+ All Categories
Home > Documents > Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012....

Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012....

Date post: 24-Mar-2021
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
73
Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper ISSN 1650-6553 Nr 242 Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, Juan Diaz River Basin Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, Juan Diaz River Basin José Eduardo Reynolds Puga José Eduardo Reynolds Puga Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper Examensarbete D, 15 hp i Hydrologi ISSN 1650-6553 Nr 242 Tryckt hos Institutionen för geovetenskaper, Geotryckeriet, Uppsala universitet, Uppsala, 2012. Water resources demand and natural disasters related to hydro meteorological events have increased the interest in hydrological studies in Panama. Runoff estimations are important for effective water resources management in any catchment, but the limited quantity and quality of the available hydrological and meteorological data in Panama make it hard for researchers to come to conclusive statements that can help in good planning. This issue has to be addressed, but meanwhile, the challenge is to try to understand the hydrological processes occurring in any catchment with the available data. The relationship between rainfall and runoff in the Juan Diaz River basin is not well understood and its fast response due to high rainfall intensities in the area is a concern in the community and authorities. The meteorological and hydrological data in the Juan Diaz River basin are also limited. The main objective of this thesis was to establish how well the Juan Diaz River basin can be hydrologically represented by records of the available instrumentation. This was performed with a hydrological, WASMOD, and a statistical model, linear multiple regression. Both models simulated daily and monthly runoff for a period of 21 years. For the long term water balance, a graph showing discharge against rainfall data was plotted in the yearly scale to establish a relationship between the two variables. Precipitation records from an active meteorological station, which was the closest to the basin from the ones with available records, were used in this study to estimate the areal mean precipitation of the basin, since nowadays there are no active meteorological stations within the basin. It was not possible to represent the Juan Diaz River basin well with the two models in the daily and monthly resolution. Uncertainties in the precipitation input and in the discharge output data were considered to be the reasons for the poor simulations. That said, it can be stated that the available instrumentation at this point is not sufficient for modeling. In the long term water balance, the instrumentation can be used for water estimations, but care has to be taken if this approach is used since the limited quantity of data in this scale were scattered around the predictions. Efforts have to be made to encourage decision makers to increase the available instrumentation in the Juan Diaz River basin, in order to make accurate simulations or forecasting that will better support water resources management.
Transcript
Page 1: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper ISSN 1650-6553 Nr 242

Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama,

Juan Diaz River Basin

Usability of Standard MonitoredRainfall-Runoff Data in Panama,Juan Diaz River Basin

José Eduardo Reynolds Puga

José Eduardo Reynolds Puga

Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaperExamensarbete D, 15 hp i HydrologiISSN 1650-6553 Nr 242Tryckt hos Institutionen för geovetenskaper, Geotryckeriet, Uppsala universitet, Uppsala, 2012.

Water resources demand and natural disasters related to hydro meteorological events have increased the interest in hydrological studies in Panama. Runoff estimations are important for effective water resources management in any catchment, but the limited quantity and quality of the available hydrological and meteorological data in Panama make it hard for researchers to come to conclusive statements that can help in good planning. This issue has to be addressed, but meanwhile, the challenge is to try to understand the hydrological processes occurring in any catchment with the available data.

The relationship between rainfall and runoff in the Juan Diaz River basin is not well understood and its fast response due to high rainfall intensities in the area is a concern in the community and authorities. The meteorological and hydrological data in the Juan Diaz River basin are also limited. The main objective of this thesis was to establish how well the Juan Diaz River basin can be hydrologically represented by records of the available instrumentation. This was performed with a hydrological, WASMOD, and a statistical model, linear multiple regression. Both models simulated daily and monthly runoff for a period of 21 years. For the long term water balance, a graph showing discharge against rainfall data was plotted in the yearly scale to establish a relationship between the two variables.

Precipitation records from an active meteorological station, which was the closest to the basin from the ones with available records, were used in this study to estimate the areal mean precipitation of the basin, since nowadays there are no active meteorological stations within the basin.

It was not possible to represent the Juan Diaz River basin well with the two models in the daily and monthly resolution. Uncertainties in the precipitation input and in the discharge output data were considered to be the reasons for the poor simulations. That said, it can be stated that the available instrumentation at this point is not sufficient for modeling. In the long term water balance, the instrumentation can be used for water estimations, but care has to be taken if this approach is used since the limited quantity of data in this scale were scattered around the predictions.

Efforts have to be made to encourage decision makers to increase the available instrumentation in the Juan Diaz River basin, in order to make accurate simulations or forecasting that will better support water resources management.

Page 2: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper ISSN 1650-6553 Nr 242

Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama,

Juan Diaz River Basin

José Eduardo Reynolds Puga

Page 3: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

  

 

 

 

Copyright © José Eduardo Reynolds Puga och Institutinen för geovetenskaper, Luft‐, vatten –och 

landskapslära, Uppsala Universitet. 

Tryckt hos Institutionen för geovetenskaper, Geotryckeriet, Uppsala universitet, Uppsala, 2012 

 

Page 4: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

  

ABSTRACT

USABILITY OF  STANDARD MONITORED RAINFALL‐RUNOFF DATA  IN PANAMA,  

JUAN DIAZ RIVER BASIN.  

Reynolds,  J.,  Department  of  Earth  Science, Uppsala University,  Villavägen  16,  SE−752  36, 

Uppsala, Sweden. 

Water resources demand and natural disasters related to hydro meteorological events have 

increased the  interest  in hydrological studies  in Panama. Runoff estimations are  important 

for effective water  resources management  in any catchment, but  the  limited quantity and 

quality of  the  available hydrological  and meteorological data  in Panama make  it hard  for 

researchers to come to conclusive statements that can help in good planning. This issue has 

to  be  addressed,  but meanwhile,  the  challenge  is  to  try  to  understand  the  hydrological 

processes occurring in any catchment with the available data. 

The  relationship  between  rainfall  and  runoff  in  the  Juan  Diaz  River  basin  is  not  well 

understood and  its  fast response due to high rainfall  intensities  in the area  is a concern  in 

the community and authorities. The meteorological and hydrological data  in  the  Juan Diaz 

River basin are also limited.  The main objective of this thesis was to establish how well the 

Juan  Diaz  River  basin  can  be  hydrologically  represented  by  records  of  the  available 

instrumentation. This was performed with a hydrological, WASMOD, and a statistical model, 

linear multiple regression. Both models simulated daily and monthly runoff for a period of 21 

years. For the long term water balance, a graph showing discharge against rainfall data was 

plotted in the yearly scale to establish a relationship between the two variables. 

Precipitation  records  from  an  active meteorological  station, which was  the  closest  to  the 

basin  from  the ones with available  records, were used  in  this  study  to estimate  the areal 

mean precipitation of the basin, since nowadays there are no active meteorological stations 

within the basin.  

It was not possible to represent the Juan Diaz River basin well with the two models  in the 

daily and monthly  resolution. Uncertainties  in  the precipitation  input and  in  the discharge 

output data were considered to be the reasons for the poor simulations. That said, it can be 

stated that the available  instrumentation at this point  is not sufficient for modeling.  In the 

long term water balance, the  instrumentation can be used  for water estimations, but care 

has to be taken if this approach is used since the limited quantity of data in this scale were 

scattered around the predictions. 

Efforts  have  to  be  made  to  encourage  decision  makers  to  increase  the  available 

instrumentation  in  the  Juan  Diaz  River  basin,  in  order  to make  accurate  simulations  or 

forecasting that will better support water resources management. 

Keywords: Juan Diaz, WASMOD, Linear Multiple Regression, Available Instrumentation

Page 5: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

RESUMEN

USABILIDAD DE REGISTROS TÍPICOS DE LLUVIA‐ESCORRENTÍA MONITOREADOS 

EN PANAMÁ, CUENCA DEL RÍO JUAN DÍAZ 

Reynolds, J., Departamento de Ciencias de las Tierra, Universidad de Uppsala, Villavägen 16, 

SE−752 36, Uppsala, Suecia. 

La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia de desastres naturales relacionados con eventos 

hidro‐meteorologicos  han  incrementado  el  interés  de  estudios  hidrológicos  en  Panamá. 

Estimaciones de escorrentía son importantes para el manejo efectivo de los recursos hídricos en 

cualquier cuenca, pero la calidad y cantidad limitada de registros hidrológicos y meteorológicos 

en  Panamá  hacen  difícil  a  los  investigadores  llegar  a  conclusiones  contundentes  que  puedan 

ayudar a una buena planificación. Este problema debe ser abordado, pero entretanto, el reto es 

tratar  de  entender  los  procesos  hidrológicos  que  ocurren  en  las  cuencas  con  los  registros 

disponibles. 

La relación lluvia‐escorrentía en la cuenca del Río Juan Díaz no se entiende completamente y su 

rápida  respuesta debido a  las  lluvias de alta  intensidad en el área es una preocupación en  la 

comunidad y en las autoridades. Los registros meteorológicos e hidrológicos en la cuenca del Río 

Juan Díaz son  limitados. El objetivo principal de esta tesis fue establecer que tan bien se podía 

representar  hidrológicamente  la  cuenca  del  Río  Juan Díaz  con  los  registros  disponibles  de  la 

instrumentación existente hoy en día en  la misma. Esto se  realizo con un modelo hidrológico, 

WASMOD,  y  con  un modelo  estadístico,  regresión  lineal múltiple.  Ambos modelos  simularon 

escorrentía diaria y mensual por un período de 21 años. Para el balance hídrico a largo plazo, se 

graficaron  en  la  escala  anual  los  datos  de  caudal  contra  los  datos  de  precipitación  para 

establecer una relación entre ambas variables. 

Registros de precipitación de una estación meteorológica activa, la cual era la más próxima a la 

cuenca de las estaciones con registros disponibles, fueron utilizados en este estudio para estimar 

la  precipitación  promedio  areal  de  la  cuenca,  dado  que  hoy  en  día  no  hay  ninguna  estación 

meteorológica  activa  dentro  de  la  misma.  En  la  escala  diaria  y  mensual,  no  fue  posible 

representar bien la cuenca del Río Juan Díaz con los dos métodos seleccionados. Incertidumbres 

en  los datos de entrada  y  salida  fueron  consideradas  las  razones de  las pobres  simulaciones. 

Dicho lo anterior, se puede concluir que la instrumentación existente en la cuenca hoy en día no 

es  suficiente  para  su  modelación  hidrológica.  En  el  balance  hídrico  a  largo  plazo,  la 

instrumentación  existente  podría  usarse  pero  cuidado  debe  tenerse  si  esta  aproximación  es 

utilizada ya que  la  cantidad  limitada de datos en esta escala estaba dispersa alrededor de  las 

predicciones.  

Esfuerzos  tienen  que  hacerse  para  alentar  a  los  tomadores  de  decisiones  en  Panamá  para 

aumentar  la  instrumentación existente en  la cuenca del Río  Juan Díaz, para así poder hacer  la 

misma posible para predicciones que servirán para una mejor planificación de sus recursos. 

Palabras Claves: Juan Díaz, WASMOD, Regresión Lineal Múltiple, Instrumentación Existente.    

Page 6: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

  

REFERAT 

ANVÄNDBARHET  AV  TILLGÄNGLIGA  ÖVERVAKNINGSDATA  FÖR  NEDERBÖRD 

OCH VATTENFÖRING I JUAN DIAZ‐FLODENS AVRINNINGSOMRÅDE, PANAMA 

Reynolds,  J.,  Institutionen  för  geovetenskaper, Uppsala Universitet,  Villavägen  16,  752  36 

Uppsala 

Behovet  av  vattenresurser och den höga  frekvensen  av hydrometeorologiska naturkatastrofer har 

ökat  intresset  för  hydrologiska  studier  i  Panama.  Vattenföringsuppskattningar  är  viktiga  för  en 

effektiv vattenförvaltning  i varje avrinningsområde men den begränsande mängden och kvalitén på 

hydrologiska  och meteorologiska  data  i  Panama  gör  det  svårt  för  forskare  att  dra meningsfulla 

slutsatser  som underlag  för en  god  vattenförvaltning. Detta problem måste  adresseras och under 

tiden  är  forskningens  utmaning  att  klarlägga  så  mycket  som  möjligt  av  ett  avrinningsområdes 

hydrologiska egenskaper utifrån tillgängliga data. 

Förhållandet mellan  nederbörd  och  avrinning  i  Juan Diaz‐flodens  avrinningsområde  är  otillräckligt 

känt och det snabba svaret på intensiv nederbörd i området är ett samhällsproblem. Meteorologiska 

och hydrologiska data är begränsade  i  Juan Diaz‐flodens avrinningsområde. Huvudsyftet med detta 

examensarbete  var  att  fastställa  hur  väl  den  hydrologiska  regimen  i  Juan  Diaz‐flodens 

avrinningsområde  kunde  förstås  med  tillgängliga  data  från  befintliga  mätstationer.  Studien 

genomfördes med hjälp av en hydrologisk modell, WASMOD, och en statistisk modell, linjär multipel 

regression. Båda modellerna  simulerade dagliga och månatliga  vattenföringar  för en 21‐årsperiod. 

Avrinningsområdets långsiktiga vattenbalans beräknades med ett diagram där flerårsmedelvärden av 

vattenföring ritades upp mot flerårsmedelvärden av nederbörd. 

Det  fanns  inga  aktiva  väderstationer  inom  avrinningsområdet  och  nederbördsmätningar  från  den 

aktiva  väderstation med  tillgängliga  data  som  låg  närmast  användes  för  att  skatta  nederbördens 

arealmedelvärde. 

Det gick  inte att representera Juan Diaz‐flodens dagliga eller månatliga vattenföringsdynamik på ett 

tillfredställande  sätt  med  de  två  modellerna.  Osäkerheten  hos  nederbördsindata  och 

vattenföringsdata  för  kalibrering  ansågs  vara  orsak  till  de  dåliga  simuleringarna.  De  nuvarande 

hydrologiska  och  meteorologiska  mätstationerna  räcker  inte  för  att  modellera  denna  dynamik. 

Nuvarande mätdata  kan  användas  för  att  fastställa  avrinningsområdets  vattenbalans över  flera  år 

men även denna är osäker med stor spridning av värdena. 

Det behövs  insatser  för  att övertala beslutsfattare  att utöka befintliga mätprogram  för  Juan Diaz‐

flodens avrinningsområde om vattenförvaltningen inom området skall kunna grundas på tillförlitliga 

hydrologiska beräkningar. 

