1 9 8 1 . " T h e R e l e a s e o f S o i l P t o R u n o f f i n R e l a t i o n t o t h e K i n e t i c s o f D e s o r p t i o n " . J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a l Q u a l i t y . 1 0 : 3 8 6 - 3 9 1 . S h a r p l e y , A . N . 1 9 8 0 . " T h e E n r i c h m e n t o f S o i l P i n R u n o f f S e d i m e n t " . J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a l Q u a l i t y . 9 ( 3 ) : 5 2 1 - 5 2 6 . S h a w , R . 1 9 9 1 . " M a n a g i n g t h e L a n d : A T e c h n o l o g y P e r s p e c t i v e " . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 4 6 ( 6 ) : 4 0 6 - 4 0 8 . S i n g h , V . P . 1 9 8 9 . H y d r o l o g i c S y s t e m s : W a t e r s h e d M o d e l i n g , V o l . I I . P r e n t i c e H a l l . E n g l e w o o d C l i f f s , N e w J e r s e y . S i n g h , V . P . 1 9 8 8 . H y d r o l o g i c S y s t e m s : R a i n f a l l - R u n o f f M o d e l i n g , V o l . I . P r e n t i c e H a l l . E n g l e w o o d C l i f f s , N e w J e r s e y . S m i t h , R E . 1 9 8 2 . " R a t i o n a l M o d e l s o f I n fi l t r a t i o n H y d r o d y n a m i c s " . M o d e l i n g C o m p o n e n t s o f t h e H y d r o l o g i c C y c l e . V . P . S i n g h ( e d ) . W a t e r R e s o u r c e s P u b l i c a t i o n . L i t t l e t o n , C o l o r a d o . 1 0 7 - 1 2 6 . 2 7 1 S m i t h , R . E . a n d L R . W i l l i a m s . 1 9 8 0 . S i m u l a t i o n o f t h e S u r f a c e W a t e r H y d r o l o g y . C R E A M S : A F i e l d S c a l e M o d e l f o r C h e m i c a l s , R u n o f f , a n d E r o s i o n F r o m A g r i c u l t u r a l M a n a g e m e n t S y s t e m s . W . G . K n i s e l ( e d ) . U S D A - A R S C o n s e r v a t i o n R e s e a r c h R e p o r t N o . 2 6 . 1 3 - 3 5 . S m i t h , R . E . a n d L Y . P a r l a n g e . 1 9 7 8 . " A P a r a m e t e r E f fi c i e n t H y d r o l o g i c I n fi l t r a t i o n M o d e l " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 1 4 ( 3 ) : 5 3 3 - 5 3 8 . S p e i g h t , L G . 1 9 8 0 . " T h e R o l e o f T o p o g r a p h y i n C o n t r o l l i n g T h r o u g h fl o w G e n e r a t i o n : A D i s c u s s i o n " . E a r t h S u r f a c e P r o c e s s e s a n d L a n d f o r m s . 5 : 1 8 7 - 1 9 1 . S t a r , J . a n d J . E s t e s . 1 9 9 0 . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s : A n I n t r o d u c t i o n . P r e n t i c e H a l l . E n g l e w o o d C l i f f s , N e w J e r s e y . S t e e n h u i s , T . S . 1 9 7 9 . " S i m u l a t i o n o f t h e A c t i o n o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n P r a c t i c e s i n C o n t r o l l i n g P e s t i c i d e s " . D . A . H a i t h a n d R . C . L o e h r . ( e d s ) . E f f e c t i v e n e s s o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n P r a c t i c e s f o r P o l l u t i o n C o n t r o l . U S E P A R e p o r t N o . E P A - 6 0 0 / 3 - 7 9 - 1 0 6 . A t h e n s , G e o r g i a . S t e u b e , M . M . a n d D . M . J o h n s t o n . 1 9 9 0 . " R u n o f f V o l u m e E s t i m a t i o n U s i n g G I S T e c h n i q u e s " . W a t e r R e s o u r c e s B u l l e t i n . 2 6 ( 4 ) : 6 1 1 - 6 2 0 . S t e w a r t , B . A . , D . A . W o o l h e i s e r , W . H . W i s c h m e i e r , L H . C a r o a n d M . H . F r e r e . 1 9 7 5 . C o n t r o l o f P o l l u t i o n f r o m C r o p l a n d . U S E P A / 6 0 0 / 2 - 7 5 / 0 2 6 . W a s h i n g t o n , D . C . S t o r m , D . E . , T . A . D i l l a h a , S . M o s t a g h i m i a n d V . O . S h a n h o l t z . 