Efforts to manage eutrophication of surface waters should recognize that macropore flow transports significantly more phosphorus (P) to surface waters via tile drains than water that percolates through the soil matrix. For the watershed-scale SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model to describe phosphorus transport through tile drains, SWAT needs to partition percolation into macropore flow and matrix flow. The objective of this study was to evaluate the effects of a new macropore flow algorithm on the partitioning of hydrological flows, using input data that are readily available, consistent with the current approach to SWAT modeling. The algorithm was evaluated in a proof of concept outside of SWAT and within a re-conceptualized version, SWAT-QC2. The proof of concept reproduced episodic macropore flows, which increased with greater daily rainfall if infiltration exceeded a threshold that was lower for finer-textured soils. Although the algorithm did not improve predictions of streamflow of an agricultural subwatershed in southern Quebec (30 km2), the algorithm improved SWAT's partitioning between surface runoff and subsurface flow. SWAT-QC2 also predicted reasonably the separation between macropore and matrix components of subsurface flow, upon comparison with results from a chemical-based hydrograph separation of the subwatershed's streamflow. As in the proof of concept, the predicted amount of macropore flow into tile drains was greater under finer-textured soils than coarser-textured soils. By describing the portion of percolation that flows through macropores and potentially controls subsurface P transport, the macropore flow algorithm provides a framework for future developments of SWAT that describe macropore transport of P to tile drains. To improve the partitioning between macropore and matrix flows, future developments of SWAT-QC2 should account for dynamic macropore connectivity and the effects of soil moisture on macropore flow, but more research is needed to determine experimentally the spatiotemporal variation of macropore flow in agricultural soils. / Les stratégies d'intervention ciblées sur la prévention de l'eutrophisation des eaux de surface en milieu agricole devraient prendre en compte que relativement plus de phosphore chemine vers les drains souterrains par les macropores du sol qu'en cheminement matriciel. Afin de décrire les phénomènes de transport de phosphore aux drains, le modèle hydrologique SWAT (Soil and Water Assessment Tool) doit être en mesure de distinguer ces processus de transfert. La présente étude avait pour objectif d'évaluer la performance d'un nouvel algorithme séparant les écoulements matriciels et préférentiels, en mettant à profit des jeux de données existantes et suivant une démarche compatible avec l'approche de modélisation inhérente à SWAT. L'algorithme a d'abord profité d'une validation conceptuelle, hors du modèle SWAT, puis d'une évaluation suivant son intégration à une nouvelle version du modèle hydrologique, SWAT-QC2. La validation conceptuelle de l'algorithme a démontré que les flux matriciels épisodiques prédits augmentent avec les précipitations journalières, à la condition que le taux d'infiltration ait atteint un seuil limite, relativement moins élevé en sol argileux. Bien que l'algorithme n'ait pas amélioré la prédiction du débit total d'un petit bassin versant du Sud du Québec (30 km2), il a néanmoins amélioré la performance du modèle SWAT à répartir les écoulements de surface et souterrains. La comparaison des prédictions du modèle hydrologique avec les résultats de séparation des hydrogrammes à l'exutoire du même bassin versant suivant une méthode chimique témoigne d'une performance réaliste de SWAT-QC2 à prédire la répartition des flux souterrains préférentiels et matriciels. A l'instar de la validation conceptuelle de l'algorithme, les flux préférentiels prédits sont relativement plus importants en sol argileux qu'en texture plus grossière. En décrivant la proportion des écoulements souterrains qui emprunte la voie préférentielle, et qui contrôle potentiellement les transferts souterrains de P, l'algorithme d'écoulement en macropores constitue une assise pour le développement ultérieur de SWAT intégrant une description des transferts souterrains de phosphore vers les drains souterrains. Afin d'améliorer la performance de SWAT-QC2 à séparer les flux préférentiels et matriciels, les développements futurs du modèle hydrologique devraient prendre en compte la nature dynamique de la connectivité des macropores, de même que les effets de l'humidité du sol sur l'écoulement préférentiel. Cette démarche appelle cependant à une meilleure caractérisation expérimentale de la variabilité spatio-temporelle des flux préférentiels en sols agricoles.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119707 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Poon, David |
| Contributors | Aubert Michaud (Internal/Cosupervisor2), Joann Karen Whalen (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Natural Resource Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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