Nyckelord: Juan Diaz‐floden, WASMOD, linjär multipel regression, befintliga mätstationer 

 

   

Page 7: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Page 8: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

  

CONTENTS 

LIST OF FIGURES........................................................................................................................1 

LIST OF TABLES..........................................................................................................................3 

1. INTRODUCTION.....................................................................................................................5 

2. STUDY AREA AND METHODS................................................................................................7 

2.1. Study Area.....................................................................................................................7 

2.1.1. Generalities..........................................................................................................7 

2.2. Literature Review and Methodology...........................................................................9 

2.2.1. Description of the Hydrological Model..............................................................10 

2.2.1.1. WASMOD.............................................................................................11 

2.2.1.2. Input Data............................................................................................11 

2.2.1.3. WASMOD Model Structure..................................................................11 

2.2.1.4. Evapotranspiration Losses...................................................................12 

2.2.1.5. Slow Flow Component.........................................................................15 

2.2.1.6. Fast Flow Component..........................................................................15 

2.2.1.7. Routing Routine of Fast Flow Component...........................................16 

2.2.1.8. Calculated Runoff and Water Balance.................................................16 

2.2.2. Linear Multiple Regression Analysis...................................................................17 

2.3. Available Data..............................................................................................................18 

2.3.1. Meteorological Data...........................................................................................18 

2.3.2. Hydrological Data...............................................................................................20 

2.3.3. Historical Flood Records.....................................................................................23 

3. DATA PREPARATION...........................................................................................................24 

3.1. Precipitation................................................................................................................24 

3.1.1. Quality Control of the Precipitation Data...........................................................24 

3.1.2. Estimation of Missing Precipitation Data...........................................................26  

Page 9: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

  

3.1.3. Double Mass Analysis.........................................................................................28 

3.1.4. Precipitation as Input Data.................................................................................29 

3.2. Potential Evapotranspiration......................................................................................32 

3.2.1. Estimation of Missing Pan Evaporation Data.....................................................32 

3.2.2. Quality Control of Potential Evapotranspiration Data.......................................32 

3.3. Temperature................................................................................................................33 

3.3.1. Estimation of Missing Temperature Data...........................................................33 

3.4. Relative Humidity........................................................................................................33 

3.4.1. Estimation of Missing Relative Humidity Data...................................................33 

3.5. Observed Discharge.....................................................................................................34 

3.5.1. Quality Control of Observed Discharge Data.....................................................34 

3.6. Flood Dates Registered................................................................................................40 

3.6.1. Quality Control of the Flood Records.................................................................40 

4. MODEL QUALITY..................................................................................................................41 

4.1. WASMOD Calibration and Quality of the Simulations..............................................41 

5. RESULTS...............................................................................................................................43 

5.1. WASMOD Simulations.................................................................................................43 

5.2. Linear Multiple Regression..........................................................................................47 

5.3. Long Term Rainfall‐Runoff Relationship.....................................................................53 

6. DISCUSSION.........................................................................................................................54 

7. CONCLUSIONS.....................................................................................................................56 

ACKNOWLEDGEMENTS...........................................................................................................57 

REFERENCES.............................................................................................................................58 

ANNEX A. List of Equations used in this thesis for the WASMOD system 

 (snow free catchment) ......................................................................................................61 

ANNEX B. Annual Potential Evapotranspiration Map created by ETESA, 1971−2002...........62

Page 10: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

1  

LIST OF FIGURES 

Figure 1. Location of the Juan Diaz River Basin (Map Source: ETESA, 1999)…….………………...…7 

Figure 2. WASMOD Model Structure for a Snow Free Catchment.  

Modified from Frevert and Singh (2002)………..……………….………..………………………………….11 

Figure 3. Budyco Diagram (Sivapalan, 2001)…………………………………………………………………..……14 

Figure 4. Flood Prone Areas due to the Juan Diaz River. Map created with 

information from documents of ETESA (1999) and SINAPROC (2005)……………………..……20 

Figure 5. Location of meteorological and hydrological stations with available 

records located within and outside the Juan Diaz River basin..…………..…………….............21 

Figure 6. Summary of the available data from the different stations within  

and outside the Juan Diaz River basin on a yearly time scale……..….………………………..……21 

Figure 7. Number of Floods Registered per Year in the Juan Diaz Township….……………..…….23 

Figure 8. Double mass plot between precipitation records of the Tocumen  

meteorological station and the other 6 stations with available records.……….……………..28 

Figure 9. Elevation ranges of the Juan Diaz River basin at the discharge station. 

Map Source: USGS (2011)……………………..………………………………………………….......…………...30 

Figure 10. The long term accumulated precipitation registered  

(from 1985 till 2000) at meteorological stations with available  

records versus the elevation in which these are located.……………………………………………..31 

Figure 11. Observed Monthly Discharge ‐Juan Diaz and  

Monthly Precipitation‐Tocumen 1985−2005………………..…………………..……………………….…35 

Figure 12. Observed Daily Discharge‐Juan Diaz and Daily Precipitation‐Tocumen 

Aug−Dec 2005.…………………………………….…………………………………………………………………….…36 

Figure 13. Observed Daily Discharge‐Juan Diaz and Daily Precipitation‐Tocumen  

April−Dec 1991.…………………………………………………………………………………………………………….36 

Figure 14. Observed Daily Discharge‐Juan Diaz and Daily Precipitation‐Tocumen  

Jun−Dec 1986.…………………………………..……………………………..……………………………………….…37 

Figure 15. Observed Daily Discharge‐Juan Diaz and Daily Precipitation‐Tocumen.  

A corresponds to the period between May−Dec 1995.  

B corresponds to the period between May−Dec 1998.  

C corresponds to the period between May−Dec 1999….……………………..…………………….…38 

Page 11: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

2  

Figure 16. Observed Daily Discharge‐Juan Diaz and Daily Precipitation‐Tocumen  

May−Dec 2003.………………………………………………………………………………………………………….…39 

Figure 17. Observed discharge and rainfall recorded during flood dates from  

1985 till 2005………..……………………………………………………………………….………………………….…40 

Figure 18. Observed versus Calculated Daily Runoff / WASMOD ‐ Juan Diaz.  

A corresponds to the period between May−Dec 1989. 

B corresponds to the period between May−Dec 1990. ………..……………………………………...43 

Figure 19. Observed versus Calculated Daily Runoff / WASMOD ‐ Juan Diaz. 

A corresponds to the period between May−Dec 1999. 

B corresponds to the period between May−Dec 2005……………………………………………….…44 

Figure 20. Observed versus Calculated Monthly Runoff / WASMOD ‐ Juan Diaz 

(1988−2005)…………………………………………………………………………………………………………………45 

Figure 21. Observed versus Estimated Daily Runoff  

/ Linear Multiple Regression ‐ Juan Diaz (1999)…………………………..……….……………………...47 

Figure 22. Observed versus Estimated Daily Runoff  

/ Linear Multiple Regression ‐ Juan Diaz  

A corresponds to the period between May−Dec 1986. 

B corresponds to the period between May−Dec 1995. 

C corresponds to the period between May−Dec 2005…………………………..……………………..48 

Figure 23. Observed versus Estimated Monthly Runoff / Linear Multiple Regression  

‐ Juan Diaz (1985−2005)……………………………………………….……………………………………………...50 

Figure 24. Observed versus Estimated Daily Runoff / Linear Multiple Regression  ‐ Soil Moisture Proxy (total rainfall of the 30 previous days) ‐ Juan Diaz. A corresponds to the period between May−Dec 1986. B corresponds to the period between May−Dec 1989. C corresponds to the period between May−Dec 1998…………………….……………………………52 

Figure 25. Observed Yearly Runoff versus Yearly Rainfall Data…………………..………………….……53 

 

 

 

 

 

   

Page 12: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

3  

LIST OF TABLES 

Table 1. Summary of the available daily precipitation records of the  

meteorological stations located once within the Juan Diaz River basin…….………………….18 

Table 2. Summary of the available daily precipitation records of the  

meteorological stations located in the neighboring basins of the  

Juan Diaz River basin…………………………………………………………………………………………………….19 

Table 3. Distance in kilometers between meteorological and  

hydrological‐stations…………………………………………………………………………………………………….22 

Table 4. Percentage difference between the annual precipitation of the  

station with the missing record and the annual precipitation of the  

three closest stations with available data………………………………………………..…………………..27 

Table 5. The long term accumulated precipitation registered  

(from 1985 till 2000) at meteorological stations with available records  

and the elevation in which these are located…..…………………………………………………………..31 

Table 6. Long term runoff coefficient………………….……………………………………………………………...39 

Table 7. Best model parameter set obtained from manual calibration……………………..…………42 

Table 8. Values of objective functions applied to the calculated runoff  by WASMOD from 1985−2005…………………………………..………………………………………….……..46  

Table 9. Values of objective functions applied to the estimated runoff  

by linear multiple regression from 1985 to 2005……..…………………………………………………..49 

Table 10. Values of objective functions applied to the estimated runoff  

by linear multiple regression when an approximation of soil moisture  

was added as independent variable. Estimation performed on a daily  

scale from 1985−2005……………………………………………………………………………………………….…51 

 

Page 13: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

4  

   

Page 14: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

5  

 

1. INTRODUCTION

Accurate runoff estimation is one of the biggest challenges (if not the biggest) in hydrological 

modeling. This  information  is essential for effective water resources management, e.g., for 

urban planning, flood risk assessment, water supply, irrigation, long term water balance.  

According to the World Meteorological Organization (Arcia, 2006), the country of Panama is 

one of the nations with small water scarcity problems (second in Central America). It has 52 

watersheds and close to 500 rivers (350 flowing to the Pacific coast and 150 flowing to the 

Caribbean coast). The mean annual volume of water generated by the precipitation events in 

the whole country is around 224 thousand million cubic meters (ANAM, 2004), but less than 

10% is used.  

Many sectors  in the country, such as hydropower,  inter‐oceanic navigation, agriculture and 

human  consumption,  are  dependent  on  water  resources,  but  its  misuse  and  lack  of 

protection  threaten  its  availability.  According  to  The  National  Authority  of  Environment 

(ANAM, 2004), Panama has a surface area capable for  irrigation of close to 1,870 km2, but 

due to the uneven spatial and temporal distribution of rainfall, surface runoff for irrigation is 

only used on 717 km2. This means, that there is a water deficit on almost 62% of the areas 

capable  for  irrigation. According  to  the National Census of 2010  (INEC, 2010), Panama has 

close to 3.5 million habitants. In 2006, around 11 % of the population of the country lacked 

drinking water  supplies,  and  only  a  group  of  between  27%  and  35%  got  drinking water 

continuously (Arcia, 2006). 

All  this  is  happening  in  a  country  that  is  growing  fast,  that  projects  the  drinking water 

demand to double in the next 30 years (ANAM, 2004) and that projects the expansion of the 

Panama Canal by 2014, which will demand more water in order to permit the traffic of more 

ships through it.  

To complicate matters even more, Panama has one of the highest rainfall  intensities  in the 

world (Hoyos, 2011), making  it vulnerable to flood events. Panama District, where Panama 

City  (the  main  city)  is  located,  has  close  to  450,000  habitants  (INEC,  2010)  and  is 

experiencing an accelerated expansion. In the whole country, Panama District is considered 

to be the zone with the highest flood risk (McKay, 2004).  

The  township  with  the  biggest  surface  area  and  with  the  most  habitants  living  within 

Panama District  is Juan Diaz (36 km2 and close to 100 thousand habitants, according to the 

National Census of 2010). The flood events that occur in the Juan Diaz Township and in some 

neighboring  townships  are  mainly  caused  by  an  accelerated  urbanization  growth  and 

planning that is not taking the flood risk into consideration. Next to the principal river of this 

area,  in  the  lower  part  of  the  basin,  landfills  have  been  carried  out  to  establish  housing 

projects.  This  has  decreased  the  hydraulic  capacity  of  the  river,  increasing  the  risk  for 

flooding.  Previous  studies  have  been  made  in  the  Juan  Diaz  River,  mostly  focused  on 

Page 15: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

6  

hydraulic  aspects  and  frequency  analysis  of  its  records.  According  to  some  studies,  the 

riverbed  can  handle  runoffs  that  occur  on  average  every  2.33  to  5  years  (CALTEC,  2010; 

ETESA, 1999). 

All of the above have increased the interest in hydrological studies, but the limited quantity 

(and  quality)  of  the  available  hydrological  and  meteorological  data  makes  it  hard  for 

researchers to come to conclusive statements that can support good planning. 

Back  in  1999,  ETESA  (a  Panamanian  energy  company),  in  coordination  with  SINAPROC 

(National System of Civil Protection), put  in practice a  system  for  real  time  forecasting of 

floods in the Juan Diaz River basin, in which its meteorological and hydrological network was 

increased, but due to the regular occurrence of the events and because the system was not 

solving  the  problem,  stakeholders  and  participants  lost  their  interest,  and  presently  the 

records obtained  from  those  stations  (nowadays  inactive) are not available  (or were  lost). 

Despite  the  system  is  no  longer  in  practice,  a  learning  feedback  should  be made  of  this 

project  in order  to apply  (or not)  the  lessons  learned  from  it  in any new  flood  forecasting 

system that will be implemented in the country.    

The issue of limited quantity of data has to be addressed, but meanwhile the challenge is to 

try to understand the hydrological processes occurring  in any catchment with the available 

data.  

The  relationship  between  rainfall  and  runoff  in  the  Juan  Diaz  River  basin  is  not  well 

understood, and  its fast response due to high rainfall  intensities  in the area  is a concern  in 

the community and authorities, but little efforts have been made to solve this flood problem 

and  to  solve  the  actual  and  upcoming  water  supply  problem.  By  understanding  the 

hydrological processes occurring  in this basin, plans can be developed  for better  flood risk 

management or for better use of this water resource.  The main objective of this thesis was 

to establish how well the Juan Diaz River basin can be hydrologically represented by records 

of the available instrumentation. 

From the main objective, this study had the following specific objectives: 

1. To  find  a  relationship  between  rainfall  and  runoff  from  the  available  data  of  the 

basin in the daily and monthly resolution and in the long term. 

2. To determine if the available instrumentation is sufficient for modeling. 

   

Page 16: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

2. STU

2.1. ST

2.1.1. G

The Jua

surface 

approxi

691 m a

m x 90 

Diaz Riv

above s

These c

drains r

high  ins

river flo

flow fro

hrs, resp

DY AREA 

TUDY AREA

Generalit

n Diaz Rive

area  of  12

mately 24 k

above sea l

m that was

ver basin ha

sea level, an

characterist

runoff faste

stantaneous

ow of 1.5 m

om  its highe

pectively. 

Figure

AND MET

ies 

r basin is lo

20  km2  and

km. The bas

evel accord

s obtained 

as abrupt ch

nd its longit

ics create a

r to the low

s discharge

/s was assu

est point ti

e 1. Location

THODS 

ocated sout

d  drains  to

sin has a rou

ding to a Dig

from the U

hanges in el

tudinal prof

a lack of sto

wer part of t

es.  In a stud

umed and w

ll the urban

of the Juan 

h‐east of Pa

o  the  Pacifi

ugh topogra

gital Elevat

USGS Hydro

levation fro

file shows s

orage capac

the basin, w

dy made by

with that in 

n area and 

Diaz River B

anama City

c  Ocean.  It

aphy and its

ion Model 

oSHEDS data

om its highe

slopes in th

city in the u

with small c

y ETESA  (19

mind, the c

till the coa

Basin (Map S

(Figure 1). 

ts main  riv

s elevation 

with a spat

a base (USG

est point un

e order of 1

pper part o

oncentratio

999), an ave

concentratio

st was give

Source: ETES

This basin 

ver  has  a  le

ranges from

tial resolutio

GS, 2011). T

til it reache

10% (ETESA

of the basin

on times ge

erage spee

on time of t

en as 3.61 a

 

SA, 1999). 

covers a 

ength  of 

m 0 m to 

on of 90 

The Juan 

es 100 m 

A, 1999). 

n,  which 

nerating 

d of  the 

the river 

and 4.90 

Page 17: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

8  

Climatologically speaking, Panama has two precipitation regimes, the Pacific regime and the 

Atlantic  regime. These  two are mainly  caused by  the yearly migration of  the  Intertropical 

Convergence Zone  (ITCZ), by  the semi‐permanent anti‐cyclone  from  the North Atlantic, by 

Panama's proximity  to both  the Atlantic and Pacific Oceans, and by  the  topography of  the 

area, which results in a high spatial variation of the rainfall. These two precipitation regimes 

are limited by the continental divide. At the same time, two well defined climate seasons are 

distinguished  in Panama:  the dry season  that begins  in  January  (when  the  ITCZ  is south of 

Panama)  and  finishes  in  April,  and  the wet  season  that  starts  in May  (when  the  ITCZ  is 

moving north of Panama) and finishes in December. When the ITCZ is established, there is a 

secondary  dry  season where  the  rain  decreases  between  July  and August.  By  the  end  of 

August, beginning of September, the ITCZ starts moving south generating the rains with the 

highest  intensities of  the  rainy  season. Normally, September and October are  the  rainiest 

months (ATIES, 1996; ETESA, 1999). 

The Juan Diaz River basin  is found  in the Pacific regime, where the weather that prevails  is 

arid, and that  is characterized by abundant rainfall events normally occurring between the 

evening  and  early  night  time  hours.  In  the  Pacific  regime,  between  85%  and  93%  of  the 

annual rainfall happens during the wet season (UNESCO, 2008). 

