Implementation and sensitivity analysis of the Dam-Reservoir OPeration model (DROP v1.0) over Spain

The prediction of water resource evolution is considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle, and the main processes modulating changes can be represented by global hydrological models. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected in coupled land surface–river routing models. This paper presents a parameterized reservoir model, DROP (Dam-Reservoir OPeration), based on Hanasaki's scheme to compute monthly releases given inflows, water demands and the management purpose. With its significantly anthropized river basins, Spain has been chosen as a study case for which simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the period 1979–2014. Using a default configuration of the reservoir model, results reveal its positive contribution in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, specifically for large-storage capacity irrigation reservoirs. Based on a bounded version of the Nash–Sutcliffe efficiency (NSE) index, called C2M, the overall outflow representation is improved by 43 % in the median. For irrigation reservoirs, the improvement rate reaches 80 %. A comprehensive sensitivity analysis of DROP model parameters was conducted based on the performance of C2M on outflows and volumes using the Sobol method. The results show that the most influential parameter is the threshold coefficient describing the demand-controlled release level. The analysis also reveals the parameters that need to be focused on in order to improve river flow or reservoir water storage modeling by highlighting the difference in the individual effects of the parameters and their interactions depending on whether one focuses on outflows or volume mean seasonal patterns. The results of this generic reservoir scheme show promise for modeling present and future reservoir impacts on the continental hydrology within global land surface–river routing models.</p

Amélioration de la représentation des écoulements en rivière par l'intégration des barrages-réservoirs et l'apport de la mission altimétrique SWOT.

