multivariate elasticity of extreme streamflow the united

66
Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow in the United States A thesis submitted by Irina Gumennik in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Civil and Environmental Engineering Concentration: Environmental and Water Resources Engineering Tufts University August 2015 Advisor: Professor Richard M. Vogel

Upload: others

Post on 15-Jun-2022

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

  

 

Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow  

in the United States 

   

A thesis submitted by    

Irina Gumennik    

in partial fulfillment of the requirements for the degree of    

Master of Science  in   

Civil and Environmental Engineering  

Concentration: Environmental and Water Resources Engineering    

Tufts University    

August 2015      

Advisor: Professor Richard M. Vogel   

Page 2: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

ii  

Abstract 

Increasingly, hydrological research reveals that streamflow may be changing in response 

to changes  in precipitation and  land development. The concept of elasticity  is used  to 

investigate  the  generalized  sensitivity  of  streamflow  to  changes  in  multiple  basin 

characteristics. Multivariate regional regression models are developed for median annual 

high and low flows for 18 hydrologic units in the United States. The resulting coefficients 

of the multivariate regression models are shown to provide elasticity estimates for basin 

characteristics  that  capture  several  climatic,  morphological,  hydrological,  and 

development influences on watersheds.  

Explanatory variables that consistently appear in the regression models reveal patterns 

that  demonstrate  the  importance  of  employing  a  multivariate  sensitivity  approach. 

Regression  estimates  of  precipitation  elasticity  based  on  single  variable models  are 

consistently biased when compared to more accurate multivariate approaches. Overall, 

precipitation and groundwater flow exhibit the strongest  influence on streamflow with 

elasticity  values  that  are  an  order  of  magnitude  larger  than  for  other  explanatory 

variables.   An  increase  in  land development  is associated with an  increase  in both high 

and  low  flows,  but  at  an  order  of magnitude  smaller  compared  to  precipitation  and 

groundwater.       

 

 

   

Page 3: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

iii  

Acknowledgments 

Professor Richard M. Vogel, Tufts University 

Jeffrey McCollum, PhD, FM Global 

Annalise Blum, PhD Candidate, Tufts University 

   

Page 4: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

iv  

Table of Contents 

1. Introduction .................................................................................................................... 1 

2. Methods .......................................................................................................................... 3 

Regression model for streamflow elasticity ................................................................... 3 

Study Area ....................................................................................................................... 8 

Data Sources ................................................................................................................... 8 

Data Preparation ............................................................................................................. 9 

Model Selection ............................................................................................................ 10 

3. Results ........................................................................................................................... 11 

Climate elasticity ........................................................................................................... 12 

Land development elasticity ......................................................................................... 12 

Hydrological elasticity ................................................................................................... 14 

4. Discussion...................................................................................................................... 15 

5. Conclusion ..................................................................................................................... 16 

Figures ............................................................................................................................... 17 

Tables ................................................................................................................................ 20 

References ........................................................................................................................ 25 

List of Figures  

Figure 1.   U.S. Geological Survey HUC Regions 

Figure 2.   Observed Streamflow by HUC Region 

Figure 3.   Multivariate Elasticities 

Figure 4.   Multivariate vs Singular Elasticity of Precipitation 

List of Tables 

Table 1.  USGS Regions and Number of Gages in Regional Regression Model 

Table 2.   GAGESII Basin Characteristics and Elasticity Results 

Table 3.  Regional Models for Median Annual High Streamflow 

Table 4.   Regional Models for Median Annual Low Streamflow 

Table 5.   Regression Diagnostics 

Appendices 

Appendix A.  Physical Interpretation of Regression Model for Streamflow Elasticity 

Appendix B.  Boxplots of GAGESII Basin Characteristics by Region 

Appendix C.  Regression Model Diagnostics 

Page 5: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

1  

1. Introduction 1 

Effective management of surface water supply and design of flood control systems relies 2 

on  accurate  forecasting  of  streamflow  conditions.  Increasingly,  hydrological  research 3 

reveals  that  streamflow may be  changing  in  response  to  changes  in  climate and  land 4 

development (Beighley and Moglen, 2002; Peel and Bloschl, 2011; Wagener et al., 2010). 5 

Analyses  related  to  the non‐stationarity of  streamflow  can be broadly  categorized  as 6 

either  trend  detection  or  trend  attribution  studies.  Trend  detection  studies  focus  on 7 

identifying  variation  in  streamflow metrics over  time  (Kundzewicz  and Robson, 2004; 8 

Vogel et al., 2011), whereas trend attribution studies focus on identifying the underlying 9 

cause of the variation (Poff et al., 2006). However, challenges with trend analysis, such as 10 

data  availability  and  long  term  persistence  (Cohn  and  Lins,  2005),  limit  the  ability  to 11 

extrapolate to future streamflow conditions. Streamflow sensitivity analysis provides an 12 

alternative  approach  to  investigate  change  by  quantifying  streamflow  response  to 13 

changes in underlying physical processes.  14 

Several methods have been employed to investigate the response of streamflow to basin 15 

changes. These methods can be utilized to quantify streamflow alteration should basin 16 

conditions change from existing conditions. Such streamflow sensitivity studies broadly 17 

take the form of either physical hydrological modeling or statistical methods.  18 

Hydrological modeling methods include analytical equations and computer simulation of 19 

basin  runoff.  Schaake  (1990)  transferred  the  concept  of  elasticity  from  economics  to 20 

hydrology to quantify sensitivity of streamflow to a changing climate using water balance 21 

equations.  Sankarasubramanian  et  al.  (2001)  evaluated  the  performance  of  several 22 

analytical models  and  introduced  a  non‐parametric  estimator  that  performed well  in 23 

Page 6: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

2  

comparison to parametric estimators of streamflow elasticity. Other comparative studies 24 

of?  hydrological  models  have  found  that  the  results  are  variable  among  models 25 

depending on model assumptions and calibration  techniques  (Chiew, 2006; Sun et al., 26 

2014).  27 

Statistical methods utilize observed discharge data  to model streamflow on measured 28 

basin  characteristics.  Time  series  analyses  are  generally  limited  to  few  explanatory 29 

variables,  such  as  precipitation,  temperature,  and  population  density.  Regression 30 

methods that substitute space for time to utilize several gaged sites over one time period 31 

are ubiquitous in hydrology (Benson, 1967; Reis III, 2007). While these types of statistical 32 

studies are most often utilized for prediction in ungauged basins, the results can also be 33 

interpreted  as  sensitivity  estimates  because  the methodology  assumes  a  power  law 34 

model relationship between streamflow and explanatory variables (Lacombe et al., 2014; 35 

Vogel  et al., 1999).  Steinschneider  et al.  (2013)  recently  introduced panel  regression, 36 

another concept  from economics,  to hydrological  sensitivity  studies  to  simultaneously 37 

account for temporal and spatial effects.  Other statistical methods have been employed 38 

to investigate streamflow sensitivity, such as random forest regression (Eng et al., 2013).  39 

The scope of streamflow sensitivity analyses are often focused on assessing the impacts 40 

of climate change on undisturbed basins (Arora, 2002; Dooge et al., 1999; Gyawali et al., 41 

2015).  These  studies  focus  on  isolating  response  of  streamflow  to  changes  in 42 

precipitation, temperature, and evapotranspiration by limiting the dataset to gages with 43 

no flow regulation and minimal to no land development. Studies have increasingly also 44 

sought to isolate the effect of urbanization and land development on streamflow using 45 

measures of impervious surface, population density, or land cover (Poff et al., 2006; Yang 46 

et al., 2011), or to compare the relative impacts of human activities and climate (Ahn and 47 

Page 7: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

3  

Merwade, 2014).  Few  studies  consider  the  impacts of direct  streamflow modification 48 

through regulation, channelization, dams, and water withdrawals  (Fitzhugh and Vogel, 49 

2011; Homa et al., 2013; Sauer et al., 1983).  50 

The approach implemented in physical modeling studies of leaving out one variable at a 51 

time to investigate sensitivity of runoff can misrepresent effects due to the questionable 52 

assumption of model linearity (Saltelli and Annoni, 2010). Similarly, statistical regression 53 

analyses are subject to omitted variable bias that may lead to biased sensitivity estimates.  54 