The  average  temperature  of  the  basin  is  around  27  OC.  The  minimum  and  maximum 

temperatures of  the basin  are  around 24  OC  and 32  OC  respectively. The  average  relative 

humidity  of  the  basin  is  around  79%  (information  based  on  records  from  1985  to  2005 

belonging to the Tocumen meteorological station. Records provided by ETESA). 

Generally,  the  rainfalls  of  the  basin  are  convective  and  orographic.  According  to  ETESA 

(1999), the annual mean precipitation of the upper part of the basin (above 300 m above sea 

level)  and  the  lower  part  of  the  basin  are  3,200  mm/annual  and  2,000  mm/annual, 

respectively. The Cerro Azul meteorological station, once an active station within  the  Juan 

Diaz River basin located at an elevation of 660 m above sea level, registered a mean annual 

precipitation  of  4,256 mm  from  1976  till  1985  (McKay,  2004), with  high  records  in  1979 

(5,065 mm), 1980 (6,861 mm) and 1981 (8,423 mm).   

The geology of the basin is variable. The oldest rocks of the basin are of sedimentary origin 

and are composed of marine sandstone, alluvium, limestone, lavas and shale (ATIES, 1996). 

The  rocks of  the central upper part of  the basin are composed of  limestone, basalt,  lavas, 

tuffs and agglomerates, while the rocks on the bottom part of the basin are composed of an 

unconsolidated material and alluviums.  In the northwestern and western part of the basin, 

the "Panama Formation" can be found, which is composed by strata of agglomerates and by 

andesitic  tuffs,  inter  spread  with  alluvial  conglomerates.  The  high  permeability  of  the 

"Panama Formation" makes a high volume of precipitation  to drain  into  the groundwater 

storage  (ATIES,  1996).  Meanwhile  in  the  northern  and  northeastern  part  of  the  basin, 

substrate igneous of lavas and tuffs of basalt and andesite, spaced by bodies of diorites and 

dacites can be found.    

Page 18: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

9  

2.2. LITERATURE REVIEW AND METHODOLOGY 

Different disciplines, such as hydrology and civil engineering, are interested in the amount of 

runoff generated in a basin due to a given pattern of precipitation (Cedeño, 1997).  

Many  studies  have  been  made  with  the  purpose  of  developing  a  relation  between 

precipitation, evaporation and  runoff, but  the variability of many other  factors  that affect 

these  processes,  such  as  precedent  rainfall,  soil  moisture,  infiltration,  make  it  hard  to 

understand the runoff responses to each rainfall event (Cedeño, 1997; Hoyos, 2011). 

To establish how well  the  Juan Diaz River basin  can be hydrologically  represented by  the 

available data, one hydrological model and a statistical method were applied. Both methods 

were  performed  in  daily  and  monthly  time  steps  in  an  attempt  to  find  a  relationship 

between rainfall and runoff in both resolutions from the available data of the basin. For the 

long term water balance, a graph showing discharge against rainfall data was also plotted in 

the yearly scale to establish a relationship between the two variables. 

   

Page 19: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

10  

2.2.1. DESCRIPTION OF THE HYDROLOGICAL MODEL 

A hydrological model is a simplified version of the processes that take place in a catchment. 

Unfortunately,  most  of  these  hydrological  processes  are  complex  and  if  we  plan  to 

understand  some  of  the  aspects  occurring  in  a  catchment,  it  is  necessary  to  simplify  the 

description of some of them (Xu, 2010a).  

If most of  these hydrological processes occurring  in a catchment are well understood,  the 

effects  or  impacts  caused  by  changes  can  be  determined.  Another  and  one  of  the most 

important objectives  in hydrological modeling  is  to  forecast  floods and  runoff  volumes  to 

asses future spatial and temporal distribution of water resources in a catchment. 

There are many hydrological models available, but the choice of the best model depends on 

the problem, objectives and available data (Haan, 1982). 

A conceptual model applies physical  laws but  in a simplified form (Xu, 2010a). This type of 

model is mostly used for understanding rainfall‐runoff processes (Hoyos, 2011), and it is also 

well known for modeling with limited information (Morales, 2010).   

In terms of spatial variability of the inputs, outputs, or parameters, lumped models treat the 

catchment as a homogenous whole. Lumped models use average values of  the catchment 

characteristics  that  affect  the  runoff  volume.  These  models  are  mostly  used  for  flood 

forecasting, water resources assessment, dam‐reservoir design and operation (Xu, 2010a). 

For  this  study,  the Water  And  Snow  balance MODeling  system  (WASMOD) was  chosen. 

WASMOD  is  a  conceptual  lumped  model  used  for  streamflow  simulations  from  both 

snowmelting and rainfall. This model was chosen because it has been used for water balance 

investigations, as well as for river flow forecasting in countries with widely diverging climates 

and soil characteristics. Another reason this model was chosen, was because of the flexibility 

of its equations and its input requirements. 

   

Page 20: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

2.2.1.1

The WA

For  this

catchme

only 4 p

2.2.1.2

The WA

potentia

observe

precipit

2.2.1.3

The sch

catchme

the eva

storage

evapotr

routing 

 

1. WASMO

ASMOD syst

s  study,  sin

ent, the mo

parameters 

2. INPUT D

ASMOD  sys

al evapotra

ed  daily  (or

tation and p

3. WASMO

heme of the

ents, all the

potranspira

,  smt,  as 

ranspiration

routine wa

Fig

OD 

tem has 3  t

nce  the  Ju

odel will sim

were used.

DATA 

stem  accep

anspiration,

r monthly) 

potential ev

OD MODE

e model  for

e precipitat

ation  losses

active  ra

n, et, to the 

s added to 

gure 2. WAS

M

 

to 7 param

uan  Diaz  Ri

mulate the 

  

ts  different

  temperatu

discharge  f

vapotranspir

EL STRUCT

r a snow  fre

ion, pt, is ra

s, et. The re

ainfall.  Lat

fast flow co

the fast flow

MOD Model

Modified from

11 

meters, depe

iver  basin

streamflow

t  combinat

ure and  rel

for  calibrat

ration were

TURE 

ee catchme

ainfall, rt. O

emainder of

ter,  the  s

omponent,

w compone

l Structure fo

m Frevert an

ending on  t

is  characte

ws generate

ions  of  dai

ative humid

tion.  For  th

e used as in

ent  is show

ne part of t

f rainfall co

soil  moistu

ft, and to t

ent to distri

or a Snow Fr

nd Singh (200

the climate

erized  by  b

d only from

ly  (or mon

dity as  inpu

his  study,  d

put data for

wn  in Figure

this rainfall 

ontributes t

ure  storag

he slow flow

bute it in ti

ree Catchme

02). 

e of  the stu

being  a  sn

m rainfall; th

nthly)  preci

ut data, alo

daily  (and m

r the mode

e 2. For this

contribute

to the soil m

ge  contrib

w compone

me. 

ent.  

dy area. 

ow  free 

herefore 

pitation, 

ong with 

monthly) 

l. 

s type of 

s first to 

moisture 

utes  to 

ent, st. A 

 

Page 21: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

12  

2.2.1.4. EVAPOTRANSPIRATION LOSSES 

The actual evapotranspiration losses, et, "describes all the processes by which liquid water at 

or near  the  land surface becomes atmospheric water vapor under natural conditions"  (Xu, 

2010a).  The  evaporation  loss  is  one  of  the water‐balance  least  understood  components 

because of its complex processes and difficulty to measure (Jones, 1997).  

The actual evapotranspiration reaches  its maximum value when the water supply to plants 

and  soil  surface  is  unlimited.  This  unlimited  water  supply  is  called  potential 

evapotranspiration,  ept. This  last one  is  approximately equivalent  to  the evaporation  that 

will occur from a big surface of water, such as a lake (Cedeño, 1997). 

The  WASMOD  system  considers  two  factors  to  calculate  the  actual  evapotranspiration 

losses, et : daily (or monthly) potential evapotranspiration, ept, and the available water, wt, 

during a day  (or a month) t. The actual evapotranspiration  is a  function of the two  factors 

just mentioned (Frevert and Singh, 2002). 

The available water during a day (or month) t is defined by equation (1). 

……………………………………………………………….............................................(1) 

where 

wt: available water during a day (or month) t, 

pt: total rainfall during a day (or month) t, 

smt‐1: available  storage  from  the previous day  (or month)  t.  It  is an approximation of  the 

wetness of the soil. For every time step, this has to be greater than or equal to 0.  

The  relationship  between  actual  evapotranspiration,  et,  potential  evapotranspiration,  ept, 

and  the  available water, wt,  during  a  day  (or month)  t  can  be  better  understood  by  the 

following statements: 

et increases with ept and wt 

et = 0 when wt = 0 or ept = 0 

et <= ept, and et <= wt 

et = ept when wt = ∞  

In this study, potential evapotranspiration was unavailable. In principle, it can be estimated 

from net radiation, wind, temperature and humidity, or by a measurement that relates the 

previous variables, such as pan evaporation.  

In practice  it  is very common to estimate  lake evaporation by measuring pan evaporation. 

Pan evaporation consists of measuring the daily difference of the water  level  from an  iron 

pan, which is positioned around 0.20 m above the ground surface on a small plinth. This pan 

evaporation measured is higher than the evaporation that occurs from a lake surface. This is 

Page 22: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

13  

caused by  radiation and heat  changes effects. Pan evaporation has  to be adjusted with a 

correction  factor  (Cedeño,  1997).  This  correction  factor  is  not  constant  in  time,  and  its 

variation  depends  on  the  type  of  pan,  climate  and  location  of  the measurement  (Jones, 

1997).  Normally  this  factor  varies  from  0.5  and  1.0  (Xu,  2010a),  but  specific  correction 

factors may have to be found by calibration for any given situation.   

The pan used  in the country of Panama  is the US NWS Class A pan. It consists of a cylinder 

with a diameter of 1.22 m, and a height of 0.25 m. For this type of pan, the correction factor 

is between 0.60 and 0.80 (Jones, 1997). 

After choosing the correction factor, some  long term water balance considerations have to 

be checked. The  long term sum of potential evapotranspiration, Ep, plus the  long term sum 

of  the observed discharge, Q,  should be  larger or much  larger  than  the  long  term  sum of 

precipitation, P (Xu, 2010a). This is because the long term sum of actual evapotranspiration, 

E, plus  the  long  term sum of  the observed discharge, Q, should be equal  to  the  long  term 

sum  of  precipitation,  P  (Sivapalan,  2001);  and  the  long  term  sum  of  actual 

evapotranspiration,  E,  should  be  smaller  than  the  long  term  sum  of  potential 

evapotranspiration, Ep (Xu, 2010a). The above can be resumed by the following statements: 

Ep + Q >> P 

E + Q = P 

E < Ep 

To calculate actual evapotranspiration,  the WASMOD  system uses  two equations. One  for 

energy limited systems and the other for water limited systems. Water limited systems refer 

to  those where  the actual evapotranspiration  is controlled by  the available  rainfall  in  it;  it 

doesn't  matter  how  high  the  potential  evapotranspiration  is  (Sivapalan,  2001).  These 

systems are characterized by low annual precipitation, by infiltration events that barely wet 

the vegetation root zone and by transpiration processes  limited by the water availability  in 

the  soil  (Guswa,  2005). Water  limited  systems  are  found  in  arid  climates.  Energy  limited 

systems are the opposite of water limited systems. In other words, if water is plentiful, then 

the system is energy limited. Energy limited systems are found in humid climates. 

One way  to  determine  if  the  system  is water  limited  or  energy  limited  is  by  the  Budyko 

diagram  (Figure 3), which  represents  the  ratio of  the  long  term evapotranspiration  losses 

divided  by  the  long  term  precipitation  (E/P)  as  a  function  of  the  long  term  potential 

evapotranspiration divided by the long term precipitation (Ep/P). "E/P is a measure of annual 

water balance", meanwhile "Ep/P is a measure of the climate" (Sivapalan, 2001). Ep/P values 

above  1  represents water  limited  systems, while  Ep/P  values  below  1  represents  energy 

limited systems. 

 

 

Page 23: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

In this s

an ener

m

where 

a4:  is  th

lim

the

 

 

study, the s

rgy limited s

min

he  paramet

ited system

e greater the

Figu

system  is an

system is de

1

ter  that  de

m, a4 is cons

e actual eva

 

ure 3. Budyco

n energy  lim

efined by eq

, ,

termines  th

strained by 

apotranspir

14 

 

o Diagram (S

mited syste

quation (2):

………………

he  actual  e

0 <= a4 <= 

ration losses

Sivapalan, 20

em. The equ

:  

…………………

evapotransp

1. The sma

s will be.  

001). 

uation that 

…….............

piration  los

ller the valu

 

WASMOD 

..................

sses.  For  an

ue of param

uses for 

.......(2) 

n  energy 

meter a4, 

Page 24: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

15  

2.2.1.5. SLOW FLOW COMPONENT 

The slow flow component depends on the available storage in the catchment during the day 

(or month) t in study. The slow flow component is defined by equation (3): 

 …………………………………………………………………........................................(3) 

where 

a5: is a positive parameter, which controls the fraction of the runoff that represents the base 

flow. A high value of a5 produces a greater fraction of base flow. The latter is expected 

to be the case in forest areas and in areas with sandy soil (Frevert and Singh, 2002). 

b1: is a positive parameter related to the slow flow component. Since this parameter is highly 

correlated to a5, it takes standard values (e.g., 0, 0.5, 1 or 2). For arid regions, b1 is fixed 

to 0.5 or 1.  

 

2.2.1.6. FAST FLOW COMPONENT 

The fast flow component depends on the active rainfall, nt, on the soil moisture storage, smt, 

and on the physical characteristics of the catchment that are reflected in the parameters. 

The active rainfall is defined by equation (4): 

1 , ……………………………………………………………........................(4) 

where 

rt: is rainfall 

The fast flow is defined by equation (5): 

………………………………………………………………....................................(5) 

where 

a6: is a positive parameter, which controls the fraction of the runoff that represents the fast 

flow. The higher the degree of urbanization, the average basin slope and the drainage 

density,  then higher  the parameter a6  should be.  Lower  values of  this parameter are 

expected in forest areas (Frevert and Singh, 2002). 

b2: is a positive parameter related to the fast flow component. Since this parameter is highly 

correlated to a6, this one is fixed to 1 or 2.  

   

Page 25: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

16  

2.2.1.7. ROUTING ROUTINE OF THE FAST FLOW COMPONENT 

A routing routine parameter was  introduced to  the  fast  flow component to distribute  it  in 

time. This parameter gives a sense of the response time of any basin (Morales, 2010).   The 

routing routine applied in this study is explained by equations (6 to 8) (Westerberg, 2010): 

……………………………………………………………………….......................................(6) 

………………………………………………………………………………...................................(7) 

……………………………………………………………………….....................................(8) 

where 

sct: is the routing storage for the day (or month) t 

rft: is the routed fast flow component for the day (or month) t 

Rf: is a positive parameter, which controls the fraction of the routing storage that represents 

the direct runoff of a day (or month) t. Rf is constrained by 0 <= Rf <= 1. 

 

2.2.1.8. CALCULATED RUNOFF AND WATER BALANCE 

The calculated daily (or monthly) runoff is defined by equation (9): 

…………………………………………………………………………….......................................(9) 

where 

dt: calculated runoff for a day (or month) t. 

The soil moisture storage at the end of the day (or month) t is updated by the water balance 

equation (10), which is: 

max , 0 ……………………………………………….................(10) 

   

Page 26: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

17  

2.2.2. LINEAR MULTIPLE REGRESSION ANALYSIS 

The statistical method used to find a relationship between rainfall and runoff was the linear 

multiple regression. The general objective of the linear multiple regression is to learn about 

the  relationship  between  several  independent  variables  and  a  dependent  variable  (Xu, 

2010b). This method  is utilized  to predict one variable with  the knowledge of others. The 

linear multiple regression estimates a linear equation of the form: 

∗ ∗ … . . ∗ …………………………………………...........(11) 

where 

Y: dependent variable 

X1, X2,..Xp: independent variables  

A, b1, b2…bp: regression coefficients 

The  regression  coefficients  represent  the contribution  of  each  independent  variable  to 

predict the dependent variable. 