The prediction of the evolution of water resources is considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle, which is mainly studied on a large scale by hydrological models such as the ISBA-CTRIP developed at CNRM. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected or represented using very simplifying assumptions in these models. A parameterized dam-reservoir model, called DROP (Dam-Reservoir OPeration), has been developed in this thesis in order to simulate weekly releases given inflows, water demands and the management objective. Spain was chosen as the study area given the country’s importance for agricultural production in Europe and the prevalence of highly anthropized river basins. Simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the period 1979–2014. The results reveal the positive contribution of the model in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, especially for large-storage capacity irrigation reservoirs, as the model reproduces the seasonal shift between inflows and outflows caused by irrigation management rules with reasonable accuracy.The DROP model was subsequently implemented in the global routing model CTRIP and a regional evaluation was performed on river flows over the Iberian Peninsula basins for the same period 1979-2014. A significant improvement in statistical scores is reported for 80\% of the 1,024 assessed gauge stations.For a global application of the reservoir model, an exhaustive sensitivity analysis was conducted to identify the most influential parameters in reproducing water flows and volumes by using the Sobol method. The results reveal the parameters that need to be focused on depending on reservoir characteristics and the output variable of interest (outflows, storage volumes).In addition, the SWOT space mission, launched on 16/12/2022, will provide maps of water surface elevation over continents for the first time. This high resolution spatial data will provide a characterisation of dam-reservoir dynamics, through their filling curves, as well as an improved parameterization of global river routing models such as CTRIP.The potential contribution of SWOT data in the calibration of the DROP model over Spain was evaluated based on a developed approach estimating volume products from water height and surface SWOT observations. Sensitivity tests were performed on several types of measurement errors and the calibration showed higher sensitivity to random errors. Nevertheless, the characterization of the model parameters was fairly close to results obtained with in-situ observations, with greater accuracy and convergence in the case of large relative capacity irrigation reservoirs.Overall, integrating this reservoir model into LSM-RRMs, which are in turn coupled to climate and Earth-system models, will provide a major advance in understanding past climate reanalysis and will enable a more realistic representation of future scenarios under climate change.La ressource en eau est considérée comme un enjeu majeur du siècle à venir, en particulier dans le contexte du changement climatique et de la pression démographique. Elle est directement liée au cycle continental de l’eau, dont les processus sont principalement étudiés à grande échelle par des modèles hydrologiques tels que ISBA-CTRIP développé au CNRM. Les impacts anthropiques sur les ressources en eau, et notamment les effets des barrages-réservoirs sur les écoulements dans le réseau hydrographique, sont encore mal connus et sont généralement négligés ou fortement simplifiés dans ces modèles.Un modèle de réservoir paramétré, appelé DROP (Dam-Reservoir OPeration), a été développé dans cette thèse pour calculer les lâchers hebdomadaires en tenant compte des débits entrants, des demandes en eau et de l'objectif de gestion. L'Espagne a été choisie comme zone d'étude, en raison de sa position stratégique dans la production agricole en Europe et dont les bassins fluviaux sont fortement anthropisés. La simulation des lâchers de barrages et des variations de stockage d'eau dans leurs réservoirs a été comparée aux observations in-situ sur l'ensemble de la période 1979-2014. Les résultats ont révélé la contribution positive du modèle à la représentation du cycle saisonnier de la variation du débit et du stockage d'eau, en particulier pour les réservoirs d'irrigation à grande capacité de stockage pour lesquels le modèle arrive à reproduire le déphasage saisonnier causé par les règles de gestion de l’irrigation. Le modèle DROP a été ultérieurement implémenté dans le modèle de routage global CTRIP et une évaluation régionale a été réalisée sur les débits des rivières des bassins de la péninsule ibérique pour la même période 1979-2014. Une amélioration significative des scores statistiques a été constatée pour 80\% des 1,024 stations de mesure évaluées.Afin de permettre une application globale du modèle de réservoir, une analyse de sensibilité exhaustive a été menée pour identifier les paramètres les plus influents en utilisant la méthode de Sobol. Les résultats révèlent les paramètres essentiels à retenir selon les caractéristiques du réservoir et la variable de sortie d'intérêt (lâchers, volumes de stockage).Par ailleurs, la mission spatiale SWOT, dont le lancement a eu lieu le 16/12/2022, fournira pour la première fois des cartes d’élévation de la surface de l’eau sur la quasi-totalité des rivières, lacs et réservoirs du globe. Ces précieuses données à haute résolution permettront de caractériser la dynamique des barrages-réservoirs, à travers leur courbe de remplissage, ainsi que d’améliorer la paramétrisation des modèles globaux de routage en rivière comme CTRIP.La contribution potentielle des données SWOT dans la calibration du modèle DROP sur l'Espagne a été évaluée sur la base d'estimations des volumes des réservoirs dérivés d'observations de hauteur et de surface d'eau telles que vues par SWOT. Des tests de sensibilité ont été effectués sur plusieurs types d'erreurs de mesure et la calibration a montré une plus grande sensibilité aux erreurs aléatoires. Néanmoins, la caractérisation des paramètres du modèle se rapproche assez fidèlement des résultats obtenus avec les observations in-situ, avec une plus grande précision et convergence dans le cas des réservoirs d'irrigation à grande capacité relative.En définitive, l'intégration de ce modèle de réservoir dans les modèles de routage en rivière couplés aux modèles de surface, eux-mêmes intégrés dans des modèles de climat et de système Terre constitue une avancée majeure dans la compréhension du cycle hydrologique en climat passé et permettra une représentation plus réaliste des scénarios futurs sous changement climatique

Caractérisation des impacts hydrologiques et hydrauliques du changement climatique sur les événements de crues récents en région méditerranéenne

Le stage a pour but de valoriser la méthode de futurisation développée en thèse par Antoine Colmet-Daage (2018). L’objectif principal est de traduire les évolutions futures des crues étudiées en périodes de retour, une notion plus familière aux structures cibles. L’objectif secondaire est de prendre comme exemple la dernière crue éclair survenue en octobre 2018 dans l’Aude et de proposer une évaluation de son évolution sous le climat futur. Les résultats permettent de mieux percevoir l’apport de l’outil proposé en termes d’appréciation et de prise en compte du risque inondation sous influence du changement climatique

Amélioration de la représentation des écoulements en rivière par l'intégration des barrages-réservoirs et l'apport de la mission altimétrique SWOT.