This  study  aims  to  quantify  sensitivity  of  streamflow with  consideration  for multiple 55 

variables simultaneously to 1)  identify the basin characteristics that exhibit the highest 56 

degree  of  influence  on  both  high  and  low  annual  streamflow,  and  2)  assess  the 57 

comparative effect of each variable. Regional models are developed using ordinary least 58 

squares regression for median annual high and low flows with consideration for multiple 59 

variables  that  represent  climatic, morphological, hydrological,  land  cover,  and human 60 

influences on a watershed. The concept of elasticity  is used  to  interpret  the  results  in 61 

terms of physical impact on streamflow attributable to each explanatory variable. 62 

2. Methods 63 

Regression model for streamflow elasticity  64 

Elasticity is a common concept in the study of economics that provides a measure of how 65 

the price of goods changes  in  response  to market changes. More broadly, elasticity  is 66 

measure  of  sensitivity  to  change.  Schaake  (1990)  applied  the  concept  of  elasticity  to 67 

hydrology to quantify the response of streamflow to climate change using derivatives of 68 

water balance equations. Schaake defined precipitation elasticity of streamflow as the 69 

Page 8: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

4  

proportional change in streamflow Q divided by the proportional change in precipitation 70 

P: 71 

/

/    (1) 72 

The resulting elasticity values are interpreted to mean that, for example, if εP = 2 for mean 73 

annual streamflow, then a 1 percent change in precipitation leads to a 2 percent change 74 

in mean  annual  streamflow.  Several  studies have  applied  the  concept of  elasticity  to 75 

streamflow since the idea was introduced by Schaake (Chiew, 2006; Sankarasubramanian 76 

et al., 2001; Sun et al., 2014; Zhan et al., 2014).   While Schaake utilized water balance 77 

models  to  obtain  estimates  of  elasticity,  non‐parametric  methods  have  also  been 78 

introduced to quantify sensitivity (Allaire et al., 2015; Sankarasubramanian et al., 2001). 79 

This  study  assumes  a  power  law model  relationship  between  streamflow  and  basin 80 

characteristics as the basis for obtaining estimates of streamflow elasticity.  In  its most 81 

simple  form,  the  power  law model  relates  a  streamflow metric  Q  to  a  single  basin 82 

characteristic X as an explanatory variable with parameters α and β:  83 

    (2) 84 

The  power  law model  is  commonly  assumed  in  statistical  hydrology  studies  for  the 85 

purpose of prediction in ungauged basins with an applied log transformation to estimate 86 

the model coefficients using linear regression (Hrachowitz et al., 2013; Reis III, 2007). As 87 

indicated by Vogel et al. (1999), the parameter β can be shown to equal the elasticity of 88 

streamflow to the explanatory variable X. A derivatives analysis of the power law model 89 

is presented here to illustrate this relationship. The derivative of Q with respect to X in 90 

Eq. 2 is given by: 91 

Page 9: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

5  

β 1      (3) 92 

Eq. (2) and Eq. (3) are inserted into Eq. (1) with the more generic variable X substituted 93 

for  precipitation,  P.  Further  algebraic  transformation  using  the  rule  of  multiplying 94 

exponents shows that the elasticity of streamflow to the predictor variable is equal to its 95 

model coefficient: 96 

β 1   (4) 97 

The resulting elasticity is a constant, equal to the value of the exponent in the power law 98 

model. In physical terms, constant elasticity does not mean that the relationship between 99 

streamflow and the explanatory variable is linear. Recall a power law model assumption 100 

for  the underlying  relationship  between  the  explanatory  variable  and  stream  flow  to 101 

obtain the constant elasticity result.  102 

The same result is obtained for a multivariate power law model:  103 

   (5) 104 

22

1 11 1

1β1

22

22

11 1 1

1β1

22   (6) 105 

and so on for any number of variables. 106 

Log transformation of the power law model yields a simple linear model that allows for 107 

estimation of the parameters using linear regression (Eq. 7).   This simple model can be 108 

expanded to multiple variables (Eq. 8): 109 

ln ln ln ln     (7) 110 

Page 10: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

6  

ln ln ln ln ⋯ ln ln        (8) 111 

The measured values of many explanatory variables are adjusted as X + 1 in practice to 112 

allow  log transformation of zero values of X for the purpose of  linear regression. Such 113 

modifications  are often  required  for  land  cover  variables  such  as percent  impervious 114 

surface, which  frequently  contain  zero values  in  the dataset. The assumed underlying 115 

model for such variables is therefore actually depicted by Eq. 9: 116 

1     (9) 117 

The derivatives analysis for Eq. 9 shows that the elasticity of streamflow Q with respect 118 

to the variable X does not equal the model parameter β when defined at X: 119 

  β 1 1 1     (10) 120 

β 1 1

1    (11) 121 

However, defining elasticity at X + 1 restores the relationship between elasticity and the 122 

model parameter β to allow estimate of elasticity from β: 123 

  β 1 1

1      (12) 124 

As shown in more detail in Appendix A, defining elasticity at X + 1 is equivalent to defining 125 

elasticity at X for large values of X. For small values of X, the model parameter β must be 126 

adjusted by a  factor  term  that  results  in  εP  less  than  β; however,  in all  instances,  the 127 

elasticity can be calculated from β.  128 

By employing a multivariate linear regression model to obtain the coefficients, hypothesis 129 

tests  can  be  utilized  to  assess  the  statistical  significance  of model  coefficients,  and 130 

Page 11: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

7  

therefore, to assess the statistical significance of elasticity values. Unlike applications of 131 

this methodology  for prediction  in ungaged basins, which  focus on obtaining  the best 132 

estimate of  streamflow Q on  the  left hand  side of  the equation,  this  study  is equally 133 

interested in obtaining the best estimate of the coefficients on the right hand side of the 134 

equation. Further, the number and type of explanatory variables are equally important, 135 

whereas prediction‐focused models may overlook explanatory variables in favor of model 136 

simplicity. The following hypothesis tests and regression diagnostics are selected for the 137 

purposes of  this study  to support selection of explanatory variables and quality of  the 138 

regression coefficients: 139 

1. Normally  distributed  residuals,  assessed  using  quantile  probability  plots  and 140 

probability plot correlation coefficients (Heo et al., 2008).  141 

2. Constant variance (i.e. homoscedastic) residuals, visually assessed using plots of 142 

log‐transformed residuals versus fitted values, with a mean equal to zero.  143 

3. Model coefficients with p‐values significant at the 0.05 level (2‐sided), or in other 144 

words, t‐ratios with absolute value greater than 2. 145 

4. Variance  inflation  factors  less  than  approximately 5  to  account  for  correlated 146 

explanatory variables (Kroll and Song, 2013). 147 

Statistical metrics  such as adjusted R2, prediction R2, and Nash‐Sutcliff efficiency, and 148 

standard  error  in  both  real  space  and  log  space  are  still  considered  and  reported  to 149 

understand  the  performance  of  the  model  overall  and  potential  for  additional 150 

explanatory power of omitted variables. 151 

Page 12: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

8  

Study Area   152 

Regional regression models  for median annual high and  low  flows were developed  for 153 

each of  the 18 USGS hydrological  regions  that comprise  the continental United States 154 

(Figure 1; Table 1).  While one model for the entire region of the United States may be 155 

developed, this study elected to subdivide the national dataset into regional samples to 156 

identify patterns of which explanatory variables most  frequently appear  in  regression 157 

models and  consider a possible  range of model  coefficients  for  the  same explanatory 158 

variable.  159 

Data Sources 160 

Readily available datasets  from  the U.S. Geological Survey  (USGS)  for  streamflow and 161 

basin attributes were utilized for this study. Annual peak flow data was obtained from the 162 

USGS peak flow database (USGS, 2015a). Annual minimum flow data was extracted from 163 

the USGS daily stream flow database (USGS, 2015b).  164 

The USGS dataset entitled “Geospatial Attributes of Gages for Evaluating Streamflow”, 165 

version  II, (GAGESII) provides several hundred watershed characteristics corresponding 166 

to 9,322 stream gages maintained by the USGS within the United States (Falcone, 2011). 167 

The basin attributes compiled into the dataset include both environmental characteristics 168 

(e.g.  historical  precipitation,  temperature,  geology,  soils,  and  topography)  and 169 

anthropogenic influences (e.g. land use, impervious cover, road density, and presence of 170 

dams).  Table  2  lists  the  basin  characteristics  from  the  GAGESII  dataset  that  were 171 

considered for this study. Appendix B provides boxplots showing the range of values for 172 

each variable by HUC region. These characteristics were selected to account for a wide 173 

range of  factors,  including  climate  (e.g. precipitation,  temperature), morphology  (e.g. 174 