The dependent variable was the total (or calculated) runoff, and the  independent variables 

were  precipitation,  potential  evapotranspiration,  relative  humidity  and  temperature  for  a 

day (or month) t. In this method, the whole data series was used to predict the dependent 

variable. 

Additional  linear multiple  regressions  were  performed  to  study  the  runoff  responses  to 

accumulated rainfall events. In this approach, an approximation of soil moisture was added 

to  the  independent  variables  set  to  predict  the  observed  discharge  records.  This 

approximation of soil moisture for each day t was assumed to be the accumulated value of 

previous rainfall events (for example: the total rainfall of the previous 3, 5, 10 or 30 days). 

The whole data series was used in this approach to predict the dependent variable.  

   

Page 27: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

18  

2.3. AVAILABLE DATA 

2.3.1. METEOROLOGICAL DATA 

Back  in the beginning of the 70s, until the  late 90s, the Juan Diaz River basin used to have 

two  active meteorological  stations within  it:  "Cerro Azul"  and  "Las  Cumbres". Nowadays, 

there are no active meteorological stations within the basin. 

From  these  two  stations, ETESA provided daily precipitation  records. A  summary of  those 

rainfall records is shown in Table 1.  

TABLE  1.  Summary  of  the  available  daily  precipitation  records  of  the  meteorological  stations 

located once within the Juan Diaz River basin. 

Station  Latitude  Longitude  Elevation  (m.a.s.l.) 

Period of Available Data (years) 

Cerro Azul  9° 10´ 00" N  79° 25´ 00" W  660  1993−1998 *1 Las Cumbres  9° 05´ 00" N  79° 32´ 00" W  200  1985−1997 *2

 

ETESA also provided daily precipitation  records of other meteorological stations  located  in 

neighboring basins: "Hato Pintado*3", "Tocumen*4", "Utive*5", "Loma Bonita*5" and "Altos de 

Pacora*5", all of which are active stations except the Utive station. A summary of the rainfall 

records obtained from these five (5) stations is shown in Table 2. All the stations mentioned 

in this section are (or were) rain gauge stations, where only one daily measurement of the 

amount of rainfall is (or was) taken on each station at 7:00 a.m.  

 

*1: With missing data in 1995, 1997 and 1998 (92% of the daily data from 1993−1998 were available). 

*2: With missing data in 1995 and 1997 (99% of the daily data from 1985−1997 were available). 

*3: Belongs to a hydrographical basin located between the Caimito and Juan Diaz Rivers. 

*4: Belongs to a hydrographical basin located between the Juan Diaz and Pacora Rivers. 

*5: Belongs to the hydrographical basin of the Pacora River. 

 

 

 

   

Page 28: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

19  

TABLE  2.  Summary  of  the  available  daily  precipitation  records  of  the  meteorological  stations 

located in the neighboring basins of the Juan Diaz River basin. 

Station  Latitude  Longitude  Elevation (m.a.s.l.) 

Period of Available Data (years) 

Hato Pintado  9° 00´ 00" N  79° 31´ 00" W  45  1987−2003 *1 Tocumen  9° 03´ 56" N  79° 23´ 31" W  14  1985−2005 *2 Utive  9° 09´ 00" N  79° 20´ 00" W  80  1985−1999 *3 Loma Bonita  9° 10´ 00" N  79° 15´ 00" W  100  1985−2003 *4 Altos de Pacora  9° 14´ 44" N  79° 20´ 59" W  850  1985−2002 *5

 

The Tocumen station is the only active station that measures several types of meteorological 

parameters.  Besides  the  precipitation  records,  records  of  three  other  parameters  were 

obtained  from  the Tocumen  station  for  this  study: pan evaporation,  relative humidity and 

temperature.  The  available  daily  records  of  these  three  parameters were  from  1985  till 

2005. 

For every year, at least one daily pan evaporation datum was missing. 93% of the daily pan 

evaporation data from 1985−2005 of the Tocumen sta on were available. 

The daily relative humidity records were complete in the years 1985, 1987, 1994 and 1999. 

For the rest of the years, at least one daily relative humidity record was missing. 97% of the 

daily relative humidity data from 1985−2005 of the Tocumen sta on were available. 

In 11 out of the 21 years of available daily temperature data, there was at least one missing 

datum. 98% of  the daily  temperature data  from 1985−2005 of  the Tocumen  station were 

available. 

 

*1: With missing data in 1987 (97% of the daily data from 1987−2003 were available). 

*2: Also available in hourly scale from 1986 until 2005. 

*3: With missing data in 1989 and 1994 (99% of the daily data from 1985−1999 were available). 

*4: With missing data in 1992, 1994, 1997, 2002 and 2003 (96% of the daily data from 1985−2003 were available). 

*5: With missing data in 1986, 1987, 1992, 1996, 1997, 1998, 1999, 2001 and 2002 (94% of the daily data from 1985−2002 were available). 

 

 

   

Page 29: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

2.3.2. H

Nowada

location

from w

upstrea

The elev

102 km

the Juan

ETESA a

missing 

87% of t

Every da

each da

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  4

h

w

HYDROLO

ays, there is

n of this sta

here  the  Ju

m from wh

vation posi2 (area high

n Diaz River

also provide

data from 

the daily da

aily record 

ay.   

4.  Flood  Pro

hydrological

with informa

OGICAL DA

s only one a

tion is 9° 0

uan Diaz Ri

ere the floo

tion of the 

hlighted  in o

r basin.  

ed daily reco

1985 till 19

ata from 19

correspond

one  Areas  d

l station and

ation from d

ATA 

active hydro

3´ 00" N an

iver begins 

od prone ar

hydrologica

orange  in F

ords of this

987, also in

85 till 2005

ds to the ave

ue  to  the  Ju

d the light bl

documents o

20 

ological sta

nd 79° 26´ 0

  in Cerro A

reas begin (

al station is

Figure 5), a

s station fro

 1994, 1995

 were availa

erage hourl

uan  Diaz  Ri

lue areas re

of ETESA (199

tion within 

00" W, appr

Azul  and  it 

Figure 4). 

s 8 m above

nd  for this 

om 1985 till 

5 and from

able.   

ly discharge

ver.  The  re

present the 

99) and SINA

the Juan D

roximately 1

is  situated 

e sea level. 

study, this 

2005. Thes

2000 till 20

e from 00:00

d  dot  repre

flood prone

APROC (2005

Diaz River ba

17 km dow

  at  less  tha

This statio

area  is ref

se daily reco

005. For th

0 till 24:00 

esents  the  J

e areas. Map

5). 

asin. The 

nstream 

an  1  km 

n covers 

ferred as 

ords had 

is study, 

hours of 

uan  Diaz 

p created 

Page 30: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Figure 5

a

Figure 6

D

As  it  ca

records

station 

1980

. Location of

and outside 

6. Summary 

Diaz River ba

an  be  seen

 available w

that had th

19

P ‐ Cerro P ‐ Hato PP ‐ UtiveP ‐ Altos d

f meteorolog

the Juan Dia

of  the avail

asin on a yea

  in  Figure 

were Cerro 

e same yea

985

AzulPintado

de Pacora

gical and hy

az River basi

lable data  fr

arly time sca

6,  the met

Azul and T

ars of availa

1990

21 

drological st

in.  

rom  the diff

ale.   

teorological

ocumen re

ble records

1995

tations with 

ferent statio

l  stations w

spectively. 

s as the Juan

2000

P ‐ Las CumP, Pan EvaP ‐ Loma BQ ‐ Juan D

available re

ons within a

with  the  sh

The  latter w

n Diaz statio

20

mbresp, Temp, HumBonitaiaz

ecords locate

and outside 

hortest  and

was the on

on.       

005

m ‐ Tocumen

  

ed within 

 

the  Juan 

  longest 

ly active 

2010

Page 31: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

22  

TABLE 3. Distance in kilometers between meteorological and hydrological‐stations 

  Cerro Azul 

*1 

Las Cumbres

*1 

Hato Pintado

*1

Tocumen*2

Utive*1

Loma Bonita 

*1 

Altos de 

Pacora*1

Juan Diaz

*1

Cerro Azul*1  ‐  17.30  21.41 11.53 9.30 18.33  11.23 13.14

Las  Cumbres*1 

17.30  ‐  9.83 17.26 24.89 33.67  28.44 13.20

Hato  Pintado*1 

21.41  9.83  ‐ 15.52 26.30 33.60  33.82 10.72

Tocumen*2  11.53  17.26  15.52 ‐ 11.19 18.05  23.82 4.91

Utive*1  9.30  24.89  26.30 11.19 ‐ 9.20  10.53 15.54

Loma  Bonita*1            

18.33  33.67  33.60 18.05 9.20 ‐  14.98 23.01

Altos de Pacora*1 

11.23  28.44  33.82 23.82 10.53 14.98  ‐ 23.32

Juan Diaz*3  13.14  13.20  10.72 4.91 15.54 23.01  23.32 ‐

 

From  Table  3,  it  can  be  seen  that  the  closest  meteorological  station  to  the  Juan  Diaz 

hydrological station is the Tocumen station (4.91 km). 

*1: Rain gauge station. 

*2: Meteorological station, which measures several types of meteorological parameters. 

*3: Discharge station. 

 

   

Page 32: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

23  

2.3.3. HISTORICAL FLOOD RECORDS 

The historical  flood  records of  the  Juan Diaz Township were obtained  from  the SINAPROC 

data‐base. As  a  complement of  the  SINAPROC  records,  additional  flood days were  added 

according to other documents of ETESA and other articles (McKay, 2004), where the last had 

flood dates that are not registered in the first one.  

The  historical  flood  records  are  from  1978  till  2009.  In  that  period,  there were  56  flood 

events  recorded  in  the  Juan Diaz Township. From  those 56 events, 6 were  recorded  from 

1978 till 1990, 27 were recorded from 1993 till 2000, and 23 were recorded from 2004 till 

2009. At first sight of Figure 7, it can be stated that the flood records are incomplete because 

there are few events before 1990 (this could be attributed to the fact that SINAPROC started 

to work as an entity at the beginnings of the 80s), additional to the last, there are no flood 

events in 1991, 1992, 1994, 1999 and from 2001 till 2003. For this thesis, the flood records of 

interest were from 1985 till 2005. 

Figure 7. Number of Floods Registered per Year in the Juan Diaz Township 

 

 

   

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Number of Floods Registered

Time in Years

Page 33: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

24  

3. DATA PREPARATION 

Uncertainties in any model prediction result from errors in input data, errors in output data 

(data for model calibration), errors in parameters, and errors in model structure (Xu, 2010a; 

Refsgaard and Storm, 1996).  

One way to reduce errors in the input and output data is by performing quality control to the 

available data. 

3.1. PRECIPITATION 

Precipitation  is  the  largest quantity  in  the hydrological  cycle  (Xu, 2010a). Previous  studies 

have  shown  that  errors  in  precipitation  data  are more  (if  not  the most)  important  than 

errors in other input variables (Westerberg, 2009).  

3.1.1. QUALITY CONTROL OF THE PRECIPITATION DATA 

Quality  control  of  the  precipitation  data  started with  a  visual  data  inspection  along with 

some considerations for each case.  

All  the  daily  precipitation  records were  plotted  to  identify  extreme  rainfall  events  (daily 

values greater than 100 mm), as well as the monthly precipitation records were plotted to 

identify seasonality. 

For  extreme  rainfall  events  recorded  in  each  station,  some  considerations were  taken  in 

order to consider if those events actually happened. First, the average precipitation of the 3 

closest stations to the one who recorded the extreme rainfall on that day was calculated. If 

the  average  precipitation  of  that  day  from  these  three  stations was  below  20 mm,  the 

extreme rainfall event was removed. This was the consideration with the highest weight to 

remove extreme rainfall events. 

Another consideration taken to check extreme rainfall events was to check if there was any 

precipitation registered (on the same station) in previous days to this extreme event, as well 

as the day of the week in which this event occurred (e.g., Monday, Tuesday, ...Sunday). This 

was  done  to  check  if  the  extreme  rainfall  event  registered  on  that  day  was  not  an 

accumulation of rainfall events that occurred in previous days (e.g., it could be the case that 

the observer was absent to register the precipitation records for various days, and when the 

observer came back to register the rainfall records, the observer could have registered  for 

one day the accumulated precipitation of the previous days when he or she was absent). For 

this study, all the cases when the extreme rainfall event had no precipitation on the previous 

days,  the average precipitation of  the  three closest  stations  to  the one who  recorded  the 

extreme rainfall event was above 20 mm, therefore no extreme rainfall event was removed 

due to this consideration. 

Page 34: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

25  

Frequency of  recurrence  for every month was  also  checked. Values were  flagged  if  there 

were more  than 10 values  (or  integer numbers)  repeated within a month, which  is highly 

unlikely.   

Sequence dry days  longer  than eight  (8) were  checked  if  they happened during  the  rainy 

season.  

Quality  control was more  extensive  for  the  Tocumen meteorological  station  since  hourly 

records were also available.  For effects of  comparison,  for every day a daily precipitation 

value was  calculated by doing  the  sum of  the hourly precipitation  records  from 00:00  till 

24:00.  

When  the  accumulated  hourly  precipitation  record  (AHPR) was  different  to  the  observed 

daily  precipitation  record  (ODPR)  of  any  given  day,  some  considerations  were  taken  to 

choose one or the other.  

Rounding errors were found in some days when comparing the AHPR to the ODPR (e.g., on 

one case  the ODPR was 10.8 mm and  the AHPR was 1.8 mm). This  type of errors may be 

cause by incorrectly readings of the glasses. In these cases, the AHPR were chosen. 

There  were  days  where  the  ODPR  was  lower  than  the  AHPR,  but  not  by  a  significance 

amount (e.g., on one case the ODPR was 3.7 mm and the AHPR was 4.3 mm). This could be 

explained  by  imprecise  measurements  due  to  water  spillage,  wetting,  evaporation  or 

imperfections on the equipment. In these cases, the AHPR were also chosen. 

There were sequences of days  in which  the ODPR and  the AHPR did not match, but when 

comparing  the  accumulated precipitation of both during  those days, both  sums were  the 

same  (or very  close). This  could be  the  case  that  the observer was absent  to  register  the 

daily records  for some days and he  (or she) distributed what he read on  the day he came 

back in the days he was absent. In these cases, the AHPR were also chosen. 

There were days where the ODPR was too high compared to the AHPR, or vice versa (e.g., on 

one case the ODPR was 48.2 mm and the AHPR was 0.00 mm). In these cases, a comparison 

with the records of the other meteorological stations was performed on those days (similar 

to  the  one  done  to  check  if  the  extreme  rainfall  events  happened).  If  the  precipitation 

records of the other meteorological stations in that given day were considerably high (above 

20 mm in average), then the highest value between the ODPR and the AHPR was chosen; if 

not,  then  the  lowest one was chosen. The days,  in which  there was not a clear pattern  in 

which value to choose, were flagged.  

   

Page 35: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

26  

3.1.2. ESTIMATION OF MISSING PRECIPITATION DATA 

In addition to the errors mentioned above, missing data in the precipitation records also had 

to be dealt with (see Tables 1 and 2); because of the absence of observer or due to technical 

problems of the equipment. 

To  estimate  missing  and  removed  precipitation  data  (during  the  quality  control),  the 

Arithmetic Mean Method with  a  correction  factor was used.  This method  consists of  the 

simple arithmetic mean of the daily precipitation records of the three closest stations (with 

available  records)  to  the  one where  the  record  is missing,  plus  a  correction  factor.  This 

correction  factor was  used when  the  annual  precipitation  of  at  least  one  of  these  three 

stations  differed more  than  10%  from  the  annual  precipitation  of  the  station  with  the 

missing record (Cedeño, 1997). As it can be seen in Table 4, the previous was the case for all 

the years. The Arithmetic Mean Method with a correction factor used in this study is defined 

by equation (12). 