1 9 8 8 . " M o d e l i n g P h o s p h o r u s T r a n s p o r t i n S u r f a c e R u n o f f " . T r a n s a c t i o n s A S A E . 3 1 ( 1 ) : 1 1 7 - 1 2 7 . S t r o o , H . F . , K . L . B r i s t o w , L . F . E l l i o t t , R . I . P a p e n d i c k a n d 6 . 8 . C a m p b e l l . 1 9 8 5 . " P r e d i c t i n g R a t e s o f W h e a t R e s i d u e D e c o m p o s i t i o n " . S o i l S c i e n c e S o c i e t y o f A m e r i c a J o u r n a l . 5 3 : 9 1 - 9 9 . T a y l o r , S . E . a n d O J . S e x t o n . 1 9 7 2 . " S o m e I m p l i c a t i o n s o f L e a f T e a r i n g i n M u s a c e a e " . E c o l o g y . 6 3 : 1 4 3 - 1 4 9 . U n w i n , D J . a n d J . W i l s o n . 1 9 9 0 . A S h o r t C o u r s e i n G I S . D e p t . o f G e o g r a p h y . U n i v . W a i k a t o , N e w Z e a l a n d . U S D e p a r t m e n t o f C o m m e r c e . W e a t h e r B u r e a u . 1 9 6 1 . U S D e p t . C o m m . W e a t h e r B u r . T e c h . P a p e r 4 0 . W a s h i n g t o n D . C . U S D A - S C S . 1 9 9 1 a . D i g i t a l S o i l s D a t a . U S D A - S C S B u l l e t i n . F o r t W o r t h , T e x a s . 2 7 2 U S D A - S C S . 1 9 9 1 b . C l a s s i fi c a t i o n a n d E v a l u a t i o n o f M o d e l s i n S u p p o r t o f t h e S C S 5 - Y e a r W a t e r Q u a l i t y a n d Q u a n t i t y P l a n o f O p e r a t i o n . W a s h i n g t o n D . C . U S D A - S C S . 1 9 7 8 . P r e d i c t i n g R a i n f a l l E r o s i o n L o s s e s : A G u i d e t o C o n s e r v a t i o n P l a n n i n g . W a s h i n g t o n D . C . U S D A - S C S . 1 9 7 3 . S o i l S u r v e y o f S w i f t C o u n t y , M i n n e s o t a . U S D A S o i l C o n s e r v a t i o n S e r v i c e . W a s h i n g t o n , D . C . U S D A - S C S . 1 9 7 2 . S C S N a t i o n a l E n g i n e e r i n g H a n d b o o k . W a s h i n g t o n D . C . U S E P A . 1 9 9 1 a . C o a s t a l N o n p o i n t P o l l u t i o n P r o g r a m : P r o g r a m D e v e l o p m e n t a n d A p p r o v a l G u i d a n c e . W a s h i n g t o n D . C . U S E P A . 1 9 9 1 b . G u i d a n c e f o r W a t e r Q u a l i t y - B a s e d D e c i s i o n . T h e T M D L P r o c e s s . O f fi c e o f W a t e r . W a s h i n g t o n D . C . U S E P A . 1 9 8 8 . N a t i o n a l W a t e r Q u a l i t y I n v e n t o r y : 1 9 8 8 R e p o r t t o C o n g r e s s . W a s h i n g t o n D . C . U S E P A . 1 9 8 6 . N a t i o n a l W a t e r Q u a l i t y I n v e n t o r y : 1 9 8 6 R e p o r t t o C o n g r e s s . W a s h i n g t o n D . C . U S G S . 1 9 8 7 . D i g i t a l E l e v a t i o n M o d e l s : D a t a U s e r s G u i d e . N a t i o n a l M a p p i n g P r o g r a m , T e c h n i c a l I n s t r u c t i o n s , D a t a U s e r s G u i d e 5 . R e s t o n , V i r g i n i a . V i e u x , B . E . , N . S . F a r a j a l l a a n d N . G a u r . 1 9 9 3 a . " I n t e g r a t e d G I S a n d D i s t r i b u t e d S t o r r n w a t e r R u n o f f M o d e l i n g " . P r o c e e d i n g s , G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d E n v i r o n m e n t a l M o d e l i n g . B r e c k e n r i d g e , C o l o r a d o . V i e u x , B . E . a n d S . N w d h a m . 1 9 9 3 b . " N o n p o i n t P o l l u t i o n M o d e l S e n s i t i v i t y t o G r i d - C e l l S i z e " . J o u r n a l o f W a t e r R e s o u r c e P l a n n i n g a n d M a n a g e m e n t . 1 1 9 ( 2 ) : 1 4 1 - 1 5 7 . V i e u x , B . E . , L . P . H e m d o n a n d R . L i s t o n . 