Page 13: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

9  

basin shape, topography), hydrology (e.g. runoff, infiltration, base flow), land cover (e.g. 175 

developed, forest, agriculture), and human influences (e.g. dams, roads).  176 

Some of the characteristics capture multiple types of factors that affect streamflow. For 177 

example, the “HIRES_LENTIC_PCT” term includes both natural hydrological storage in the 178 

form of lakes and man‐made reservoir storage. Note also that mean annual precipitation 179 

was used in this study. This metric represents a general climate characteristic and not an 180 

extreme  precipitation  condition  that  may  be  more  appropriate  for  investigation  of 181 

precipitation elasticity of extreme flows (i.e. droughts and floods).  182 

Data Preparation 183 

The median annual high flow and low flow were calculated for each gage included in the 184 

GAGESII database within the 18 hydrological regions comprising the continental United 185 

States. The annual high  flows were obtained  from  the USGS peak  flow dataset, which 186 

directly provides annual maximum  instantaneous peak  flows. The median annual high 187 

flow was utilized as a non‐parametric estimator of the 2‐year high flow. The median value 188 

of the annual peak instantaneous flow for each water year from 1991 through 2010 (i.e., 189 

October 1, 1990 through September 30, 2010) was obtained for each gage. These twenty 190 

years were  selected  to  generally  encompass  the  time  period  captured  by  the  basin 191 

characteristics  for  land  use, water withdrawals,  and  other  factors. While  changes  in 192 

climate  and  land  use may  have  occurred  in  some  basins  during  that  time  period,  a 193 

sufficient record length is required to estimate extreme flows. Only gages with 10 or more 194 

years of data within the time period of interest were included in the analysis.  195 

Similarly, annual minimum daily flows were extracted from the USGS daily streamflow 196 

data  for each water  year  from 1991  through 2010.  The median  annual  low  flow was 197 

Page 14: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

10  

utilized as a non‐parametric estimator of the 2‐year low flow. Only gages with 10 or more 198 

years of data between water years 1991 through 2010 were selected for analysis. Further, 199 

only  sites with  positive  values  for  the  two  year minimum  flow were  included  in  the 200 

analysis.  201 

Table 1 presents the resulting sample size for each hydrological region. Figure 2 shows 202 

the range of observed values for median annual high and low flows by HUC region. The 203 

calculated values of the median annual high and low flow and all measurements of basin 204 

characteristics were log transformed for multivariate linear regression. Most explanatory 205 

variables were adjusted by adding 1 prior to the log transformation, as indicated in Table 206 

2. All data preparation was completed in the R statistical computing software with basic 207 

functionality and the following packages: leaps, car, reshape2, plyr, and ggplot2 (R Core 208 

Team, 2014).  209 

Model Selection  210 

Selection of the explanatory variables for each regional regression model relied primarily 211 

on a forward stepwise evaluation of model performance based on a leave‐one‐out cross 212 

validation (LOOCV). To account for differences in streamflow due to varying drainage area 213 

size, drainage  area was  automatically  included  as  the  first  variable of  each model  to 214 

initiate a forward stepwise selection. Figure 2 shows the range of drainage area sizes for 215 

sample gages by HUC region. 216 

The successive explanatory variable to be added to the model was selected as the variable 217 

that resulted in the model with the smallest mean‐square error (MSE). However, rather 218 

than calculating the MSE based on the entire sample, the errors were obtained from a 219 

LOOCV of  the model  that  included  that variable. At each  step of  the model  selection 220 

Page 15: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

11  

process, the variables were ranked in terms of their MSE, nash‐sutcliffe efficiency (NSE) 221 

and F statistic. Generally, the variable that resulted in the lowest MSE (and consequently 222 

the lowest NSE) with a significant F value was chosen for the model.  223 

The LOOCV for each variable was automated in R; however, selection of the variable to 224 

include in the model involved review at each step. In some instances, a variable with a 225 

slightly higher MSE was selected based on a review of which variables appeared most 226 

frequently in a best subsets analysis of the entire sample. Further, given that there is no 227 

comparable hypothesis  test  for  the difference between NSE values and F  statistics as 228 

there is for the difference in model errors (which is measured by the F statistic), a variable 229 

that has a higher MSE, NSE, or F statistics at the second, third, or fourth decimal place 230 

may be statistically equivalent in its performance as the variable with the lowest values. 231 

In  other words,  consideration  for  overall  performance  of  the  explanatory  variable  in 232 

models of different sizes as shown  in best subsets analysis or a variable that results  in 233 

better behaved residuals and t‐values is preferable to fully automated selection. 234 

3. Results 235 

The regression model developed for each HUC region is presented in Table 3 for median 236 

annual  high  flows  and  Table  4  for median  annual  low  flows.  Regression  diagnostics, 237 

including  residual  plots,  are  provided  in  Appendix  B.  Overall,  the  regression  model 238 

approach produced better results for high flows than for low flows. Approximately half of 239 

the regression models for high flows exhibited well‐behaved residuals; whereas all of the 240 

low flow regression models exhibit non‐normality in the residuals with an over‐prediction 241 

bias in the fitted values.  242 

Page 16: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

12  

Figure 3 also presents a visual summary of elasticity values for the explanatory variables 243 

that appeared in at least four regression models for median annual high flows and at least 244 

four regression models for median annual low flow.  245 

Climate elasticity 246 

Precipitation  appeared  in  the majority of  the  regression models  for both  the median 247 

annual high and low flows with an average elasticity value of ε = 2.2 for high flows and ε 248 

= 2.9 for low flows. Precipitation elasticity was also calculated using regression models for 249 

each HUC region with precipitation as the only variable in addition to drainage area. As 250 

shown in Figure 4, the multivariate precipitation elasticity has a lower average value and 251 

lower variability compared to precipitation elasticity obtained from the simple variable 252 

model with only precipitation added to drainage area. 253 

Temperature appeared less frequently in the regression models than precipitation with a 254 

relatively wide range of coefficient values. The temperature elasticity has a negative value 255 

in all models,  suggesting  that  in general,  increasing  temperature decreases  flow. This 256 

result  may  reflect  the  association  between  higher  temperature  and  increased 257 

evapotranspiration.  258 

Land development elasticity  259 

Explanatory variables  that  represent measures of  land development do not display as 260 

definitive a pattern among  the  regression models as  climate and hydrology variables. 261 

Population density occurs most  frequently, appearing  in  four of the 19 regressions  for 262 

high flows with an elasticity value of approximately ε = 0.12.  The one low flow model that 263 

includes  population  density  also  has  a  similar  value  of  ε  =  0.16.  Variables  such  as 264 

impervious surface and developed  land cover appear  in  few  regression models. When 265 

Page 17: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

13  

considering all of the developed land cover variables (i.e. percent developed watershed 266 

and percent developed within 100 and 800 meters of  the main  stem and  all  riparian 267 

areas), the models suggest that developed land cover increases both high and low flows 268 

with elasticity values between ε = 0.22 and ε = 0.75. These values are consistently higher 269 

than the elasticity for population density, which  is a variable often used as a proxy for 270 

developed land cover in hydrological regression modeling. 271 

In addition to indirect human influence throughout the watershed, most of the gages in 272 

the nationwide dataset occur in watersheds with some degree of direct flow regulation. 273 

The  influence of dams  in particular was considered using variables  to account  for  the 274 

number of dams and the amount of associated storage. The number of dams exhibits a 275 

strong  correlation  with  the  drainage  area  size  but  did  not  appear  as  a  significant 276 

contributor  to  regression models  in  terms of decreasing error, with one questionable 277 

model  appearance  for  high  flows  and  one  for  low  flows.  Reservoir  storage  directly 278 

attributable to dams appeared in only three high flow models and none of the low flow 279 

models. However, the storage term combining all surface water storage  in the form of 280 

lakes, ponds, and  reservoirs appeared  in 12 of  the high  flow models with an average 281 

elasticity value of  ε =  ‐0.40 and  in 3 of  the  low  flow models also with a negative and 282 

comparable average elasticity value of ε = ‐0.67. 283 

Conversely, the influence of non‐developed forested area on both high and low flows is 284 

inconclusive. Percent forest cover at various scales did not exhibit a consistent pattern 285 

among regression models, with both negative and positive values ranging from ‐0.20 to ‐286 