 ................................................................................(12) 

where 

P: estimated daily precipitation of the station with the missing record. 

Pa,  Pb,  Pc:  daily  precipitation  of  the  three  closest  stations  to  the  one  where  the  daily 

precipitation record is missing. 

N: Annual accumulated precipitation of the station with the missing record(s). When more 

than  the half of  the records  in a year was missing,  the value of N was estimated. First, an 

annual average was estimated with  the annual  records of  this station  that had no missing 

data. The percentage of contribution by every month to calculate this annual average was 

estimated  as  well.  The  value  of  N  used  in  a  given month  to  estimate  its missing  daily 

record(s), for a year that had more than half of  its records missing, was assumed to be the 

annual  average  (estimated  previously) minus  the  percentage  contributed  by  this month 

(when their records were complete).     

Na, Nb, Nc: Annual accumulated precipitation of the three closest stations to the one where 

the record  is missing. For every case, the three stations chosen had no missing data  in that 

year.     

As it can be seen in Figure 6, because of the small numbers of stations with available records 

after the year 2000 (4 stations in 2001 and 2002, 3 in 2003, 2 in 2004 and 1 in 2005), it was 

decided to only fill the missing records for every station from 1985 till 2000. 

 

   

Page 36: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

TABLE 4

*1: For eve

in each

4. Percentage

record and

ry station with m

h row represent t

e difference

d the annual 

missing precipitat

he 3 stations use

e between th

precipitatio

ion data (these a

d for each case t

27 

he annual p

on of the thre

are shown in the 

to estimate the m

precipitation

ee closest st

second column f

missing precipitati

of the stati

tations with 

for every year), t

ion data.  

ion with the

available da

the values highlig

e missing 

ata *1 

 

ghted in bold 

Page 37: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

3.1.3. D

After  fil

consiste

average

individu

precipit

Change

instrum

A straig

station 

double 

for ever

conditio

then the

Figure 8

a

 

 

 

DOUBLE M

lling  the m

ency  of  the

e precipitat

ual station b

tation of on

s  can  be 

ment, metho

ght  line was

against  the

mass plot o

ry station, i

ons. If a stra

e changes i

. Double ma

and the othe

MASS ANA

issing preci

e  rainfall  da

ion of  certa

because the

ne  station  i

understood

od of observ

s obtained 

e  annual  a

of the Tocum

t can be sa

aight line w

n slope sho

ass plot betw

er 6 stations

 

ALYSIS 

pitation  rec

ata.  This m

ain number

eir errors co

is  sensitive 

d  as  a  cha

vation.  

when plott

ccumulated

men station

id that the 

was not obta

uld have be

ween precipit

s with availab

28 

cords, doub

method  is  b

r of  station

ompensate 

to  the  cha

ange  in  th

ting  the ann

d  average 

n shown in F

records of 

ained in the

een adjuste

tation recor

ble records.

ble mass an

based  on  th

ns  is not  se

each other

anges  that 

e  location 

nual accum

precipitatio

Figure 8). Si

each statio

e double ma

d. 

ds of the To

nalysis was 

he  fact  tha

nsitive  to  t

r; meanwhi

occur  to  th

of  the  in

mulated prec

on  of  the  o

ince the pre

on were obt

ass plot of a

cumen mete

 used  to ch

at  the  accu

the  changes

le the accu

his  (Cedeño

nstrument, 

cipitation  f

other  statio

evious was 

tained by t

any of the s

 

eorological s

heck  the 

mulated 

s of one 

mulated 

o, 1997). 

type  of 

or every 

ons  (e.g. 

the case 

he same 

stations, 

station 

Page 38: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

29  

3.1.4. PRECIPITATION AS INPUT DATA 

The  precipitation  input  data  for  the  models  have  to  be  introduced  as  an  areal  mean 

precipitation. Errors  in  areal mean precipitation  are due  to  the high  spatial  and  temporal 

variability of precipitation (Xu, 2010a). This spatial variability can be explained in part due to 

the orographic effect of  the  topographic  characteristics of any  catchment,  since at higher 

elevations  rainfall  intensity  tends  to  be  higher  than  at  lower  elevations  (Hoyos,  2011; 

Goovaerts, 1999).  

In small catchments, one rain gage may produce sufficient  information for  long term water 

balance  forecasting  (Hoyos,  2011;  Xu,  2010a).  A  very  dense  network  of  rain  gauges  is 

necessary for an accurate estimation of the spatial and temporal distribution of rainfall in a 

catchment,  as well  as  for  accurate  runoff  estimations  (Goovaerts,  1999).  Records  from  a 

network of rain gauges are useful for estimating flood peaks or for determining the spatial 

variability of runoff production from individual events (Xu, 2010a).   

For this study, only one station was used for estimating the areal mean precipitation of the 

Juan  Diaz  River  basin.  The  Tocumen meteorological  station was  chosen  because  it  is  an 

active station, being the closest to the basin, and because its available records matched with 

the observed discharge records of the hydrological station  (from 1985  till 2005). Since this 

station  is  located at an elevation of 14 m above sea  level and at higher elevations  rainfall 

intensities are expected to be higher, the precipitation records of the Tocumen station had 

to be adjusted with an elevation factor to get an estimation of the long term rainfall at the 

average elevation of the basin at the discharge station. 

The  average elevation of  the  Juan Diaz River basin upstream  the discharge  station  is 171 

meters above sea  level. This elevation was calculated with equation  (13)  (Monsalve Sáenz, 

1999).  

∑ ∗

∑ ............................(13) 

where 

n: corresponds to the total numbers of cells that integrates the basin in the Digital Elevation 

Model. Every cell dimension of the Digital Elevation Model available was 90 m x 90 m. 

"Area  i": corresponds to the area of each cell that  integrates the basin,  for this case every 

cell had an area of 0.0081 km2.  

As it can be seen in Figure 9, the Juan Diaz River basin has two large contributories, one that 

comes from the north and one that comes from the west.  

Page 39: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Figure 9

o

a

To  obta

register

located 

seen  in

precipit

the curv

. Elevation r

on top; 3D v

are in meter

ain  the  elev

red on all  t

was plotte

n  Figure  10

tation and e

ve with the 

ranges of the

view is show

rs. Map Sour

vation  facto

he stations

ed  (the prev

0,  a  curve 

elevation. F

data.  

e Juan Diaz R

wn below). D

rce: USGS (20

or  a  graph 

(from 198

vious data 

was  then  f

For this plot

30 

River basin a

Dimensions 

011). 

showing  t

5  till 2000)

of each sta

fitted  to  th

t, Las Cumb

at the discha

in the color 

he  long  te

 versus  the

ation are sh

he  data  to 

bres station

 

arge station 

bar and in t

rm  accumu

e elevation 

hown  in Tab

find  a  rel

n was omitt

(plant view 

the axes "x"

ulated  prec

in which  th

ble 5). As  it

ationship  b

ted for bett

 

is shown 

" and "y" 

ipitation 

hese are 

t can be 

between 

ter fit of 

Page 40: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

TABLE 

met

Name

Hato 

Tocum

Cerro

Las C

Utive

Loma

Altos

 

Figure 

met

From Fi

long  ter

basin. T

at  the  a

precipit

 

 

5.  The  lon

teorological 

e of Station 

Pintado 

men 

o Azul 

umbres 

a Bonita 

s de Pacora 

10.  The  lo

teorological 

gure 10 (or

rm  precipit

The elevatio

average  ele

tation at the

ng  term  ac

stations wit

Acc

ong  term  a

stations wit

r by using th

tation was 

on factor res

evation  of 

e Tocumen 

 

ccumulated 

th available 

cumulated P1985−2000

31

28

47

35

40

42

57

accumulated

th available 

he equation

calculated 

sults from t

the  upper 

station. For

31 

precipitatio

records and

Precipitation0 (mm) 

1,955 

8,435 

7,738 

5,253 

0,798 

2,307 

7,146 

d  precipitat

records vers

n derived fro

at  the  ave

the division

part  of  the

r this study,

on  register

 the elevatio

 

ion  register

sus the eleva

om the fitte

rage  elevat

n of the long

e  basin  and

, the elevat

red  (from 

on in which t

Eleva(m above

6

2

8

red  (from 

ation in whic

ed curve), a

tion  of  the 

g term estim

d  the  long 

ion factor w

1985  till  2

these are loc

vation  e sea level) 

45 

14 

660 

200 

80 

100 

850 

1985  till  2

ch these are

an estimatio

  upper  par

mated prec

term  accu

was 1.54. 

2000)  at 

cated.  

 

2000)  at 

 located.  

on of the 

rt  of  the 

ipitation 

mulated 

Page 41: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

32  

3.2. POTENTIAL EVAPOTRANSPIRATION 

The  pan  evaporation  records  of  the  Tocumen  meteorological  station  were  used  as  the 

potential evapotranspiration data with a correction factor. But first, the missing data in the 

pan evaporation records had to be filled. 

 

3.2.1. ESTIMATION OF MISSING PAN EVAPORATION DATA 

The pan evaporation records of the Tocumen station had at least one missing daily datum in 

every year of the series. Most of the missing gaps (91% of the missing data) were 1 to 4 days 

long. There were only 3 gaps longer than 5 days. One was a 6−day gap (from 22−Dec−89 to 

27−Dec−89), another was a 15−day gap  (from 28−Sep−02  to 12−Oct−02), and  the  last one 

was a 28−day gap (from 21−Sep−93 to 18−Oct−93). 

For  all  these  gaps,  the  pan  evaporation missing  records were  estimated  by  doing  linear 

interpolation between the value before and after each gap. After all the missing data were 

filled, the average pan evaporation was calculated for the months where the longest missing 

gaps were filled, and then compared to the  long term monthly average pan evaporation  in 

which  those  long  gaps  happened.  For  example,  the  28−day  gap  occurred  between 

September and October, after  filling  that gap,  then  the average pan evaporation of  those 

two months in particular (with estimated values) were compared with the long term average 

pan evaporation of September and October. The monthly average pan evaporation of  the 

two  longest gaps was  similar  to  the  long  term monthly average pan evaporation  in which 

these gaps occurred. 

 

3.2.2. QUALITY CONTROL OF POTENTIAL EVAPOTRANSPIRATION DATA 

The correction factor used for this study was set to 1 in order to satisfy the long term water 

balance condition (EP + Q >> P).  

As  a  comparison,  the  annual  average  of  the  estimated  potential  evapotranspiration was 

compared  to  the annual average potential evapotranspiration map of Panama  created by 

ETESA (UNESCO, 2008). See the previous map in ANNEX B.  

The annual average of  the estimated potential evapotranspiration  in  this  study was 1,589 

mm (from 1985 to 2005) and the annual average from the potential evapotranspiration map 

was 1,388 mm  (from 1971  to 2002). Although  these  two differed approximately 15%,  the 

correction factor was considered to be good enough for modeling since the long term water 

balance condition was satisfied with the value chosen.  

   

Page 42: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

33  

3.3. TEMPERATURE 

The temperature records of the Tocumen meteorological station were used as a reference of 

the  temperature of  the  Juan Diaz River basin. No modification was made  to  the available 

temperature records. These records also had missing data which had to be filled. 

3.3.1. ESTIMATION OF MISSING TEMPERATURE DATA 

There were 4 gaps of missing data  longer  than 6 days: a 61−day gap  (from 01−May−94  to 

30−June−94), a 59−day gap (from 01−Jan−94 to 28−Feb−94), a 14−day gap (from 29−Sep−02 

to  12−Oct−02),  and  an  8−day  gap  (from  23−Nov−03  to  30−Nov−03).  These  4  gaps 

represented 80% of the missing data.  

All the missing data from 1994 till 1999, including the two longest gaps were filled using the 

atmospheric data‐base of  the  International Research  Institute  for Climate and Society  (IRI, 

2011). The following two  longer gaps (the one with 14− and the one with 8−day gap) were 

filled  using  the  Wunderground  data‐base  (Wunderground,  2011).  Both  data‐bases  have 

Tocumen as a reference. 

For  all  the  other  gaps,  the missing  temperature  records were  estimated  by  doing  linear 

interpolation between the value before and after each gap.  

3.4. RELATIVE HUMIDITY 

The  relative  humidity  records  of  the  Tocumen  meteorological  station  were  used  as  a 

reference of the relative humidity of the Juan Diaz River basin. No modification was made to 

the available relative humidity records. These records also had missing data which had to be 

filled. 

3.4.1. ESTIMATION OF MISSING RELATIVE HUMIDITY DATA 

There were 5 gaps of missing data  longer than 5 days: a 30−day gap  (from 01−April−88 to 

30−April−88),  two  27−day  gaps  (from  05−Jan−92  to  31−Jan−92,  and  from  01−Mar−93  to 

27−Mar−93),  a  14−day  gap  (from  29−Sep−02  to  12−Oct−02),  and  an  8−day  gap  (from 

23−Nov−03 to 30−Nov−03). These 5 gaps represented 54% of the missing data. 

For the three longest gaps in the relative humidity records (the one of 30 and the two of 27 

days), there were no data‐base found to fill their missing values. All the missing data from 

1996  till 2005 were  filled using  the Wunderground data‐base,  including  the  following  two 

longer gaps (the one of 14 and the one of 8 days).  

Besides  the three  longest gaps, which could not be  filled, most of  the missing data before 

1996  were  1−  to  3−day  gaps.  These  last  were  estimated  by  doing  linear  interpolation 

between the value before and after each gap.   

Page 43: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

34  

3.5. OBSERVED DISCHARGE 

There is high uncertainty in every observed discharge record, since these are based on water 

level measurements  taken  in  river  cross  sections  that  change  in  time due  to erosion  and 

sedimentation processes (Westerberg, 2008).  

The  available  observed  discharge  records  also  had missing  data,  but  for  this  study  those 

values were not  filled. Since  it  is not known how uncertain  the available data  is, applying 

methods such as linear interpolation will make the records more uncertain. Even though the 

missing  data  was  not  filled,  some  quality  control  was  made  of  the  available  discharge 

records. 

The original unit of the observed daily discharge records was volume per time  (m3/s). This 

was transformed to runoff (mm) by using the area of the Juan Diaz River basin upstream of 

the discharge station (102 km2). 

 

3.5.1. QUALITY CONTROL OF OBSERVED DISCHARGE DATA 

Quality control of the discharge records in this study started with a visual data inspection. 

Observed monthly discharge records were plotted to  identify seasonality (Figure 11). From 

this  plot,  the  observed monthly  discharge  records  from August−2005  ll December−2005 

were flagged and checked on the daily time scale because these discharge records were high 

compared to previous years. As it can be seen in Figure 12, the daily data from August−2005 

till December−2005 besides being high values, no pattern could be  found. This uncommon 

behavior during this period was expected to cause difficulties in the simulations.   

The  precipitation  values  shown  in  Figures  11  to  17  and  in  Figure  25  correspond  to  the 

adjusted  precipitation  values  obtained  in  Section  3.1.4.  The  observed  discharge  values 

shown in Figures 11 to 25 correspond to the transformed runoff records in Section 3.5.  

 

 

 

 

 

 

   

Page 44: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

 

 

   

35 

Figure 11. O

bserved M

onthly Discharge

 ‐Juan

 Diaz (dark blue line) an

d M

onthly Precipitation‐Tocumen (red bars) 1985−2005. 