The prediction of the evolution of water resources is considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle, which is mainly studied on a large scale by hydrological models such as the ISBA-CTRIP developed at CNRM. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected or represented using very simplifying assumptions in these models. A parameterized dam-reservoir model, called DROP (Dam-Reservoir OPeration), has been developed in this thesis in order to simulate weekly releases given inflows, water demands and the management objective. Spain was chosen as the study area given the country’s importance for agricultural production in Europe and the prevalence of highly anthropized river basins. Simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the period 1979–2014. The results reveal the positive contribution of the model in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, especially for large-storage capacity irrigation reservoirs, as the model reproduces the seasonal shift between inflows and outflows caused by irrigation management rules with reasonable accuracy.The DROP model was subsequently implemented in the global routing model CTRIP and a regional evaluation was performed on river flows over the Iberian Peninsula basins for the same period 1979-2014. A significant improvement in statistical scores is reported for 80\% of the 1,024 assessed gauge stations.For a global application of the reservoir model, an exhaustive sensitivity analysis was conducted to identify the most influential parameters in reproducing water flows and volumes by using the Sobol method. The results reveal the parameters that need to be focused on depending on reservoir characteristics and the output variable of interest (outflows, storage volumes).In addition, the SWOT space mission, launched on 16/12/2022, will provide maps of water surface elevation over continents for the first time. This high resolution spatial data will provide a characterisation of dam-reservoir dynamics, through their filling curves, as well as an improved parameterization of global river routing models such as CTRIP.The potential contribution of SWOT data in the calibration of the DROP model over Spain was evaluated based on a developed approach estimating volume products from water height and surface SWOT observations. Sensitivity tests were performed on several types of measurement errors and the calibration showed higher sensitivity to random errors. Nevertheless, the characterization of the model parameters was fairly close to results obtained with in-situ observations, with greater accuracy and convergence in the case of large relative capacity irrigation reservoirs.Overall, integrating this reservoir model into LSM-RRMs, which are in turn coupled to climate and Earth-system models, will provide a major advance in understanding past climate reanalysis and will enable a more realistic representation of future scenarios under climate change.La ressource en eau est considérée comme un enjeu majeur du siècle à venir, en particulier dans le contexte du changement climatique et de la pression démographique. Elle est directement liée au cycle continental de l’eau, dont les processus sont principalement étudiés à grande échelle par des modèles hydrologiques tels que ISBA-CTRIP développé au CNRM. Les impacts anthropiques sur les ressources en eau, et notamment les effets des barrages-réservoirs sur les écoulements dans le réseau hydrographique, sont encore mal connus et sont généralement négligés ou fortement simplifiés dans ces modèles.Un modèle de réservoir paramétré, appelé DROP (Dam-Reservoir OPeration), a été développé dans cette thèse pour calculer les lâchers hebdomadaires en tenant compte des débits entrants, des demandes en eau et de l'objectif de gestion. L'Espagne a été choisie comme zone d'étude, en raison de sa position stratégique dans la production agricole en Europe et dont les bassins fluviaux sont fortement anthropisés. La simulation des lâchers de barrages et des variations de stockage d'eau dans leurs réservoirs a été comparée aux observations in-situ sur l'ensemble de la période 1979-2014. Les résultats ont révélé la contribution positive du modèle à la représentation du cycle saisonnier de la variation du débit et du stockage d'eau, en particulier pour les réservoirs d'irrigation à grande capacité de stockage pour lesquels le modèle arrive à reproduire le déphasage saisonnier causé par les règles de gestion de l’irrigation. Le modèle DROP a été ultérieurement implémenté dans le modèle de routage global CTRIP et une évaluation régionale a été réalisée sur les débits des rivières des bassins de la péninsule ibérique pour la même période 1979-2014. Une amélioration significative des scores statistiques a été constatée pour 80\% des 1,024 stations de mesure évaluées.Afin de permettre une application globale du modèle de réservoir, une analyse de sensibilité exhaustive a été menée pour identifier les paramètres les plus influents en utilisant la méthode de Sobol. Les résultats révèlent les paramètres essentiels à retenir selon les caractéristiques du réservoir et la variable de sortie d'intérêt (lâchers, volumes de stockage).Par ailleurs, la mission spatiale SWOT, dont le lancement a eu lieu le 16/12/2022, fournira pour la première fois des cartes d’élévation de la surface de l’eau sur la quasi-totalité des rivières, lacs et réservoirs du globe. Ces précieuses données à haute résolution permettront de caractériser la dynamique des barrages-réservoirs, à travers leur courbe de remplissage, ainsi que d’améliorer la paramétrisation des modèles globaux de routage en rivière comme CTRIP.La contribution potentielle des données SWOT dans la calibration du modèle DROP sur l'Espagne a été évaluée sur la base d'estimations des volumes des réservoirs dérivés d'observations de hauteur et de surface d'eau telles que vues par SWOT. Des tests de sensibilité ont été effectués sur plusieurs types d'erreurs de mesure et la calibration a montré une plus grande sensibilité aux erreurs aléatoires. Néanmoins, la caractérisation des paramètres du modèle se rapproche assez fidèlement des résultats obtenus avec les observations in-situ, avec une plus grande précision et convergence dans le cas des réservoirs d'irrigation à grande capacité relative.En définitive, l'intégration de ce modèle de réservoir dans les modèles de routage en rivière couplés aux modèles de surface, eux-mêmes intégrés dans des modèles de climat et de système Terre constitue une avancée majeure dans la compréhension du cycle hydrologique en climat passé et permettra une représentation plus réaliste des scénarios futurs sous changement climatique