0.90 for negative coefficients and from 0.19 to 1.33 for positive values. 287 

Page 18: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

14  

Hydrological elasticity 288 

Conveyance of water  into  rivers as  runoff, baseflow, and directly  through  lower order 289 

streams  strongly  exhibited  influence  on  high  and  low  flows.  Runoff  appeared  in 290 

approximately half of the models, with an elasticity of ε = 0.72 on average for high flows 291 

compared to an elasticity of almost double ε = 1.2 for low flows. Baseflow, as measured 292 

by the baseflow index, exhibits elasticity values of comparable magnitude to precipitation 293 

but with negative values for high flows and positive values for  low flows. The elasticity 294 

values  indicate  that baseflow decreases  the median  annual high  flow on  average 1.4 295 

percent  but  increases  the median  annual  low  flow  on  average  2.5  percent  for  each 296 

percent  increase  in baseflow.  In other words,  the effect of groundwater  storage  is  to 297 

decrease the overall variability in flows within rivers.  298 

The elasticity of permeability, which provides a measure of infiltration potential, indicates 299 

that increasing permeability reduces high flows (ε = ‐0.361) and increases low flows (ε = 300 

0.737). This  result  is also  consistent with general hydrological understanding  that  the 301 

ability of the water to enter into ground storage will reduce flood flows and increase low 302 

flows through an increase in baseflow. 303 

In addition, greater density of lower order streams draining into a given point increases 304 

high  flows  with  an  elasticity  value  for  watershed  stream  density  of  ε  =  2.3  and 305 

questionable  negative  elasticity  for  low  flows.  Measures  of  basin  morphology  are 306 

inconclusive with few variables appearing in the regression models. 307 

Page 19: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

15  

4. Discussion 308 

The overall patterns  in the sensitivity of stream flow to multiple variables that emerge 309 

from the regional regression models are consistent with general hydrological principles. 310 

Increases in precipitation, runoff, and stream density increase flows; storage in the form 311 

of groundwater, surface water, and man‐made reservoirs reduce high flows and increase 312 

low flows. Consequently, despite questionable residuals, the patterns emerging from the 313 

39 regression models allow for an examination of multivariate elasticity of streamflow. 314 

Precipitation  and  groundwater  storage  comparably  exhibit  the  strongest  influence on 315 

streamflow based on the order of magnitude of their associated elasticity values.   The 316 

elasticities of variables associated with land development indicate a positive relationship 317 

between  flow  and  land  development  but  at  an  order  of magnitude  less  impact  than 318 

precipitation and groundwater influence.  319 

The  results  also  suggest  that  the measures of  land  cover used  in  this  study may not 320 

adequately  capture  the  underlying  physical  processes  that  are  believed  to  occur  as 321 

development increases, namely increase in runoff and decrease in surface permeability. 322 

Confounding factors associated with impervious surface, such as channelization altering 323 

the  topographical based model of watershed definition, may obscure  the  relationship 324 

with  streamflow.  The  explanatory  variables  from  GAGESII  that  provide  more  direct 325 

estimates of both runoff and permeability show the strong influence of these factors on 326 

streamflow in accordance with general understanding of the hydrological process. 327 

Finally,  the  addition  of  explanatory  variables  to  a  base model  of  drainage  area  and 328 

precipitation reduces the value and variability of the elasticity of precipitation on average. 329 

Page 20: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

16  

Consequently, changes  in streamflow based solely on changes  in precipitation may be 330 

over‐predicted if other changes in the watershed are not also considered.  331 

5. Conclusion 332 

This study demonstrates the importance of considering multiple variables simultaneously 333 

for  attributing  changes  in  streamflow.  Consideration  of multiple  variables  allow  for 334 

capturing the interaction of the variables to avoid over‐estimation of the impact from any 335 

one variable. 336 

 

Page 21: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

17  

Figures 

 

 Figure 1. U.S. Geological Survey HUC Regions 

(Reproduced from Seaber et al., 1987)

Page 22: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

18  

 

Figure 2. Observed Streamflow by HUC Region for  

Median Annual High Flows (left) and Median Annual Low Flows (right) 

Page 23: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

19  

 Figure 3. Multivariate Elasticities for  

Median Annual High Flow (left) and (b) Median Annual Low Flow (right) 

(see Table 2 for detailed descriptions of the variables) 

 

 Figure 4. Multivariate vs Singular Elasticity of Precipitation 

Median Annual High Flow (left) and (b) Median Annual Low Flow (right) 

Page 24: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

20  

Tables 

Table 1. USGS Regions and Number of Gages in Regional Regression Model 

Region  Region Name High Flow Sample Size 

Low Flow Sample Size 

1  New England  225  213 

2  Mid‐Atlantic  638  613 

3  South Atlantic‐Gulf  730  715 

4  Great Lakes  303  295 

5  Ohio  486  436 

6  Tennessee  88  83 

7  Upper Mississippi  402  376 

8  Lower Mississippi  98  86 

9  Souris‐Red‐Rainy  62  54 

10L  Lower Missouri  299  266 

10U  Upper Missouri  278  234 

11  Arkansas‐White‐Red  345  280 

12  Texas‐Gulf  275  196 

13  Rio Grande  83  65 

14  Upper Colorado  212  207 

15  Lower Colorado  133  88 

16  Great Basin  172  167 

17  Pacific Northwest  523  529 

18  California  390  359 

   

Page 25: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

21  

Table 2. GAGESII Basin Characteristics and Elasticity Results 

Variable Name  Description  Units  Source 

Q2max Elasticity 

Avg (#HUCS) 

Q2minElasticity 

Avg (#HUCS) 

DRAIN_SQKM  Watershed drainage area sq km USGS NAWQA  0.721  (19)  1.05 (19)

PPT_MED_CM  Mean annual precipitation, represented by median of mean annual precipitation from 1991‐2010 reported in GAGESII 

cm/year 4‐km PRISM data  2.18  (13)  2.86  (9)

TMP_MED_C (+1)  Mean annual air temperature, represented by median of mean annual temperature from 1991‐2010 reported in 

GAGESII 

degrees C 4‐km PRISM data  ‐1.09  (3)  ‐1.74  (6)

BAS_COMPACTNESS  Watershed compactness ratio (area/perimeter^2*100) 

unitless USGS NWIS and NAWQA 

‐‐  ‐‐

ELEV_MEAN_M_BASIN_30M   Mean watershed elevation meters 30m NHDPlus  ‐‐  0.616  (2)

ELEV_SITE_M_30M (+1)  Elevation at gage location meters 30m NHDPlus  ‐‐  ‐1.75  (1)

SLOPE_PCT_30M (+1)  Mean watershed slope percent 30m NHDPlus  0.293  (2)  0.753  (2)

RUNAVE7100  Estimated watershed annual runoff, mean for the period 1971‐2000 (estimation method integrates climate, land use, 

water use, regulation, etc) 

mm/year GAGESII, using approach in (Krug 

et al., 1989) 

0.717  (8)  1.23  (9)

PERMAVE  Average permeability inches/hour USGS NAWQA,   STATSGO and Wolock (1997) 

‐0.361  (4)  0.737  (5)

BFI_AVE  Base Flow Index, a ratio of base flow to total streamflow 

percent Wolock (2003)  ‐1.41  (13)  2.52  (16)

CONTACT  Subsurface flow contact time days Wolock and others, 1989; Wolock, 1997 

‐0.035  (2)  ‐0.310  (1)

STREAMS_KM_SQ_KM (+1)  Stream density km of streams per watershed sq km 

NHD 100k streams  2.32  (4)  ‐1.58  (1)

HIRES_LENTIC_PCT (+1)  Percent of watershed surface area covered by "Lakes/Ponds" + "Reservoirs" 

percent NHD Hi‐Resolution   ‐0.404  (12)  ‐0.673  (3)

HIRES_LENTIC_DENS (+1)  Density (#/sq km) of Lakes/Ponds + Reservoir 

number/sq km NHD Hi‐Resolution  ‐‐  ‐1.92  (1)

NDAMS_2009 (+1)  Number of dams in watershed number of dams 2009 National Inventory of Dams 

(NID) 

‐0.416  (1)  0.431  (1)

STOR_NID_2009 (+1)  Dam storage in watershed 

megaliters total storage/sq km 

2009 NID ‐0.138  (3)  ‐‐

FRESHW_WITHDRAWAL  Freshwater withdrawal from 1995 to 2000 county‐level estimates 

megaliters/year/sq km 

USGS ‐‐  ‐‐

PCT_IRRIG_AG (+1)  Percent of watershed in irrigated agriculture 

Percent USGS 2002 250‐m MODIS data 

‐0.383  (1)  0.457  (3)