Page 45: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Figure  1

(red

figu

men

Frequen

runoff  v

purple d

Figure  1

(red

max

eve

 

 

12. Observed

d bars) Aug−

ure  were  fix

ntion. 

ntly  occurri

value  11.16

dashed circ

13. Observed

d bars) April

ximum prec

en though th

d Daily Disc

−Dec 2005. T

xed  to  100 

ing  values w

6 mm was 

le in Figure 

d Daily Disc

−Dec 1991. T

cipitation an

ere were hig

 

charge‐Juan 

The maximu

mm,  even 

were  found

repeated  c

13).  

charge‐Juan 

The purple d

nd observed 

gher values t

36 

Diaz  (dark 

um precipita

though  the

d  and  flagg

consecutive

Diaz  (dark 

dashed circle

discharge v

than the pre

blue  line)  a

a on and ob

ere  were  hi

ged  on  the 

ely  from  01

blue  line)  a

e represents

values  in  thi

evious menti

nd Daily  Pre

bserved disc

igher  values

daily  scale

1−Oct−91 

nd Daily  Pre

s a frequent 

s  figure wer

ion. 

ecipitation‐T

charge value

s  than  the 

e.  For  exam

ll  23−Dec−

ecipitation‐T

occurring va

re  fixed  to 

 

Tocumen 

es  in  this 

previous 

mple,  the 

−91  (see 

 

Tocumen 

alue. The 

100 mm, 

Page 46: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Zero  va

consecu

zero val

Figure  1

(red

max

eve

Quality 

compar

During t

records

versa w

found in

irregula

difficult

are  goo

inspecti

 

alues were 

utive zero v

lues were v

14. Observed

d  bars)  Jun−

ximum prec

en though th

control  o

ring the dail

the rainfall

  compared

were found a

n which the

ar cases we

ties in the s

od  or  not, 

ion. 

also  found

alues from 

ery unlikely

d Daily Disc

−Dec  1986. 

cipitation an

ere were hig

f  the  obse

ly runoff res

‐runoff com

  to  rainfall

as it can be

e discharge 

re  flagged 

imulations.

it  will  be 

 

d  and  remo

27−Jul−86 

y because m

charge‐Juan 

The  orange

nd observed 

gher values t

erved  disch

sponses to t

mparison so

events  an

 seen in Fig

was decrea

but not rem

 This decisi

subjective

37 

oved  from 

ll 12−Aug−

most of them

Diaz  (dark 

e  circle  rep

discharge v

than the pre

harge  data

the daily ra

ome  inconsi

d no discha

gures 15 and

asing even 

moved  from

ion was tak

e  to  discre

the  series. 

−86 (see ora

m occurred 

blue  line)  a

presents  a  lo

values  in  thi

evious menti

a  was  follo

infall pulses

istencies su

arge  respon

d 16. In add

thought the

m the data, 

ken because

dit  the  rec

For  examp

ange circle i

during the 

nd Daily  Pre

ong  series  o

s  figure wer

ion. 

owed  by  a

s.  

uch as  low o

nses  to  rain

dition to the

ere was a r

even thou

e it is not kn

cords  by  a

ple,  there w

in Figure 14

rainy seaso

ecipitation‐T

of  zero  val

re  fixed  to 

a  visual  ins

observed d

nfall pulses

e latter, cas

rainfall puls

gh they ma

nown if the

applying  jus

were  17 

4). These 

on.  

 

Tocumen 

ues.  The 

100 mm, 

spection 

ischarge 

s or  vice 

ses were 

e. These 

ay cause 

e records 

st  visual 

Page 47: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Figure 1

(red

A co

May

pre

the

 

15. Observed

d bars). The 

orresponds 

y−Dec  1998

cipitation an

re were high

d Daily Disch

green circle

to  the perio

8.  C  corres

nd observed

her values th

 

harge‐Juan 

s represent 

od between 

ponds  to  t

d discharge v

han the prev

38 

Diaz  (dark b

inconsistenc

 May−Dec 1

the  period 

values in thi

vious mentio

blue  lines) a

cies found in

1995. B corr

between  M

s figure wer

on. 

and Daily Pre

n the rainfal

esponds  to 

May−Dec  19

e fixed to 10

ecipitation‐T

l‐runoff com

the period 

999.  The  m

00 mm, eve

 

Tocumen 

mparison. 

between 

maximum 

n though 

Page 48: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

 

Figure  1

(red

run

wer

After  th

coefficie

precipit

evapotr

0.66, ca

for the 

by doin

year, all

Even  th

modelin

hydrolo

TABLE 6

YEAR 

1985 

1986 

1987 

1988 

1989 

1990 

 

 

 

16. Observed

d bars) May

off compari

re fixed to 10

he  previou

ent  results 

tation  (Q/P

ranspiration

alculated as

21 years of

g the sum 

l the years o

hough  stran

ng  from  19

ogically repr

. Long term 

RunoffCoefficie

0.52 

0.69 

0.78 

0.64 

0.73 

0.70 

d Daily Disc

y−Dec  2003. 

ison. The ma

00 mm, even

s  cases  we

from  the d

P).  This  coe

n losses. As 

s the sum o

f available r

of all the d

obtained a 

nge  rainfall 

985  till  200

resented by

runoff coeff

f ent

YEAR

1991 

1992 

1993 

1994 

1995 

1996 

charge‐Juan 

The  green 

aximum pre

n though the

ere  flagged

division bet

efficient  is 

is shown in

f all the day

records. Wh

ays  in whic

runoff coeff

and  runoff

05  to  deter

y records of 

ficient. 

 Runo

Coeffic

0.8

0.6

0.7

0.6

0.5

0.6

39 

Diaz  (dark 

circles  repr

ecipitation a

ere were hig

d,  the  runo

tween  long‐

expected 

n Table 6, t

ys in which

hen calculat

ch there wa

fficient belo

f  behaviors

rmine  how 

the availab

off cient

YEA

87  199

63  199

2  199

62  200

4  200

64  200

blue  line)  a

esent  incon

nd observed

gher values t

off  coefficie

‐term obse

to  be  belo

the runoff c

 there was 

ting the run

as an obser

ow to 1, exc

s were  foun

well  the  J

ble instrume

AR Run

Coeffi

97  0.5

98  0.5

99  0.5

00  0.6

01  0.4

02  0.6

nd Daily  Pre

sistencies  fo

d discharge 

than the prev

ent  was  ch

rved discha

ow  1  due 

coefficient f

an observe

noff coeffic

ved dischar

ept for the 

nd,  these  d

Juan  Diaz  R

entation. 

off cient

YEA

51  200

58  200

59  200

68  ALLTHEDAT

47 

68 

ecipitation‐T

ound  in  the

values  in  th

vious menti

hecked.  The

arge and  lo

to  the  lon

for all the d

ed discharg

ient for eve

rge record 

year 2005. 

data were  u

River  basin

AR Ru

Coeff

03  0

04  0

05  1

L E ATA 

0.

 

Tocumen 

e  rainfall‐

his  figure 

on. 

e  runoff 

ong  term 

ng  term 

data was 

e record 

ery year, 

for each 

 

used  for 

  can  be 

noff ficient

.51 

.47 

.41 

.66 

Page 49: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

3.6. FL

The ava

shown 

known t

 3.6.1. 

First,  th

observe

register

Accordi

precipit

register

values  (

precipit

unlikely

Figure 1

dot

reco

high

 

LOOD DAT

ailable histo

in  Section 

to what ext

QUALITY 

he  observed

ed  discharg

red, there w

ng  to  the  f

tation  regis

red  (see  gre

(below 20 

tation  value

y as well.  

17. Observed

s). Green cir

orded. Purp

h precipitati

TES REGIST

orical flood 

2.3.3.  From

tend these r

CONTROL

d  discharge

ge  data  are

was no obse

flood dates,

stered,  as  w

een  circle 

mm) were 

es  registere

d discharge 

rcle represen

le square re

on recorded

 

TERED 

records of 

m  1985  till 

records are 

L OF THE F

e  and  rainfa

  daily  aver

rved discha

,  there wer

well  as  in 

in  Figure  1

found  regi

ed  above  4

and  rainfall 

nts flood eve

epresents flo

d. 

40 

the Juan D

2005  there

correct. 

FLOOD RE

all  recorde

rages  and  n

arge record

re  flood eve

days  when

17), which  i

stered duri

45 mm  (see

  recorded d

ents register

ood events r

 

iaz Townsh

e  are  31  fl

ECORDS 

d  on  the  fl

not  daily m

ed, perhaps

ents  in day

n  there  wa

is  unlikely. 

ing  the  floo

e  purple  sq

during  flood 

red with low

registered w

ip are not c

oods  regist

lood  dates 

maxima.  In 

s due to its 

ys when  the

as  a  low  o

Also  low  o

od dates  in

quare  in  Fi

dates  from 

w precipitatio

with  low disc

complete, a

tered,  but 

were  plott

four  of  th

magnitude

ere was  litt

observed  d

observed  d

n which  the

igure  17),  w

 

1985  till 20

on and low d

charge recor

as it was 

it  is  not 

ted.  The 

e  floods 

.  

tle or no 

ischarge 

ischarge 

ere were 

which  is 

005  (blue 

discharge 

rded and 

Page 50: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

41  

4. MODEL QUALITY  

Two  performance  measures  (the  Nash‐Sutcliffe  model  efficiency  coefficient  and  the 

coefficient  of  determination)  were  used  to  assess  the  quality  of  the  hydrological  and 

statistical simulations.  

4.1. WASMOD CALIBRATION AND QUALITY OF THE SIMULATIONS 

To assess the quality of any hydrological model,  first  its parameters have to be calibrated. 

Calibration consists of the search for the "best" parameter set, which is the set that gives the 

best fit between the observed and calculated runoff (Xu, 2010a).  

The  WASMOD  calibration  was  performed  manually  and  subjectively  by  changing  the 

parameter sets until most of the peak flows in the observed hydrograph were matched. How 

much we can trust from a simulation depends on how well  it reproduces the observations. 

The calibration period, as well as the simulation period, was from 1985 till 2005. 

Two objective functions were used to determine the quality of the simulations. One of the 

objective  functions was  the Nash‐Sutcliffe model  efficiency  coefficient.  This  coefficient  is 

"one of the most widely used performance measures in hydrology" (Westerberg, 2010). The 

Nash‐Sutcliffe coefficient is defined by equation (14):  

1 ∑

∑ …………………………………………………………………................................(14) 

where 

R2: Nash‐Sutcliffe coefficient 

qt: observed discharge for a day (or month) t. 

dt: calculated runoff for a day (or month) t. 

: mean observed discharge 

The Nash‐Sutcliffe coefficient compares the residual variance (described by the numerator) 

to the initial variance (described by the denominator). This coefficient can range from ‐∞ to 

1. An efficiency of 1 indicates a perfect fit between the observed and the calculated runoff. 

An efficiency of 0  indicates that the calculated runoff  is as accurate as the mean observed 

discharge. Efficiency values below 0  indicate  that  the mean observed discharge  is a better 

predictor than the calculated runoff (Nash and Sutcliffe, 1970). 

The  other  objective  function  used  to  determine  the  quality  of  the  simulations  was  the 

coefficient of determination, R2. This coefficient ranges from 0 to 1. When this is expressed 

as  a percentage,  it  represents  the  ratio  that  can be predicted by  the  regression  line  (Xu, 

2010b). The coefficient of determination, R2, is defined by equation (15): 

Page 51: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

where 

: are t

: is the

: are t

For eve

left afte

were 36

Table 7 

daily an

b1 was t

the bes

tried wi

model r

upper p

*1: For an e

In an at

were es

runoff. 

∑……

the observa

e mean of t

the predicte

ery WASMO

er the warm

65 days and

shows the

nd monthly 

tried for 0, 

st results w

ith 1 and 2,

results were

part of the b

TABL

energy limited sys

tempt to im

stimated ag

…………………

ations of the

he depende

ed values of

OD simulatio

m up period

d 36 months

 best mode

simulations

0.5, 1 and 

ere obtaine

 and the be

e obtained 

basin is a fo

E 7. Best mo

stem, a4 is const

mprove the 

gain, using t

………………..

e dependen

ent variable

f the depen

on, both ob

d. The warm

s respective

el paramete

s.  

2. Since th

ed when b1

est results w

when a6 wa

rest area (s

odel paramet

rained by 0 <= a4

model qua

the average

42 

..................

nt variable

dent variab

bjective  fun

m up perio

ely.  

er set obtai

he Juan Dia

1 was  fixed 

were obtain

as closed to

ee Section 

ter set obtai

4 <= 1. 

lity in the d

es of 3, 5, 10

..................

ble 

nctions wer

ds  for the d

ined from t

z River bas

to 0 or 0.5

ned when b2

o zero, this 

2.2.1.6). 

ined from m

daily simulat

0 and 30 da

..................

re calculate

daily and m

the manual

in  is  located

5  (see Secti

2 was fixed 

could be re

manual calibr

tions, both 

ays of obser

..................

ed with all  t

monthly sim

l calibration

d  in an arid

ion 2.2.1.5)

to 1. Also, 

easonable s

ration. 

objective f

rved and ca

.......(15)

the data 

mulations 

n for the 

d region, 

. b2 was 

the best 

since the 

 

unctions 

alculated 

Page 52: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

5. RESU

5.1. W

No  goo

monthly

On the 

observe

discharg

runoff  r

above 5

every y

most  of

season 

in the fi

18.  

Figure 18

/

A

B

ULTS 

WASMOD S

od  represen

y resolution

daily scale,

ed daily dis

ge records f

ranged  in  t

50 mm repr

ear, at  som

f  the  years

was April. W

irst 5 years 

8. Observed

/ WASMOD 

A correspon

B correspon

SIMULATIO

ntation  of  t

n. In both th

, all the ob

charge  reco

from 1985 t

he same pe

resented le

me point du

s, when  ref

When refer

of simulatio

d (red line) ve

‐ Juan Diaz. 

ds to the pe

ds to the pe

ONS 

the  observ

here were u

served pea

ords below

till 2005 ran

eriod  from 

ss than 0.3

uring  the d

ferring  to  re

ring to resid

ons, especia

ersus Calcula

 

riod betwee

riod betwee

43 

ved  dischar

underestima

aks above 3

w 32 mm w

nged from 

0  to 49 m

5% of the a

ry  season  t

esiduals,  th

duals, the b

ally in the m

ated (dark b

en May−Dec 

en May−Dec 

ge  records

ation and ov

32 mm were

were undere

almost 0 to

m. The obs

available re

the  calculat

he month  b

best simulat

month of De

blue line) Dai

1989.  

1990.  

was  found

verestimati

e underesti

estimated. T

o 214 mm. T

served daily

cords of th

ted daily  ru

best  simula

tions of the

ecember, as

ily Runoff  

d  in  the  d

on of peaks

imated. 50%

The observ

The calculat

y discharge

he rainy sea

unoff was  z

ted  during 

e rainy seas

s is shown i

aily  and 

s. 

% of the 

ved daily 

ted daily 

records 

son. For 

zero. For 

the  dry 

on were 

in Figure 

 

Page 53: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

After th

the beg

In gene

From 19

was mo

after 19

the obs

most of

As  is  sh

produce

simulati

all the o

of its irr

Figure 19

/

A

B

he first five y

ginning or at

ral, for mos

986 till 199

ostly under

995,  the ob

served daily

f the years t

hown  in  Fi

ed  a  poor 

ions from A

observed di

regular beh

9. Observed

/ WASMOD 

A correspon

B correspon

years of sim

t the middle

st of the yea

95, during t

estimated 

bserved dai

y  runoff wa

the observe

igures  18  a

fit  since  th

August−200

ischarge da

avior (see S

d (red line) ve

‐ Juan Diaz. 

ds to the pe

ds to the pe

mulation, th

e of it.  

ars the dry 

he  first mo

until  July. D

ly  runoff w

as mostly u

ed runoff wa

and  19,  th

he  biggest 

5  ll Decem

ta registere

Section 3.5.1

ersus Calcula

riod betwee

riod betwee

44 

e best fits o

season was

onths of the

During  the 

was overest

underestima

as overestim

e  general 

peaks  wer

mber−2005 

ed during th

1). 

ated (dark b

en May−Dec 

en May−Dec 

of the rainy 

s underestim

e rainy seas

previous m

timated.  Fro

ated. Durin

mated.  

perception

re  not  well 

shown in F

hat period w

blue line) Dai

1999. 

2005. 

season occ

mated from

son, the ob

months,  for 

om  Septem

g Decembe

  is  that  th

simulated

Figure 19.B 

were under

ily Runoff  

curred rando

m February 

bserved dail

most of  th

mber  till No

er  and  Janu

he  daily  sim

.  As  expec

were poor

restimated 

omly at 

till April. 

ly runoff 

he  years 

vember, 

uary,  for 

mulation 

ted,  the 

. Almost 

because 

 

Page 54: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

   

45 

Figure 20. O

bserved (red line) versus Calculated (dark blue line) Monthly Runoff / W

ASM

OD ‐ Juan

 Diaz (1988−2005). 