Improved river flow modeling with the integration of dams-reservoirs and the use of the SWOT altimetry mission

La ressource en eau est considérée comme un enjeu majeur du siècle à venir, en particulier dans le contexte du changement climatique et de la pression démographique. Elle est directement liée au cycle continental de l’eau, dont les processus sont principalement étudiés à grande échelle par des modèles hydrologiques tels que ISBA-CTRIP développé au CNRM. Les impacts anthropiques sur les ressources en eau, et notamment les effets des barrages-réservoirs sur les écoulements dans le réseau hydrographique, sont encore mal connus et sont généralement négligés ou fortement simplifiés dans ces modèles.Un modèle de réservoir paramétré, appelé DROP (Dam-Reservoir OPeration), a été développé dans cette thèse pour calculer les lâchers hebdomadaires en tenant compte des débits entrants, des demandes en eau et de l'objectif de gestion. L'Espagne a été choisie comme zone d'étude, en raison de sa position stratégique dans la production agricole en Europe et dont les bassins fluviaux sont fortement anthropisés. La simulation des lâchers de barrages et des variations de stockage d'eau dans leurs réservoirs a été comparée aux observations in-situ sur l'ensemble de la période 1979-2014. Les résultats ont révélé la contribution positive du modèle à la représentation du cycle saisonnier de la variation du débit et du stockage d'eau, en particulier pour les réservoirs d'irrigation à grande capacité de stockage pour lesquels le modèle arrive à reproduire le déphasage saisonnier causé par les règles de gestion de l’irrigation. Le modèle DROP a été ultérieurement implémenté dans le modèle de routage global CTRIP et une évaluation régionale a été réalisée sur les débits des rivières des bassins de la péninsule ibérique pour la même période 1979-2014. Une amélioration significative des scores statistiques a été constatée pour 80\% des 1,024 stations de mesure évaluées.Afin de permettre une application globale du modèle de réservoir, une analyse de sensibilité exhaustive a été menée pour identifier les paramètres les plus influents en utilisant la méthode de Sobol. Les résultats révèlent les paramètres essentiels à retenir selon les caractéristiques du réservoir et la variable de sortie d'intérêt (lâchers, volumes de stockage).Par ailleurs, la mission spatiale SWOT, dont le lancement a eu lieu le 16/12/2022, fournira pour la première fois des cartes d’élévation de la surface de l’eau sur la quasi-totalité des rivières, lacs et réservoirs du globe. Ces précieuses données à haute résolution permettront de caractériser la dynamique des barrages-réservoirs, à travers leur courbe de remplissage, ainsi que d’améliorer la paramétrisation des modèles globaux de routage en rivière comme CTRIP.La contribution potentielle des données SWOT dans la calibration du modèle DROP sur l'Espagne a été évaluée sur la base d'estimations des volumes des réservoirs dérivés d'observations de hauteur et de surface d'eau telles que vues par SWOT. Des tests de sensibilité ont été effectués sur plusieurs types d'erreurs de mesure et la calibration a montré une plus grande sensibilité aux erreurs aléatoires. Néanmoins, la caractérisation des paramètres du modèle se rapproche assez fidèlement des résultats obtenus avec les observations in-situ, avec une plus grande précision et convergence dans le cas des réservoirs d'irrigation à grande capacité relative.En définitive, l'intégration de ce modèle de réservoir dans les modèles de routage en rivière couplés aux modèles de surface, eux-mêmes intégrés dans des modèles de climat et de système Terre constitue une avancée majeure dans la compréhension du cycle hydrologique en climat passé et permettra une représentation plus réaliste des scénarios futurs sous changement climatique.The prediction of the evolution of water resources is considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle, which is mainly studied on a large scale by hydrological models such as the ISBA-CTRIP developed at CNRM. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected or represented using very simplifying assumptions in these models. A parameterized dam-reservoir model, called DROP (Dam-Reservoir OPeration), has been developed in this thesis in order to simulate weekly releases given inflows, water demands and the management objective. Spain was chosen as the study area given the country’s importance for agricultural production in Europe and the prevalence of highly anthropized river basins. Simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the period 1979–2014. The results reveal the positive contribution of the model in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, especially for large-storage capacity irrigation reservoirs, as the model reproduces the seasonal shift between inflows and outflows caused by irrigation management rules with reasonable accuracy.The DROP model was subsequently implemented in the global routing model CTRIP and a regional evaluation was performed on river flows over the Iberian Peninsula basins for the same period 1979-2014. A significant improvement in statistical scores is reported for 80\% of the 1,024 assessed gauge stations.For a global application of the reservoir model, an exhaustive sensitivity analysis was conducted to identify the most influential parameters in reproducing water flows and volumes by using the Sobol method. The results reveal the parameters that need to be focused on depending on reservoir characteristics and the output variable of interest (outflows, storage volumes).In addition, the SWOT space mission, launched on 16/12/2022, will provide maps of water surface elevation over continents for the first time. This high resolution spatial data will provide a characterisation of dam-reservoir dynamics, through their filling curves, as well as an improved parameterization of global river routing models such as CTRIP.The potential contribution of SWOT data in the calibration of the DROP model over Spain was evaluated based on a developed approach estimating volume products from water height and surface SWOT observations. Sensitivity tests were performed on several types of measurement errors and the calibration showed higher sensitivity to random errors. Nevertheless, the characterization of the model parameters was fairly close to results obtained with in-situ observations, with greater accuracy and convergence in the case of large relative capacity irrigation reservoirs.Overall, integrating this reservoir model into LSM-RRMs, which are in turn coupled to climate and Earth-system models, will provide a major advance in understanding past climate reanalysis and will enable a more realistic representation of future scenarios under climate change