1 9 8 9 . " G I S a n d W a t e r Q u a l i t y M o d e l i n g f o r A g r i c u l t u r a l R e s o u r c e M a n a g e m e n t S y s t e m s " . A S A E P a p e r N o . 8 9 - 2 1 8 4 . M o n t r e a l , C a n a d a . V i e u x , B . E . 1 9 8 8 . F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f H y d r o l o g i c R e s p o n s e A r e a s U s i n g a G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m . P h . D . D i s s e r t a t i o n . M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y . W e n d t , R . C . a n d B . E . A l b e r t s . 1 9 8 4 . " E s t i m a t i n g I a b i l e a n d D i s s o l v e d I n o r g a n i c P h o s p h a t e C o n c e n t r a t i o n s i n S u r f a c e R u n o f f " . J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a l Q u a l i t y . 1 3 ( 4 ) : 6 1 3 - 6 1 8 . 2 7 3 W i l l i a m s , L R . , A . D . N i c k s a n d L G . A r n o l d . 1 9 8 5 . " S i m u l a t o r f o r W a t e r R e s o u r c e s i n R u r a l B a s i s " . J o u r n a l o f H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g . 1 1 1 ( 6 ) : 9 7 0 - 9 8 6 . W i l l i a m s , L R . , C . A . J o n e s a n d P . T . D y k e . 1 9 8 4 . " A M o d e l i n g A p p r o a c h t o D e t e r m i n i n g t h e R e l a t i o n s h i p B e t w e e n E r o s i o n a n d S o i l P r o d u c t i v i t y " . T r a n s a c t i o n s A S A E . 2 7 ( 1 ) : 1 2 9 - 1 4 2 . W i l l i a m s , L R . 1 9 8 0 . " S P N M : A M o d e l f o r P r e d i c t i n g S e d i m e n t , P h o s p h o r u s , a n d N i t r o g e n Y i e l d s f r o m A g r i c u l t u r a l B a s i n s " . W a t e r R e s o u r c e s B u l l e t i n . 1 6 ( 5 ) : 8 4 3 - 8 4 8 . W i l l i a m s , L R . 1 9 7 5 . " S e d i m e n t Y i e l d P r e d i c t i o n w i t h U n i v e r s a l E q u a t i o n U s i n g E n e r g y F a c t o r " . P r e s e n t a n d P r o s p e c t i v e T e c h n o l o g y f o r P r e d i c t i n g S e d i m e n t Y i e l d s a n d S o u r c e s . A R S - S - 4 0 . U S D A - A R S . W a s h i n g t o n D . C . W i l l i a m s , L R . a n d R . W . H a a n . 1 9 7 2 . H Y M O : P r o b l e m O r i e n t e d C o m p u t e r L a n g u a g e f o r H y d r o l o g i c M o d e l i n g , U s e r ’ s M a n u a l . U S D A A R S - 2 - 9 . W a s h i n g t o n D . C . W i s c h m e i e r , W . H . a n d D . D . S m i t h . 1 9 7 8 . P r e d i c t i n g R a i n f a l l E r o s i o n L o s s e s . A g r i c u l t u r e H a n d b o o k N o . 5 3 7 . U S D A - S c i e n c e a n d E d u c a t i o n A d m i n i s t r a t i o n . W a s h i n g t o n D . C . W i s c h m e i e r , W . H . , C . B . J o h n s o n a n d B . V . C r o s s . 1 9 7 1 . " A S o i l E r o d i b i l i t y N o m o g r a p h f o r F a r m l a n d a n d C o n s t r u c t i o n S i t e s " . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 2 6 ( 5 ) : 1 8 9 - 1 9 3 . W o l f e , M . L . a n d C . N e a l e . 1 9 8 8 . " I n p u t D a t a D e v e l o p m e n t f o r a D i s t r i b u t e d P a r a m e t e r H y d r o l o g i c M o d e l ( F E S I - I M ) " . P r o c e e d i n g s , M o d e l i n g A g r i c u l t u r a l , F o r e s t a n d R a n g e l a n d H y d r o l o g y C o n f e r e n c e . A S A E . S t . J o s e p h , M i c h i g a n . W o o d , E . F . , M . S i v a p a l a n , K . B e v e n a n d L . B a n d . 1 9 8 8 . " E f f e c t s o f S p a t i a l V a r i a b i l i t y a n d S c a l e w i t h I m p l i c a t i o n s t o H y d r o l o g i c M o d e l i n g " . J o u r n a l o f H y d r o l o g y . 