Page 55: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

46  

On the monthly scale, there were also overestimations and underestimations. The observed 

monthly discharge  records  from  1985  till  2005  ranged  from  15 mm  to  764 mm.  In  these 

records, 5 months were  above 500 mm,  all underestimated. Of  those 5, 4 were  found  in 

2005 (from August till November). The calculated monthly runoff by WASMOD ranged from 

0 to 499 mm in the same period. Most of the calculated monthly runoff data above 400 mm 

were  overestimations,  except  one.  During  the  dry  and  rainy  season,  the  months  best 

simulated  for most  of  the  years, when  referring  to  residuals, were  April  and  December, 

respectively. As it can be seen in Figure 20, WASMOD had difficulties to simulate most of the 

peak values in every rainy season, less in 1988, 1989, 1992 and 1996. 

TABLE  8.  Values  of  objective  functions  applied  to  the  calculated  runoff  by  WASMOD  from 1985−2005.  

Input Data    

Calibration Data 

Time Scale 

Objective Function 

1 dayaverage

3−day average

5−day average 

10−day average  

30−day average

Tocumen  (pt, ept) 

Juan_Diaz      (Observed Discharge) 

Daily 

Nash‐Sutcliffe 

0.296 0.402 0.442  0.486  0.551

R2  0.302 0.410 0.451  0.498  0.564

Monthly 

Nash‐Sutcliffe 

0.554 ‐  ‐  ‐  ‐ 

R2  0.560 ‐  ‐  ‐  ‐ 

 

The  values  of  the  objective  functions  in  Table  8  indicate  that  the WASMOD  simulations 

poorly  represented  the  Juan  Diaz  River  basin  with  the  records  of  the  available 

instrumentation. Both objective functions were low on the daily scale. On the monthly scale, 

the  basin was  better  represented,  but  still  poor.  These  results  confirm what was  shown 

graphically; no perfect fit was achieved.  

Both objective functions estimated for the 3, 5, 10 and 30 days averages of the observed and 

calculated runoff (referring to the ones shown  in Table 8) are the best results obtained for 

every case, but each case was not estimated by averaging the "best" single daily simulation 

(referring to the one calculated with the parameters shown in Table 7). In other words, more 

single  daily  simulations were  performed with  different  parameter  sets;  from  these  single 

daily  simulations, many  series  of  n−days  average were  obtained,  and  for  each  series  the 

objective functions were calculated. From all the single daily simulations, the best objective 

functions for every case were not obtained by averaging the "best" single daily simulation.    

When comparing the values of the objective functions resulting from the 30−day averages of 

the observed and calculated runoff to the ones obtained  in the monthly simulation, similar 

results were obtained.  

Page 56: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

5.2. LIN

Many 

evapotr

variable

observe

overest

The set 

consiste

Since so

the pred

rainfall 

On the 

observe

linear m

discharg

rainy se

best mo

of  it  (e.

months

Novemb

observa

 

NEAR MU

combinatio

ranspiration

e,  the  total 

ed  daily  an

imations of

 of  indepen

ed of precip

ome of the 

dictions too

pulses. 

Figure 21

daily scale,

ed discharge

multiple reg

ge  records 

eason. Whe

onth simula

.g.  Figures 

s  of  the  rai

ber,  most 

ations were 

ULTIPLE RE

ons  of  i

n,  humidity

runoff. No

nd  monthly

f the peaks.

ndent varia

pitation, po

independen

ok a cardiog

1. Observed 

Linea

, all the ob

e records be

gression, ran

above 37 m

en  referring

ted during 

22.A  and  2

ny  season 

of  the  o

half overes

EGRESSION

ndependen

y  and  tem

one of  thes

y  runoff.  I

  

bles that ga

tential evap

nt variables

gram behav

(red line) ve

ar Multiple R

served pea

elow 24 mm

nged from 

mm  repres

g  to  residua

the rainy se

22.B).  For m

(until Augu

observation

stimated an

47 

nt  variable

mperature, 

se  combinat

In  both  ca

ave the bes

potranspira

s used in th

vior as show

ersus Estimat

Regression ‐

aks above 2

m were ove

0 to 37 mm

ented  less 

als,  there w

eason, this w

most  of  the

ust) were  o

s  were  u

nd half unde

es,  such 

were  used

tions gave 

ases  there 

st fit using 

ation, temp

is approach

wn in Figure

ted (dark blu

Juan Diaz (1

24 mm were

restimated

m from 198

than 1% o

was not a cl

was random

e  years,  all

overestimat

nderestima

erestimated

as  precip

d  to  predi

a good  rep

were  und

the  linear m

erature and

h did not dir

 21, even w

ue line) Daily

1999). 

e underesti

. The estima

5 to 2005. 

f  the availa

ear pattern

mly at the m

the  dry  se

ed.  Then  fr

ted.  Durin

d. 

pitation,  p

ict  the  de

presentatio

derestimatio

multiple re

d relative h

rectly affec

when there 

y Runoff / 

imated. 65%

ated daily r

The observ

able  record

n of which 

middle or at

eason  and 

rom  Septem

ng  Decemb

potential 

pendent 

n of  the 

ons  and 

gression 

umidity. 

t runoff, 

were no 

% of the 

unoff by 

ved daily 

ds of  the 

was  the 

 the end 

the  first 

mber  till 

ber,  the 

 

Page 57: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Figure 2

Similar t

Decemb

behavio

As  is  sh

linear m

peaks o

2. Observed

/ Linear M

A correspo

B correspo

C correspo

to the WAS

ber−2005  (s

or of the ob

hown  in Fig

multiple  reg

of the observ

d (red line) ve

ultiple Regre

onds to the p

onds to the p

nds to the p

SMOD simul

shown  in  F

servations d

ures 21 an

gression  is  t

ved dischar

ersus Estima

ession ‐ Juan

period betwe

period betwe

period betwe

lation, the m

Figure  22.C)

during that 

d 22,  the g

that  it was 

rge in the w

48 

ated (dark bl

n Diaz  

een May−De

een May−De

een May−De

multiple reg

)  did  not  g

period. 

general per

poor  since

whole series

lue line) Dai

ec 1986. 

ec 1995. 

ec 2005. 

gression est

ive  good  re

ception of 

e  it could n

.  

ly Runoff  

timation fro

esults  beca

the estima

ot well  rep

om August−

ause  of  the 

ated daily  ru

present  the

 

−2005  ll 

strange 

unoff by 

e highest 

Page 58: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

49  

On the monthly scale, there were also overestimations and underestimations. Similar to the 

WASMOD simulation, from the 5 months above 500 mm in the observed discharge series, all 

were underestimated. The estimated monthly runoff using linear multiple regression ranged 

from 0  to 397 mm  from 1985  to 2005. All estimated monthly  runoff data above 330 mm 

were overestimations of the observed discharge. As it can be seen in Figure 23, the best fits, 

when referring to residuals, occurred at the end of the rainy season and at the beginning of 

the dry  season.  Still, during  the dry  and  rainy  season  from  year  to  year;  there was not  a 

single month,  in which  it  could  be  said  that  it was  the  best  estimated;  the month  best 

estimated in both seasons varied randomly. For every rainy season, almost every peak value 

was poorly estimated, less in 1992 and 1997.  

TABLE 9. Values of objective functions applied to the estimated runoff by linear multiple regression 

from 1985 to 2005. 

Input  Data    

Calibration Data 

Time Scale 

Objective Function 

1 dayaverage

3−day average

5−day average 

10−day average 

30−day average

Tocumen     (pt, ept, Temp,  Rel. Hum.) 

Juan_Diaz      (Observed Discharge) 

Daily 

Nash‐Sutcliffe 

0.228 0.307 0.327  0.341 0.353

R2  0.228 0.314 0.340  0.365 0.379

Monthly 

Nash‐Sutcliffe 

0.526 ‐  ‐  ‐  ‐ 

R2  0.519 ‐  ‐  ‐  ‐ 

 

The results of the objective functions in Table 9, indicate that the linear multiple regression 

estimations  also  poorly  represented  the  Juan  Diaz  River  basin  with  the  records  of  the 

available instrumentation. The estimated runoff by linear multiple regression did not fit the 

observations  well.  The  values  of  the  objective  functions  obtained  in  the  linear multiple 

regression estimations were lower than those obtained in the WASMOD simulations. 

The monthly estimation was better than the daily estimation, but  its representation of the 

upper part of the basin was still not good. Using 30−day averages of observed and es mated 

runoff, did not give the same results or even approximately to the one using monthly data.  

   

Page 59: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

 

 

   

 

   

50 

ib

d(

dli

)i

d(d

kbl

li)

hl

ff/

ilil

ii

()

Figure 23. O

bserved (red line) versus Estimated (dark blue line) Monthly Runoff / Linear M

ultiple Regression ‐ Juan

 Diaz (1985−2005). 

Page 60: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

51  

To study the runoff responses to accumulated rainfall events, a new  independent variable, 

namely rainfall that occurred 3, 5, 10 and 30 days before the day t, was included to take soil 

moisture  into consideration. A resume of the values of the objective  functions obtained  in 

every case is shown in Table 10. 

TABLE  10.  Values  of  objective  functions  applied  to  the  estimated  runoff  by  linear  multiple 

regression when an approximation of soil moisture was added as independent variable. 

Estimation performed on a daily scale from 1985−2005. 

Input Data    Calibration 

Data Time Scale 

Objective Function 

Sm:  3 days 

acc.

Sm:  5 days 

acc.

Sm:  10 days 

acc. 

Sm:  30 days 

acc.

Tocumen                 ("Soil Moisture", pt, ept, Temp, Rel. Hum.) 

Juan Diaz     (Observed Discharge) 

Daily 

Nash Sutcliffe 

0.247 0.252 0.262  0.275

R2  0.247 0.251 0.261  0.275

  

When adding as  independent variable an approximation of soil moisture, the quality of the 

daily estimations barely increased from when this was not used (compare daily values of the 

objective functions obtained for 1 day average runoff in Table 9 to those shown in Table 10). 

The  quality  of  the  estimations  increased  when  more  days  were  summed  in  the 

approximation of soil moisture, but the results of the objective functions indicated that the 

estimation was poor.  

In  this  approach,  the best estimations were obtained when  the  total  rainfall  from  the 30 

previous days was used as  soil moisture proxy. For  this  case, all  the observed daily peaks 

above 24 mm were underestimated. 61% of the observed daily discharge records below 24 

mm were overestimated. The estimated daily runoff using this approach ranged from 0 to 34 

mm from 1985 to 2005. The observed daily discharge records above 34 mm represented less 

than 2% of the available records of the rainy season. When referring to residuals, there was 

not a clear pattern of which month was the best estimated during the rainy season, this was 

randomly at the middle or at the end of it (e.g. Figure 24). 

In general,  for most of  the years  the dry season was underestimated during February and 

March.  Then,  during  April  and  the  first  months  of  the  rainy  season  (until  August),  the 

estimated runoff seemed to exceed the observations. From September till November, most 

of  the observed runoff data were underestimated. During December and  January, most of 

the estimated runoff exceeded the observations.  

The general perception of this approach was that the estimations were poor, since it was not 

able to predict the high peaks. 

   

Page 61: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

Figurre 24. ObservRegressioA correspB correspC corresp

ved (red lineon ‐ Soil Moiponds to theponds to theponds to the 

e) versus Estisture Proxy e period betw period betwperiod betw

52 

imated (dar(total rainfaween May−Dween May−Dween May−D

k blue line) Dall of the 30 Dec 1986. Dec 1989. Dec 1998. 

Daily Runoffprevious day

f / Linear Muys) ‐ Juan Di

 

 

ultiple az. 

Page 62: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

5.3. LO

To  esta

against 

shown i

Every ye

on the 

most of

were th

availabl

2005). 

The  obj

result o

than  th

around 

expecte

the  obs

regressi

ONG TERM

blish  a  lon

rainfall dat

in Figure 25

early datum

days  in wh

f the years 

he ones whi

e  data,  on

jective  func

obtained wi

ose obtaine

the  regre

ed values in

served  yea

ion curve, s

Fig

M RAINFAL

g  term  rain

a was plott

5, the 95% c

m shown  in 

ich there w

have missi

ich had mo

ly  3  did  no

ction  used 

ith  this  fun

ed  in  the d

ession  curv

 the regress

arly  values 

ome observ

gure 25. Obse

The bla

The red

LL‐RUNOF

nfall‐runoff 

ed in the ye

confidence l

Figure 25 

was an obse

ng discharg

re than 70%

ot  satisfy  th

in  this  sec

ction with 

daily and m

e.  The  sta

sion curve w

fell  within

vations mis

erved Yearly

ack curve rep

d curves rep

53 

FF RELATIO

f relationsh

early scale a

limits on th

represents 

erved daily 

ge data, the

% of their d

he  previous

ction was  th

the yearly 

onthly  reso

andard  dev

was 213 mm

n  the  range

sed the reg

y Runoff vers

presents the

resent 95% 

ONSHIP 

ip,  a  graph

and a curve

e regressio

the accum

discharge r

e years take

daily dischar

s  condition

he  coefficie

available d

olution, but

viation  betw

m. It has to 

e  of  the  9

gression cur

sus Yearly R

e regression 

confidence l

h  showing  o

e was fitted 

n curve wer

ulated daily

registered fo

en  into acc

rge data. Fr

(these we

ent  of  dete

ata was 0.7

t still  the d

ween  the 

be noticed

95%  confide

ve by 350 m

ainfall Data 

curve.  

imits of the 

observed  d

to the prev

re also calcu

y rainfall re

for each yea

ount for th

rom the 21 

re  2001,  2

ermination, 

70, which  i

ata were s

observed 

 that even w

ence  limits

mm or more

 

(blue dots). 

regression c

ischarge 

vious. As 

ulated. 

egistered 

ar. Since 

his graph 

years of 

004  and 

R2.  The 

s higher 

cattered 

and  the 

when all 

s  of  the 

e.  

 

curve. 

Page 63: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

54  

6. DISCUSSION 

The main objective of this thesis was to establish how well the Juan Diaz River basin could be 

hydrologically represented by records of the available instrumentation, using a hydrological 

model  and  a  statistical  method.  In  both  approaches,  the  same  input  data  were  used, 

however more variables were considered in the statistical method. 

Precipitation  is  the  largest  quantity  and  perhaps  the most  important  in  the  hydrological 

cycle. Between 5 and 10 stations for every 250 km2 is recommended to capture the rainfall 

variability  in a catchment (Cedeño, 1997). This  is not the case  in the Juan Diaz River basin. 

Precipitation  data  in  the  basin  are  scarce. Nowadays,  there  are  no  active meteorological 

stations within the basin. Precipitation records from some active and inactive meteorological 

stations located in the proximity of the Juan Diaz River basin were available.  

Several methods,  such  as  Thiessen  polygon  and  the  isohyetal  method  can  be  used  for 

estimating  the  areal mean precipitation of  any  catchment. The Thiessen polygon was not 

used  in this study because  it would have given biased estimations since the studied site  is 

close  to  the  sea  and mountains.  The  isohyetal method  was  not  used  either  because  it 

requires  an extensive  gage network  to draw  accurate  isohyets  (Goovaerts, 1999; Cedeño, 

1997). Precipitation records from an active meteorological station, which was the closest to 

the basin from the ones with available records, were used in this study to estimate the areal 

mean precipitation of the basin. Accurate estimation of the spatial and temporal distribution 

of rainfall  in a mountainous catchment with only one station  is a difficult task. The  lack of 

precipitation data  to accurately calculate  the areal mean precipitation of  the basin makes 

the application of any hydrological model unreliable. 