PDEN_2000_BLOCK (+1)  Population density in the watershed (2000) 

persons/sq km 2000 Census block data regridded to 

100m 

0.121  (4)  0.160  (1)

ROADS_KM_SQ_KM (+1)  Road density km of roads/ watershed sq km 

Census 2000 TIGER roads 

0.741  (1)  1.30  (3)

RD_STR_INTERS (+1)  Number of road/stream intersections, per km of total basin stream length 

number of intersections/km of 

stream length 

2000 TIGER roads and NHD 100k 

streams 

0.404 (1)  ‐‐

CANALS_PCT (+1)  Percent of stream kilometers coded as "Canal", "Ditch", or "Pipeline" in NHDPlus 

Percent NHDPlus ‐‐  ‐‐

IMPNLCD06 (+1)  Watershed percent impervious surface (~ 2006) 

percent 30‐m resolution 2006 NLCD data 

0.644  (3)  0.323  (2)

DEVNLCD06 (+1)  Watershed percent "developed" (urban) (~ 2006) 

percent 2006 NLCD ‐‐  0.320  (1)

RIP800_DEV (+1)  Riparian 800m buffer percent "developed" (urban) 

percent 2006 NLCD 0.425  (1)  ‐‐

RIP100_DEV (+1)  Riparian 100m buffer percent "developed" (urban) 

percent 2006 NLCD ‐‐  0.753  (1)

MAINS800_DEV (+1)  Mainstem 800m buffer percent "developed" (urban) 

percent 2006 NLCD 0.304  (2)  0.709  (2)

MAINS100_DEV (+1)  Mainstem 100m buffer percent "developed" (urban) 

percent 2006 NLCD 0.219  (1)  ‐‐

FORESTNLCD06 (+1)  Watershed percent "forest" percent 2006 NLCD ‐0.548  (1)  ‐‐

RIP800_FOREST (+1)  Riparian 800m buffer percent "forest" percent 2006 NLCD ‐‐  1.33  (1)

RIP100_FOREST (+1)  Riparian 100m buffer percent "forest” percent 2006 NLCD ‐‐  ‐0.899  (1)

MAINS800_FOREST (+1)  Mainstem 800m buffer percent "forest" percent 2006 NLCD 0.185  (1)  ‐0.256  (2)

MAINS100_FOREST (+1)  Mainstem 100m buffer percent "forest” percent 2006 NLCD ‐‐  0.435  (1)

PLANTNLCD06 (+1)  Watershed percent “planted/cultivated” (agriculture) (~2006) 

percent 2006 NLCD ‐0.199  (3)  0.511  (3)

Page 26: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

22  

Table 3. Regional Models for Median Annual High Streamflow 

Q = ea(1st Predictor)b(2nd Predictor)c(3rd Predictor)d(4th Predictor)e(5th Predictor)f(6th Predictor)g(7th Predictor)h(8th Predictor)i 

Region  a  b  c  d  e  f  g  h  i 

1  INTERCEPT 5.37 (3.10) 

DRAIN_SQKM 0.819 (48.5) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.454 (‐9.66) 

BFI_AVE ‐2.36 (‐8.17) 

RUNAVE7100 1.19 (6.07) 

PLANTNLCD06 ‐0.115 (‐3.65) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

2  INTERCEPT 10.3 (20.4) 

DRAIN_SQKM 0.761 (62.5) 

BFI_AVE ‐1.53 (‐11.7) 

PERMAVE ‐0.432 (‐11.1) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.373 (‐9.36) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

3  ‐‐  DRAIN_SQKM 0.667 (63.0) 

PERMAVE ‐0.281 (‐6.12) 

RUNAVE7100 0.542 (8.29) 

BFI_AVE ‐0.884 (‐11.5) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.420 (‐11.8) 

IMPNLCD06 0.232 (10.5) 

SLOPE_PCT_30M 0.206 (5.67) 

PPT_MED_CM 0.843 8.59 

4  INTERCEPT ‐5.24 (‐5.94) 

DRAIN_SQKM 0.842 (52.4) 

STREAMS_KM_SQ_KM 2.47 (11.6) 

PERMAVE ‐0.391 (‐9.98) 

PLANTNLCD06 ‐0.226 (‐12.0) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.482 (‐11.4) 

PPT_MED_CM 1.68 (8.74) 

RD_STR_INTERS 0.404 (3.26) 

‐‐ 

5  INTERCEPT ‐7.13 (‐6.83) 

DRAIN_SQKM 0.702 (65.2) 

PPT_MED_CM 2.83 (14.3) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.631 (‐14.6) 

BFI_AVE ‐0.612 (‐8.67) 

PDEN_2000_BLOCK 0.096 (6.12) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

6  INTERCEPT 6.67 (3.73) 

DRAIN_SQKM 0.736 (28.3) 

BFI_AVE ‐1.94 (‐9.02) 

PPT_MED_CM 1.88 (8.45) 

TMP_MED_C ‐1.64 (‐3.69) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

7  INTERCEPT 4.52 (7.81) 

DRAIN_SQKM 0.714 (44.8) 

BFI_AVE ‐0.761 (‐12.8) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.587 (‐11.4) 

PLANTNLCD06 ‐0.256 (‐10.7) 

STREAMS_KM_SQ_KM 1.42 (5.43) 

RUNAVE7100 0.400 (4.97) 

‐‐  ‐‐ 

8  INTERCEPT 6.14 (3.42) 

DRAIN_SQKM 0.524 (11.9) 

CONTACT ‐0.265 (‐5.50) 

BFI_AVE ‐1.29 (‐4.75 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.702 (‐4.66) 

RUNAVE7100 0.878 (3.85) 

PDEN_2000_BLOCK 0.142 (2.60) 

‐‐  ‐‐ 

9  INTERCEPT ‐17.0 (‐9.42) 

DRAIN_SQKM 0.773 (16.4) 

STREAMS_KM_SQ_KM 2.49 (5.26) 

PPT_MED_CM 4.34 (9.48) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.445 (‐5.78) 

PCT_IRRIG_AG ‐0.383 (‐3.11) 

MAINS800_DEV 0.327 (2.56) 

‐‐  ‐‐ 

10L  INTERCEPT ‐9.21 (‐11.6) 

DRAIN_SQKM 0.568 (23.5) 

RUNAVE7100 0.694 (15.5) 

PPT_MED_CM 1.95 (9.52) 

MAINS800_DEV 0.280 (5.77) 

CONTACT 0.196 (5.88) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.375 (‐4.301) 

‐‐  ‐‐ 

10U  INTERCEPT ‐3.71 (‐3.25) 

DRAIN_SQKM 0.759 (26.3) 

RUNAVE7100 0.403 (6.39) 

PPT_MED_CM 1.48 (5.90) 

BFI_AVE ‐0.761 (‐0.637) 

STREAMS_KM_SQ_KM 2.92 (7.38) 

TMP_MED_C ‐0.772 (‐5.17) 

IMPNLCD06 0.679 (3.34) 

‐‐ 

11  INTERCEPT ‐‐ 

DRAIN_SQKM 0.704 (28.6) 

RUNAVE7100 0.977 (30.6) 

STOR_NID_2009 ‐0.168 (‐6.74) 

BFI_AVE ‐0.363 (‐5.768) 

PDEN_2000_BLOCK 0.111 (3.21) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

12  INTERCEPT ‐7.70 (‐9.02) 

DRAIN_SQKM 0.527 (17.4) 

PPT_MED_CM 2.45 (14.4) 

ROADS_KM_SQ_KM 0.741 (6.40) 

SLOPE_PCT_30M 0.379 (6.00) 

STOR_NID_2009 ‐0.147 (‐6.87) 

HIRES_LENTIC_DENS 0.670 (5.89) 

PERMAVE ‐0.339 (‐4.45) 

 

13  INTERCEPT ‐4.89 (‐2.64) 

DRAIN_SQKM 0.684 (13.4) 

PPT_MED_CM 1.60 (4.00) 

IMPNLCD06 1.02 (5.33) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

14  INTERCEPT ‐8.03 (‐10.9) 

DRAIN_SQKM 0.785 (33.2) 

PPT_MED_CM 2.84 (15.2) 

FORESTNLCD06 ‐0.548 (‐5.95) 