1 0 2 : 2 9 - 4 7 . W o o d i n g , R . A . 1 9 6 5 . " A H y d r a u l i c M o d e l f o r t h e C a t c h m e n t S t r e a m P r o b l e m I : K i n e m a t i c W a v e T h e o r y " . J o u r n a l o f H y d r o l o g y . 3 : 2 5 4 - 2 6 7 . W o o l h i s e r , D . A , R . E . S m i t h a n d D . C . G o o d r i c h . 1 9 9 0 . K I N E R O S : A K i n e m a t i c R u n o f f a n d E r o s i o n M o d e l , D o c u m e n t a t i o n a n d U s e r M a n u a l . U S D A A R S - 7 7 . W a s h i n g t o n D . C . 2 7 4 W o o l h i s e r , D . A . 1 9 8 2 . " P h y s i c a l l y - B a s e d M o d e l s o f W a t e r s h e d R u n o f f " . R a i n f a l l - R u n o f f R e l a t i o n s h i p . V . P . S i n g h ( e d ) . W a t e r R e s o u r c e s P u b l i c a t i o n . L i t t l e t o n , C o l o r a d o . 1 8 9 - 2 0 2 . W o o l h i s e r , D . A . a n d L A . L i g g e t t . 1 9 6 7 . " U n s t e a d y O n e - D i m e n s i o n a l F l o w O v e r a P l a n e : t h e R i s i n g H y d r o g r a p h " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 3 ( 3 ) : 7 5 3 - 7 7 1 . Y a l i n , Y . S . 1 9 6 3 . " A n E x p r e s s i o n f o r B e d - L o a d T r a n s p o r t a t i o n " . J o u r n a l o f t h e H y d r a u l i c s D i v i s i o n . P r o c w d i n g s o f t h e A S C E . 8 9 ( H Y 3 ) : 2 2 1 - 2 5 0 . Y o d e r , D . C , L P . P o r t e r , L M L a fl e n , L R . S i m a n t o n , K . G . R e n a r d a n d D . K . M c C o o l . 1 9 9 1 . ” C o v e r - M a n a g e m e n t F a c t o r " . P r e d i c t i n g S o i l E r o s i o n b y W a t e r : A G u i d e t o C o n s e r v a t i o n P l a n n i n g w i t h t h e R e v i s e d U n i v e r s a l S o i l L o s s E q u a t i o n ( R U S L E ) . U S D A - A R S . Y o o n , L , G . P a d m a n a b h a n a n d L H . W o o d b u r y . 1 9 9 3 . " L i n k i n g A g r i c u l t u r a l N o n p o i n t S o u r c e P o l l u t i o n M o d e l ( A G N P S ) t o a G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m ( G I S ) " . G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m s a n d W a t e r R e s o u r c e s , P r o c w d i n g s . L M . H a r l i n a n d K . J . L a n f e a r ( e d ) . A W R A . B e t h e s d a , M a r y l a n d . 7 9 - 8 8 . Y o u n g , R . A . , R . S . A l e s s i a n d S . N e e d h a m . 1 9 9 2 . " A p p l i c a t i o n o f a D i s t r i b u t e d P a r a m e t e r M o d e l f o r W a t e r s h e d A s s e s s m e n t " . P r o c e e d i n g s f r o m M a n a g i n g W a t e r R e s o u r c e s D u r i n g G l o b a l C h a n g e . A W R A . R e n o , N e v a d a . Y o u n g , R . A . , C . A . O n s t a d , D . D . B o s c h a n d W . P . A n d e r s o n . 1 9 8 9 . " A G N P S : A N o n p o i n t S o u r c e P o l l u t i o n M o d e l f o r E v a l u a t i n g A g r i c u l t u r a l W a t e r s h e d s " . J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n . 4 4 ( 2 ) : 1 6 8 - 1 7 3 . Y o u n g , R . A . a n d C . A . O n s t a d . 1 9 8 7 . A G N P S : A g r i c u l t u r a l N o n p o i n t S o u r c e P o l l u t i o n M o d e l , A W a t e r s h e d A n a l y s i s T o o l . U S D A - A R S R e p o r t 3 5 . W a s h i n g t o n D . C . Y o u n g , R . A . a n d L L . W i e r s m a . 1 9 7 3 . " T h e R o l e o f R a i n f a l l I m p a c t s i n S o i l D e t a c h m e n t a n d T r a n s p o r t " . W a t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h . 9 ( 6 ) : 1 6 2 9 - 1 6 3 6 .