In  addition,  many  inconsistencies  were  found  in  the  precipitation  input  data  and  the 

observed discharge data. Inconsistencies such as no runoff responses with rainfall pulses or 

vice versa, frequently occurring values or  low observed discharge records compared to the 

rainfall events, made it difficult to establish an acceptable relationship between rainfall and 

runoff both in the daily and monthly resolution and in the long term.  

For this thesis the calibration of the hydrological model was performed manually, based on 

visual comparison of plots and by using two objective functions to measure the quality of the 

simulations.  The  calibration  and  simulation  of  the  hydrological  model  was  complicated 

because of the inconsistencies found. Unknown uncertainties in the precipitation input data 

and on  the observed discharge data  for  calibration make  any hydrological  representation 

questionable.  

For comparison, these two objective functions were also calculated in the statistical method. 

According  to  the  objective  functions, WASMOD  simulated  the  observed  discharge  better. 

Even  though some peaks were well simulated, most of  them were underestimated by  the 

two methods. The values of the objective  functions  indicated that the estimations by both 

methods were poor.  

Page 64: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

55  

When an approximation of soil moisture, based on an accumulated value of previous rainfall 

events, was added as an additional independent variable, the quality of the daily simulation 

barely increased. The quality of the estimations increased when more days were summed in 

the approximation of soil moisture, but the values of the objective functions  indicated that 

the simulations with this approach also performed poorly. 

Additional linear multiple regressions using only the data of the flood dates were planned to 

be performed, but at the end this approach was disregarded because of the inconsistencies 

found in the flood dates registered. 

The simulations of any model are not reliable when it is not known how large the error in the 

input  and  output  data  is.  It  can  be  stated  that  the  Juan  Diaz  River  basin  cannot  be 

represented  accurately  in  the  daily  and  monthly  resolution  with  the  available 

instrumentation  within  (and  close  to)  it  at  this  point.  In  the  long  term,  the  available 

instrumentation gave a better relationship between the rainfall and discharge data but care 

has to be taken if this approach is used since the limited quantity of data in this scale were 

scattered around the regression curve and some of the values varied more than one and a 

half times the standard deviation.  

Resources have  to be put  in  the  Juan Diaz River basin  to address  the  issue of  limited data 

quantity.  By  increasing  the  precipitation  network  data  in  any  catchment,  modeling 

uncertainties will be reduced and reliable simulations can be obtained for better planning of 

the available water resources. A network of at least five rain gauges would be reasonable to 

have  within  the  Juan  Diaz  River  basin  in  order  to  cope  with  the  spatial  and  temporal 

variability of precipitation. One should be placed at the west of the basin, close to previous 

location of the inactive Las Cumbres station. Three more should be placed at the north east 

to account for the rainfall pattern in the higher elevations of the basin. The last one should 

be placed at  the  central part of  the basin  to account  for  the  rainfall pattern  in  the  lower 

parts of it.  

To  reduce  uncertainty  in  the  observed  discharge  records,  two more  hydrological  stations 

could be desirable within the basin. Both could be placed at the central part of the basin, just 

upstream from where the two largest contributories from the north and west connect (one 

for each contributory).   

For rainfall and observed discharge compatibility, both should be measured at the same time 

and with the same time spans (30 to 60 min) in order to make effective modeling possible.     

McKay  (2004)  points  out  the  necessity  of  creating  a  national  network  for  hydro‐

meteorological monitoring and to adopt a plan for integral management of the hydrographic 

basins  in Panama, but  that  is  an objective  that has not been  achieved  yet. Hopefully  the 

results  obtained  in  this  thesis  will  encourage  decision makers  to  increase  the  available 

instrumentation in the Juan Diaz River basin and others. 

   

Page 65: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

56  

7. CONCLUSIONS 

Accurate  estimation  of  the  spatial  and  temporal  distribution  of  rainfall  in  a 

mountainous catchment  like  the  Juan Diaz River basin with only one  station  is not 

feasible.  

Inconsistencies in the input and output data were found. These inconsistencies made 

it difficult to establish an acceptable relationship between rainfall and runoff  in the 

daily and monthly scale. In the long term a better relationship was found than in the 

two previous scales, but care has to be taken if this approach is used since the limited 

quantity of data in this scale were scattered around the predictions. 

Unknown uncertainties in the precipitation input data and in the observed discharge 

data for calibration make any hydrological representation questionable. 

Neither the hydrological model, WASMOD, nor the statistical method, linear multiple 

regression,  could well  represent  the  Juan Diaz River basin with  the  records of  the 

available instrumentation.  

The meteorological station chosen  for  this study could not well  represent  the  Juan 

Diaz River basin.  

The  available  instrumentation  of  the  basin  is  not  sufficient  for  modeling  or 

forecasting at this point. This emphasizes the importance of having an adequate and 

active precipitation network within the basin of study  in order to capture  its rainfall 

variability  and  to make  it  possible  for  simulation  or  forecasting  that will  support 

better water resources management. 

Inconsistencies  in  the  flood  dates  registered  were  found.  Flood  records must  be 

improved  in order  to  find  a  relationship between  floods  and hydro‐meteorological 

events. 

   

Page 66: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

57  

ACKNOWLEDGEMENTS 

I would like to thank Sven Halldin, Lars‐Christer Lundin and Chong‐Yu Xu, my supervisors, for 

their guidance, advice and patience during this study project. I wouldn't have made this far 

in this project without their support. Thanks also to Jose Luis Guerrero for his help and tips 

with the WASMOD programming. 

I would like to also thank the Swedish International Development Cooperation Agency (Sida) 

for giving me  the opportunity  to study  in Sweden and being part of  the project "Research 

Capacity Building in Nature‐Induced Disaster Mitigation in Central America 2008−2010". 

Many thanks to ISP for taking care of me and my wife during our time in Sweden.  

Thanks also to Juan Antonio Gomez of the Panama University (Universidad de Panama) for 

linking me with Sida and for his guidance to earn this fellowship. 

Thanks to the Department of Hydro‐Meteorology of ETESA (Gerencia de Hidrometeorología 

de ETESA), who provided me the data used in this project and also for giving me permission 

to reprint some figures of past documents prepared by them (Figure 1 and figure shown  in 

ANNEX B in this study). 

Thanks also  to Murugesu Sivapalan  for  letting me  reprint a  figure  from one of his  lecture 

notes (Figure 3 in this project). 

Special  thanks  to Nilsa, my wife, who  has  always  believed  in me  and  has  never  stopped 

encouraging me to aspire for better things. 

Thanks to my mom for her unconditional support and for all the sacrifices she made to make 

me the person I am now. To my sister, that even with the distance has always been there for 

me. 

Finally, but not least, thanks to my friends in Panama and to the new ones I met in Sweden 

for always being there and for their support during my studies in Sweden.  

 

 

   

Page 67: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

58  

REFERENCES 

ANAM (2004): Informe del Estado del Ambiente de la República de Panamá 2004. Autoridad 

Nacional del Ambiente.  

Arcia, J. (2006): El agua potable en Panamá. Diario La Prensa. Martes Financiero. 27 de junio 

de 2006. Panamá. 

ATIES  (1996): Caracterización de  las Aguas del Río  Juan Díaz e  Inventario de  sus Afluentes 

Contaminantes. Asociación de Técnicos en Ingeniería Sanitaria. 

CALTEC (2010): Diagnostico y medidas de protección para  las cuencas de  los ríos Juan Díaz, 

Tocumen y Cabra, Ciudad de Panamá. 

Cedeño, D. (1997): Apuntes de Hidrología. Universidad Tecnológica de Panamá. Facultad de 

Ingeniería Civil, Departamento de Hidráulica, Sanitaria y Ciencias Ambientales. 

ETESA (1999): Reducción de Vulnerabilidad a Inundaciones y Sistema de Alerta Temprana en 

la Cuenca del Rio Juan Díaz. Modulo: Análisis Hidrológico, diseño de sistemas de alerta y 

medición  hidrológica.  Empresa  de  Transmisión  Eléctrica,  S.A.  Departamento  de 

Hidrometeorología, Sección de Hidrología. 

Frevert, D.K.  and  Singh, V.P.  (2002): Mathematical Models of  Small Watershed Hydrology 

and Applications. Water Resources Publications, LLC. 

Goovaerts, P.  (1999): Geostatistical approaches  for  incorporating elevation  into  the spatial 

interpolation of rainfall. The University of Michigan. Department Civil and Environmental 

Engineering. 

Guswa, A.J. (2005): Soil‐moisture limits on plant uptake: An upscaled relationship for water‐

limited ecosystems. Advances in Water Resources 28.  543–55. 

Haan,  C.T.  (1982):  Hydrological Modeling  of  Small Watersheds.  The  American  Society  of 

Agricultural Engineers. 

Hoyos, H.  (2011): Runoff Modeling of the Upper Cabra River Basin  ‐ Panama. University of 

Twelve. Faculty of Geo‐Information Science and Earth Observation. 

INEC (2010): Censos Nacionales 2010, XI de Población y VII de Vivienda. 

IRI  (2011):  NOAA  NCDC  DAILY  GLOBALSOD  data  set.  International  Research  Institute  for 

Climate  and  Society.  Last  Modified:  2009‐06‐12.  Accessed:  2011‐11‐14. 

<http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.NOAA/.NCDC/.DAILY/.GLOBALSOD/IWMO/787920/VA

LUE/.mean/.temp/> 

Jones, J.A.A. (1997): Global hydrology: processes, resources and environmental management. 

Addison Wesley Longman. Harlow, England. 

Page 68: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

59  

McKay, A. (2004): Las  inundaciones del 17 de septiembre de 2004 en el este del Distrito de 

Panamá.  Universidad  de  Panamá,  Comisión  Universitaria  para  la  Investigación  de 

Desastres en los Distritos de Panamá y San Miguelito. 

Monsalve Sáenz, G. (1999): Hidrología en la Ingeniería. Alfaomega Grupo Editor, S.A. Second 

Edition. Bogotá, Colombia. 

Morales,  J.F.  (2010): Comparison of  two  rainfall‐runoff models  in a catchment with  limited 

rainfall  data‐  Samala  River,  Guatemala.  Uppsala  University,  Department  of  Earth 

Sciences, Air, Water and Landscape Sciences Program. 

Nash, J.E. and Sutcliffe J.V. (1970): River flow forecasting through conceptual models part 1 ‐ 

A discussion of principles, Journey of Hydrology 10, 282−290. 

Refsgaard, J.C. and Storm, B. (1996): Construction, calibration and validation of hydrological 

models. Kluwer Academic Publishers, pp.56 

SINAPROC  (2005): Mapa  de Áreas  Susceptibles  a  Inundaciones  del  Corregimiento  de  Juan 

Díaz. Proyecto: Reducción de Riesgo a  Inundaciones  en  los Corregimientos de Curundú, 

Parque  Lefevre,  Tocumen,  y  Pacora  en  el  Distrito  de  Panamá.  Sistema  Nacional  de 

Protección Civil. Dirección de Prevención y Mitigación. 

Sivapalan, M. (2001): Annual Water Balance. Our Living Earth 107 (640.107). Lecture Notes. 

The University of Western Australia. Department of Environmental Engineering. 

UNESCO  (2008): Balance Hídrico  Superficial  de  Panamá,  Período  1971−2002. Documentos 

Técnicos del PHI‐LAC, N°9 

USGS  (2011): USGS HydroSHEDS  data. U.S. Geological  Survey.  Last Modified:  2009‐01‐28. 

Accessed: 2011‐06‐19.  <http://hydrosheds.cr.usgs.gov/hydro.php> 

Westerberg,  I.K.  (2008): The effect of climate variability and change on water  resources  in 

Central  America.  Uppsala  University,  Department  of  Earth  Sciences,  Air,  Water  and 

Landscape Sciences Program. 

Westerberg,  I.K., Walther, A., Guerrero,  J.L., Coello,  Z., Halldin,  S., Xu, C.‐Y., Chen, D.  and 

Lundin, L‐C.  (2009): Precipitation data  in a mountainous catchment  in Honduras: quality 

assessment and spatiotemporal characteristics. Theoretical and Applied Climatology, 101, 

381‐396. 

Westerberg, I.K., Guerrero, J.L., Younger, P.M., Beven, K.J., Seibert, J., Halldin, S., Freer, J.E. 

and  Xu,  C.‐Y.  (2010):  Calibration  of  hydrological  models  using‐flow  duration  curves. 

Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 7, 9467−9522, 2010. 

Wunderground (2011): Wunderground data‐base. The Weather Underground, Inc. Accessed: 

2011‐11‐15. <http://www.wunderground.com/history/airport/MPTO/> 

Page 69: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

60  

Xu,  C.‐Y.  (2010a):  Introduction  to  Hydrologic Models.  Uppsala  University,  Department  of 

Earth Sciences, Air, Water and Landscape Sciences Program. 

Xu, C.‐Y. (2010b): Statistical Methods in Hydrology. Uppsala University, Department of Earth 

Sciences, Air, Water and Landscape Sciences Program. 

   

Page 70: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

61  

ANNEX  A.  List  of  Equations  used  in  this  thesis  for  the  WASMOD  system  (snow  free 

catchment). 

Hydrological Process  Equation

   Actual Evapotranspiration (for an energy limited systems)  

min 1 , ,  

where   is available water 

Slow Flow Component 

   

Fast Flow Component 

 

where  1 ,  is active rainfall  

Routing Routine  of the  Fast Flow Component 

   

where   is the routing storage   

Total Runoff   

Water Balance Equation  

max , 0   

 

 

   

Page 71: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

 

ANNEX 

(UNESC

 

 

 

B.  Annua

CO, 2008). R

al  Potentia

Reprinted w

al  Evapotra

with permiss

62 

anspiration

sion from ET

n  Map  cre

TESA. 

eated  by  EETESA,  19771−2002 

Page 72: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

Tidigare utgivna publikationer i serien ISSN 1650-6553 Nr 1 Geomorphological mapping and hazard assessment of alpine areas in Vorarlberg, Austria, Marcus Gustavsson Nr 2 Verification of the Turbulence Index used at SMHI, Stefan Bergman Nr 3 Forecasting the next day’s maximum and minimum temperature in Vancouver, Canada by using artificial neural network models, Magnus Nilsson

Nr 4 The tectonic history of the Skyttorp-Vattholma fault zone, south-central Sweden, Anna Victoria Engström Nr 5 Investigation on Surface energy fluxes and their relationship to synoptic weather patterns on Storglaciären, northern Sweden, Yvonne Kramer Nr 232 Analys av vinddata från lidar. Lisette Edvinsson, Mars 2012

Nr 233 Time Series Analysis of Ground Frost Conditions at Abisko, Sub- Arctic Sweden, 1985-2010, Anja Schmidt, May 2012

Nr 234 Temporal Dynamics of Total Organic Carbonexport Rates in Swedish Streams, Nino S Amvrosiadi, May 2012

Nr 235 Processing of Full Waveform Sonic Data for Shear Wave Velocity at the Ketzin CO2 Storage Site, Khalid Abbas, May 2012

Nr 236 Transport of Multi-Walled Carbon Nanotubes in Saturated Porous Media Dixiao Bao, June 2012

Nr 237 Structural Model of the Lambarfjärden Area from Surface and Subsurface Data in Connection with the E4 Stockholm Bypass Anna Vass, June 2012

Nr 238 Mechanisms Controlling Valley Asymmetry Development at Abisko, Northern Sweden and Sani Pass, Southern Africa, Carl-Johan Borg, August 2012

Nr 239 Effect of Orientation on Propagation of Pre-existing fractures, Hajab Zahra, August 2012

Nr 240 Mobility of multi-walled carbon nanotubes in unsaturated porous media, Abenezer Mekonen, August 2012

Nr 241 Re-processing of Shallow and Deep Crustal Reflection Seismic Data along BABEL Line7, Central Sweden, Hanieh Shahrokhi, August 2012

Page 73: Usability of Standard Monitored Rainfall-Runoff Data in Panama, …572949/FULLTEXT01.pdf · 2012. 11. 29. · SE−752 36, Uppsala, Suecia. La demanda de recursos hídricos y la ocurrencia

Recommended