PDEN_2000_BLOCK 0.133 (2.78) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

15  INTERCEPT 3.66 (5.48) 

DRAIN_SQKM 0.719 (10.7) 

RUNAVE7100 0.655 (7.94) 

BFI_AVE ‐0.884 (‐5.30) 

NDAMS_2009 ‐0.416 (‐4.30) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

16  INTERCEPT 13.7 (3.30) 

DRAIN_SQKM 0.792  (19.9) 

PPT_MED_CM 2.50 (10.7) 

BFI_AVE ‐5.08 (‐5.55) 

STOR_NID_2009 ‐0.098 (‐2.75) 

MAINS100_DEV 0.219 (3.49) 

TMP_MED_C ‐0.851 (‐2.743) 

   

17  INTERCEPT ‐2.61 (‐3.20) 

DRAIN_SQKM 0.917 (62.4) 

PPT_MED_CM 1.91 (29.6) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.445 (‐9.37) 

BFI_AVE ‐1.18 (‐7.28) 

MAINS800_FOREST 0.185 (6.29) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

18  INTERCEPT ‐3.29 (‐4.52) 

DRAIN_SQKM 0.711 (26.4) 

PPT_MED_CM 2.02 (18.6) 

RIP800_DEV 0.425 (7.71) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐0.602 (‐7.78) 

BFI_AVE ‐0.712 (‐4.142) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

*Table shows coefficient with t‐ratio in parentheses for each variable obtained from the OLS regression equation. Models with best residuals indicated in gray. 

Page 27: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

23  

Table 4. Regional Models for Median Annual Low Streamflow 

Q = ea(1st Predictor)b(2nd Predictor)c(3rd Predictor)d(4th Predictor)e(5th Predictor)f(6th Predictor)g(7th Predictor)h(8th Predictor)i 

Region  a  b  c  d  e  f  g  h  i 

1  INTERCEPT ‐30.8 (‐7.52) 

DRAIN_SQKM 1.12 (32.8) 

ELEV_MEAN_M_BASIN_30M 0.996 (8.93) 

MAINS800_FOREST ‐0.962 (‐6.21) 

RUNAVE7100 2.03 (5.08) 

BFI_AVE 3.02 (3.95) 

PERMAVE 0.494 (3.27) 

‐‐  ‐‐ 

2  INTERCEPT ‐31.9 (‐17.1) 

DRAIN_SQKM 1.07 (47.5) 

BFI_AVE 2.72 (12.4) 

RUNAVE7100 1.41 (7.94) 

IMPNLCD06 0.358 (7.58) 

ELEV_MEAN_M_BASIN_30M 0.236 (4.96) 

PPT_MED_CM 1.60 (3.96) 

‐‐  ‐‐ 

3  INTERCEPT ‐27.5 (‐13.1) 

DRAIN_SQKM 1.06 (39.7) 

BFI_AVE 2.25 (11.7) 

SLOPE_PCT_30M 0.594 (9.60) 

ROADS_KM_SQ_KM 1.00 (7.56) 

PPT_MED_CM 2.68 (6.66) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

4  INTERCEPT ‐15.5 (‐8.96) 

DRAIN_SQKM 1.17 (37.9) 

BFI_AVE 1.41 (6.04) 

RUNAVE7100 1.39 (7.55) 

IMPNLCD06 0.287 (5.12) 

CONTACT ‐0.310 (‐5.09) 

STREAMS_KM_SQ_KM ‐1.58 (‐3.47) 

‐‐  ‐‐ 

5  INTERCEPT ‐16.9 (‐22.0) 

DRAIN_SQKM 1.22 (41.2) 

BFI_AVE 2.74 (12.4) 

ROADS_KM_SQ_KM 1.47 (9.09) 

HIRES_LENTIC_PCT 0.551 (5.08) 

PERMAVE 0.438 (4.09) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

6  INTERCEPT ‐22.1 (‐9.20) 

DRAIN_SQKM 1.18 (23.6) 

BFI_AVE 3.11 (7.42) 

PERMAVE ‐0.764 (‐3.12) 

PPT_MED_CM 2.28 (4.67) 

HIRES_LENTIC_DENS ‐1.92 (‐4.46) 

RIP100_FOREST ‐0.899 (‐3.46) 

‐‐  ‐‐ 

7  INTERCEPT ‐18.8 (‐15.0) 

DRAIN_SQKM 1.24 (40.5) 

BFI_AVE 1.39 (7.70) 

RUNAVE7100 1.34 (8.42) 

ROADS_KM_SQ_KM 1.43 (10.4) 

SLOPE_PCT_30M 0.911 (9.71) 

PERMAVE 0.486 (4.79) 

PCT_IRRIG_AG 0.303 (3.29) 

TMP_MED_C ‐0.993 (‐2.93) 

8  INTERCEPT ‐64.5 (‐7.74) 

DRAIN_SQKM 1.23 (9.31) 

PPT_MED_CM 9.64 (6.36) 

PERMAVE 3.03 (6.54) 

PLANTNLCD06 0.767 (4.14) 

BFI_AVE 2.46 (2.92) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

9  INTERCEPT ‐13.3 (‐8.56) 

DRAIN_SQKM 1.63 (8.63) 

RIP800_FOREST 1.33 (8.36) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

10L  ‐‐  DRAIN_SQKM 0.989 (17.4) 

RUANAVE7100 0.536 (7.03) 

BFI_AVE 2.27 (8.01) 

ELEV_SITE_M_30M ‐1.75 (‐11.7) 

TMP_MED_C ‐2.29 (‐12.1) 

PDEN_2000_BLOCK 0.160 (2.53) 

‐‐  ‐‐ 

10U  INTERCEPT ‐22.4 (‐10.7) 

DRAIN_SQKM 0.918 (14.9) 

RUNAVE7100 0.589 (4.84) 

MAINS100_FOREST 0.435 (4.00) 

BFI_AVE 1.08 (3.88) 

PPT_MED_CM 2.44 (4.78) 

PCT_IRRIG_AG 0.614 (3.87) 

‐‐  ‐‐ 

11  INTERCEPT ‐13.8 (‐8.67) 

DRAIN_SQKM 1.01 (17.0) 

RUNAVE7100 0.848 (10.6) 

BFI_AVE 1.52 (5.34) 

RIP100_DEV 0.753 (4.74) 

TMP_MED_C ‐0.864 (‐3.01) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

12  INTERCEPT ‐22.4 (‐13.9) 

DRAIN_SQKM 1.53 (17.9) 

RUNAVE7100 1.75 (12.9) 

BFI_AVE 1.08 (3.17) 

MAINS800_DEV 0.828 (5.33) 

PLANTNLCD06 ‐0.314 (‐2.32) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

13  INTERCEPT 2.73 (3.45) 

DRAIN_SQKM 0.381 (3.07) 

TMP_MED_C ‐2.27 (‐5.42) 

PLANTNCLD06 1.08 (2.66) 

MAINS800_DEV 0.589 (2.12) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

14  INTERCEPT ‐22.3 (‐4.92) 

DRAIN_SQKM 1.02 (24.4) 

TMP_MED_C ‐1.09 (‐5.70) 

PPT_MED_COM 1.82 (5.22) 

PCT_IRRIG_AG 0.454 (3.75) 

BFI_AVE 2.93 (3.09) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

15  INTERCEPT ‐7.83 (‐6.38) 

DRAIN_SQKM 0.758 (5.94) 

RUNAVE7100 1.14 (5.22) 

HIRES_LENTIC_PCT ‐3.02 (‐2.75) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

16  INTERCEPT ‐29.3 (‐3.96) 

DRAIN_SQKM 0.640 (10.5) 

PPT_MED_CM 1.60 (3.72) 

TMP_MED_C ‐2.92 (‐5.07) 

BFI_AVE 6.11 (3.71) 

HIRES_LENTIC_PCT 0.451 (3.06) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

17  INTERCEPT ‐32.8 (‐19.3) 

DRAIN_SQKM 1.12 (40.1) 

PPT_MED_CM 2.01 (16.4) 

BFI_AVE 4.33 (12.9) 

MAINS800_FOREST 0.450 (7.83) 

DEVNLCD06 0.320 (5.89) 

‐‐  ‐‐  ‐‐ 

18  INTERCEPT ‐18.2 (‐19.9) 

DRAIN_SQKM 0.725 (12.5) 

PPT_MED_CM 1.69 (9.10) 

BFI_AVE 1.94 (8.47) 

NDAMS_2009 0.431 (4.89) 

‐‐  ‐‐  ‐‐  ‐‐ 

*Table shows coefficient with t‐ratio in parentheses for each variable obtain from the OLS regression equation. 

Page 28: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

24  

 

Table 5. Regression Diagnostics 

  Two‐Year Instantaneous Peak Flow  Two‐Year Minimum Daily Flow 

Region  Adj‐R2  Pred‐R2  NSE  Max VIF  SE Log  SE Real  Adj‐R2   Pred‐R  NSE  Max VIF  SElog  SEreal 

1  0.933  0.930  0.930  1.30  0.378   0.653  0.896  0.889  0.886  3.30  0.751  0.811 

2  0.881  0.879  0.879  1.19  0.550  0.706  0.838  0.835  0.834  1.95  0.882  0.899 

3  0.901  0.900  0.898  4.12  0.480  0.682  0.762  0.759  0.757  1.33  0.762  0.813 

4  0.920  0.916  0.914  1.69  0.384  0.654  0.869  0.864  0.861  2.61  0.778  0.826 

5  0.904  0.902  0.901  1.18  0.399  0.657  0.858  0.855  0.853  1.84  0.943  0.952 

6  0.913  0.907  0.903  2.27  0.341  0.645  0.889  0.873  0.863  3.09  0.626  0.750 

7  0.864  0.861  0.859  1.83  0.474  0.680  0.898  0.895  0.892  3.27  0.861  0.887 

8  0.684  0.652  0.629  1.28  0.474  0.684  0.680  0.642  0.620  1.46  1.38  1.69 

9  0.880  0.856  0.841  2.16  0.327  0.644  0.713  0.701  0.689  1.01  1.43  1.78 

10L  0.838  0.832  0.829  2.77  0.638  0.747          1.45  1.77 

10U  0.772  0.765  0.759  2.48  0.763  0.818  0.689  0.673  0.665  3.02  1.35  1.56 

11  0.763  0.757  0.754  1.37  0.879  0.898  0.568  0.559  0.551  1.78  1.66  2.47 

12  0.651  0.638  0.629  2.25  0.609  0.734  0.672  0.660  0.651  2.45  1.69  2.64 

13  0.713  0.697  0.686  1.92  0.794  0.844  0.621  0.585  0.557  3.06  1.30  1.51 

14  0.864  0.853  0.856  1.89  0.565  0.714  0.786  0.773    2.33  0.971  0.985 

15  0.589  0.562  0.549  2.28  1.03  1.05  0.428  0.400  0.378  1.04  2.02  5.10 

16  0.837  0.830  0.823  2.63  0.726  0.798  0.570  0.544  0.530  2.06  1.36  1.58 

17  0.989  0.895  0.894  2.43  0.556  0.709  0.791  0.786  0.784  2.35  1.08  1.09 

18  0.719  0.713  0.709  2.25  0.885  0.903  0.715  0.709  0.706  2.25  1.38  1.60 

 

Notes: 

1. Statistics given in italic, such as Adj‐R2, are reported for the model fitted with intercept. 

2. NSE calculated as  

1 1

1 ∑

11∑

 

 

3. SE = Average Standard Error of Prediction, where SElog is the standard error of the model residuals and SEreal is the standard error transformed to real space using the 

following formula where p is the number of sites in the region and n is the number of sites in the region (i.e. sample size).  

exp 1 1 

 

 

Page 29: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

25  

References 

Ahn, K.H. and V. Merwade, 2014. Quantifying the Relative Impact of Climate and Human Activities on Streamflow. Journal of Hydrology 515:257–266. 

Allaire, M.C., R.M. Vogel, and C.N. Kroll, 2015. The Hydromorphology of an Urbanizing Watershed Using Multivariate Elasticity. 

Arora, V.K., 2002. The Use of the Aridity Index to Assess Climate Change Effect on Annual Runoff. Journal of Hydrology 265:164–177. 

Beighley, R.E. and G.E. Moglen, 2002. Trend Assessment in Rainfall‐Runoff Behavior in Urbanizing Watersheds. Journal of Hydrologic Engineering 7:27–34. 

Benson, M.A., 1967. Factors Influencing the Occurrence of Floods in a Humid Region of Diverse Terrain. 

Brikowski, T.H., 2015. Applying Multi‐Parameter Runoff Elasticity to Assess Water Availability in a Changing Climate: An Example from Texas, USA. Hydrological Processes 29:1746–1756. 

Chiew, F.H.S., 2006. Estimation of Rainfall Elasticity of Streamflow in Australia. Hydrological Sciences Journal 51:613–625. 

Cohn, T. a. and H.F. Lins, 2005. Nature’s Style: Naturally Trendy. Geophysical Research Letters 32:L23402. 

Dooge, J.C.I., M. Bruen, and B. Parmentier, 1999. A Simple Model for Estimating the Sensitivity of Runoff  to Long‐Term Changes in Precipitation without a Change in Vegetation. 23:153–163. 

Eng, K., D.M. Carlisle, D.M. Wolock, and J.A. Falcone, 2013. Predicting the Likelihood of Altered Streamflows at Ungauged Rivers Across the Conterminous United States. River Research and Applications 29:781–791. 

Falcone, J., 2011. GAGES‐II: Geospatial Attributes of Gages for Evaluating Streamflow. http://water.usgs.gov/GIS/metadata/usgswrd/XML/gagesII_Sept2011.xml. 

Fitzhugh, T.W. and R.M. Vogel, 2011. The Impact of Dams on Flood Flows in the United States. 1215:1192–1215. 

Gyawali, R., V.W. Griffis, D.W. Watkins, and N.M. Fennessey, 2015. Regional Regression Models for Hydro‐Climate Change Impact Assessment. Hydrological Processes 29:1972–1985. 

Page 30: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

26  

Heo, J., Y.W. Kho, H. Shin, S. Kim, and T. Kim, 2008. Regression Equations of Probability Plot Correlation Coefficient Test Statistics from Several Probability Distributions. Journal of Hydrology 355:1–15. 

Homa, E.S., C. Brown, K. McGarigal, B.W. Compton, and S.D. Jackson, 2013. Estimating Hydrologic Alteration from Basin Characteristics in Massachusetts. Journal of Hydrology 503:196–208. 

Hrachowitz, M., H.H.G. Savenije, G. Blöschl, J.J. McDonnell, M. Sivapalan, J.W. Pomeroy, B. Arheimer, T. Blume, M.P. Clark, U. Ehret, F. Fenicia, J.E. Freer, a. Gelfan, H.V. Gupta, D. a. Hughes, R.W. Hut, a. Montanari, S. Pande, D. Tetzlaff, P. a. Troch, S. Uhlenbrook, T. Wagener, H.C. Winsemius, R. a. Woods, E. Zehe, and C. Cudennec, 2013. A Decade of Predictions in Ungauged Basins (PUB)—a Review. Hydrological Sciences Journal 58:1198–1255. 

Kroll, C.N. and P. Song, 2013. Impact of Multicollinearity on Small Sample Hydrologic Regression Models. Water Resources Research 49:3756–3769. 

Krug, W.R., W.A. Gebert, D.J. Graczyk, and D.L. Peck, 1989. PREPARATION OF AVERAGE ANNUAL RUNOFF MAP OF UNITED STATES DEPARTMENT OF TH ^ E INTERIOR GEOLOGICAL SURVEY. 

Kundzewicz, Z.W. and A.J. Robson, 2004. Change Detection in Hydrological Records—a Review of the Methodology / Revue Méthodologique de La Détection de Changements Dans Les Chroniques Hydrologiques. Hydrological Sciences Journal 49:7–19. 

Lacombe, G., S. Douangsavanh, R.M. Vogel, M. McCartney, Y. Chemin, L.‐M. Rebelo, and T. Sotoukee, 2014. Multivariate Power‐Law Models for Streamflow Prediction in the Mekong Basin. Journal of Hydrology: Regional Studies 2:35–48. 

Peel, M.C. and G. Bloschl, 2011. Hydrological Modelling in a Changing World. Progress in Physical Geography 35:249–261. 

Poff, N.L., B.P. Bledsoe, and C.O. Cuhaciyan, 2006. Hydrologic Variation with Land Use across the Contiguous United States: Geomorphic and Ecological Consequences for Stream Ecosystems. Geomorphology 79:264–285. 

R Core Team, 2014. R: A Language and Environment for Statistical Computing. http://www.r‐project.org/. 

Reis III, K.G., 2007. The National Streamflow Statistics Program: A Computer Program for Estimating Streamflow Statistics for Ungaged Sites: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 4‐A6. 

Saltelli, A. and P. Annoni, 2010. How to Avoid a Perfunctory Sensitivity Analysis. Environmental Modelling & Software 25:1508–1517. 

Page 31: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

27  

Sankarasubramanian, A., R.M. Vogel, and J.F. Limbrunner, 2001. Climate Elasticity of Streamflow in the United States and Calibration. Water Resources Research 37:1771–1781. 

Sauer, V.B., W.O. Thomas, V.A. Stricker, and K.V. Wilson, 1983. Flood Characteristics of Urban Watersheds in the United States: United States Geological Survey Water‐Supply Paper 2207. http://pubs.er.usgs.gov/publication/wsp2207. 

Schaake, J., 1990. From Climate to Flow. P. Waggoner (Editor). Climate Change and U.S. Water Resources., pp. 177–206. 

Seaber, P.R., F.P. Kapinos, and G.L. Knapp, 1987. Hydrologic Unit Maps. http://pubs.usgs.gov/wsp/wsp2294/pdf/wsp_2294.pdf. 

Steinschneider, S., Y.‐C.E. Yang, and C. Brown, 2013. Panel Regression Techniques for Identifying Impacts of Anthropogenic Landscape Change on Hydrologic Response. Water Resources Research:n/a–n/a. 

Sun, Y., F. Tian, L. Yang, and H. Hu, 2014. Exploring the Spatial Variability of Contributions from Climate Variation and Change in Catchment Properties to Streamflow Decrease in a Mesoscale Basin by Three Different Methods. Journal of Hydrology 508:170–180. 

USGS, 2015a. National Water Information System, Peak Streamflow for the Nation. http://nwis.waterdata.usgs.gov/usa/nwis/peak. Accessed 26 Jan 2015. 

USGS, 2015b. National Water Information System, Surface‐Water Daily Data for the Nation. http://waterdata.usgs.gov/nwis/dv/?referred_module=sw. Accessed 1 Mar 2015. 

Vogel, R.M., I. Wilson, and C. Daly, 1999a. Regional Regression Models of Annual Streamflow for the United States. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 125:148–157. 

Vogel, R.M., I. Wilson, and C. Daly, 1999b. Regional Regression Models of Annual Streamflow for the United States. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 125:148–157. 

Vogel, R.M., C. Yaindl, and M. Walter, 2011. Nonstationarity: Flood Magnification and Recurrence Reduction Factors in the United States. Journal of the American Water Resources Association 47:464–474. 

Wagener, T., M. Sivapalan, P. a. Troch, B.L. McGlynn, C.J. Harman, H. V. Gupta, P. Kumar, P.S.C. Rao, N.B. Basu, and J.S. Wilson, 2010. The Future of Hydrology: An Evolving Science for a Changing World. Water Resources Research 46:n/a–n/a. 

Page 32: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

28  

Yang, G., L.C. Bowling, K. a. Cherkauer, and B.C. Pijanowski, 2011. The Impact of Urban Development on Hydrologic Regime from Catchment to Basin Scales. Landscape and Urban Planning 103:237–247. 

Zhan, C., S. Zeng, S. Jiang, H. Wang, and W. Ye, 2014. An Integrated Approach for Partitioning the Effect of Climate Change and Human Activities on Surface Runoff. Water Resources Management 28:3843–3858. 

Page 33: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

 

Appendix A   Physical Interpretation of Regression Model  

for Streamflow Elasticity    

Page 34: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Page 1 of 3  

Recall from the discussion of the regression model for elasticity, the coefficients provide an estimate of 

the elasticity, which can be interpreted as the percent change in streamflow (%∆Q) for a 1 percent 

change in the explanatory variable (1%∆X). However, this interpretation is only directly valid when the 

model relationship between Q and X is represented as: 

 

    (A.1) 

Where the elasticity can subsequently be represented as: 

 

/

/   (for X > 0)  (A.2) 

However, in altering the model to account for explanatory variables with zero values by adding 1 to each 

observation for the purpose of regression, the expression for elasticity becomes: 

/

/       (A.3) 

Further analysis is therefore necessary to be able to interpret the elasticity as the %∆Q for a 1%∆X. 

Defining dX as a 1 percent change in X to correspond to the original interpretation of elasticity, Eq. A.3 

can be expressed in terms of the observed value of X (X0, i.e the value of X before the change occurs): 

/

. / .      (A.4) 

The corresponding fractional change in Q is represented by the numerator, such that the resulting 

fractional change in Q corresponding to a 1 percent change in X is then expressed as: 

0.01 0

0 1      (A.5) 

Consequently, for large enough values of X0,  

0.01 0

0 1 0.01 0

00.01     (A.6) 

And therefore, the corresponding percent change in Q for a 1 percent change in X is equivalent to β1, 

same as for the model relationship expressed in Eqs. A.1 and A.2: 

%∆Qfor1%∆X ∗ 100 0.01 ∗ 100      (A.7) 

For small values of X (0 < X < 1), the coefficient β1 must be adjusted using the initial value of X to 

determine percent change in Q that would result from that point:   

0.01 0

0 1      (A.8) 

Ultimately, the value of X increases up to a point where Eq. A.6 begins to apply. 

Page 35: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Page 2 of 3  

The model relationship using X+1 shown by Eq. A.3 also allows for definition at X = 0, which is necessary 

as many of the observed values for variables of interest such as percent impervious cover and percent 

forest land have zero values. However, a 1 percent change in X cannot be defined at X0 = 0. Instead, the 

percent change in Q corresponding to a chosen dX, can be obtained: 

0 1 0 1     (A.9) 

Where dX is expressed as a fraction or decimal. 

The change in Q then becomes dependent on how far X changes from zero, with a larger increase in Q 

for a larger increase in X and similarly for decreasing values of X. 

 

A few examples with real numbers are helpful to illustrate. Consider that for relatively small incremental 

changes in the explanatory variable Eq. (A.3) can also be expressed in terms of the values of X and Q at 

present and future time periods: 

/

/

/

/    (A.10) 

 

The values for X0, X1, and Q0 can be set, while Q1 becomes the value of interest that results from the 

corresponding change from X0 to X1.  

Consider the following scenarios based on a 1 percent change in impervious area for a watershed of 

interest where the β coefficient corresponding to X is equal to 0.01: 

#  X0  (sq km) 

dX (sq km)  X1   (sq km)  Q0  (cfs)  Q1 (cfs)  %∆Q  (%)  0.01 0

0 1 ∗ 100  (%) 

1  0  0.01  0.01  100  100.01  0.01  ‐‐ 

2  0  5  5  100  105  5  ‐‐ 

3  0.5  0.005  0.505  100  100.003  0.003  0.003 

4  5  0.05  5.05  100  100.008  0.008  0.008 

5  100  1  101  100  100.01  0.01  0.01 

 

Inserting these values into Eq. A.10 for each scenario: 

Case #1: 

/

. /0.01    0.01 0.01 100 100 100.01    (A.11) 

 

 

Case #2: 

Page 36: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Page 3 of 3  

/

/0.01    0.01 5 100 100 105    (A.12) 

Case #3: 

/

. / .0.01    0.01

.

.100 100 100.003    (A.13) 

 

Case #4: 

/

. /0.01    0.01

.100 100 100.008    (A.14) 

 

Case #5: 

/

/0.01    0.01 100 100 100.01    (A.15) 

 

 

 

Page 37: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

 

Appendix B Boxplots of GAGESII Basin Characteristics  

by Region   

Page 38: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 39: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 40: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 41: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 42: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 43: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 44: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 45: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 46: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United
Page 47: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

 

Appendix C Regression Model Diagnostics 

Page 48: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 1Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 49: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 2Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 50: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 3Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 51: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 4Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 52: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 5Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 53: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 6Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 54: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 7Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 55: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 8Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 56: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 9Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 57: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 10LMedian Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 58: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 10UMedian Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 59: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 11Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 60: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 12Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 61: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 13Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 62: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 14Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 63: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 15Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 64: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 16Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 65: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 17Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot

Page 66: Multivariate Elasticity of Extreme Streamflow the United

Region 18Median Annual High Flow

Median Annual Low Flow

(a) Best Subsets                                                        (b) Simulated vs Observed                        (c) Residual Normal Quantile Plot