Amélioration de la représentation des écoulements en rivière par l'intégration des barrages-réservoirs et l'apport de la mission altimétrique SWOT.

The prediction of the evolution of water resources is considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle, which is mainly studied on a large scale by hydrological models such as the ISBA-CTRIP developed at CNRM. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected or represented using very simplifying assumptions in these models. A parameterized dam-reservoir model, called DROP (Dam-Reservoir OPeration), has been developed in this thesis in order to simulate weekly releases given inflows, water demands and the management objective. Spain was chosen as the study area given the country’s importance for agricultural production in Europe and the prevalence of highly anthropized river basins. Simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the period 1979–2014. The results reveal the positive contribution of the model in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, especially for large-storage capacity irrigation reservoirs, as the model reproduces the seasonal shift between inflows and outflows caused by irrigation management rules with reasonable accuracy.The DROP model was subsequently implemented in the global routing model CTRIP and a regional evaluation was performed on river flows over the Iberian Peninsula basins for the same period 1979-2014. A significant improvement in statistical scores is reported for 80\% of the 1,024 assessed gauge stations.For a global application of the reservoir model, an exhaustive sensitivity analysis was conducted to identify the most influential parameters in reproducing water flows and volumes by using the Sobol method. The results reveal the parameters that need to be focused on depending on reservoir characteristics and the output variable of interest (outflows, storage volumes).In addition, the SWOT space mission, launched on 16/12/2022, will provide maps of water surface elevation over continents for the first time. This high resolution spatial data will provide a characterisation of dam-reservoir dynamics, through their filling curves, as well as an improved parameterization of global river routing models such as CTRIP.The potential contribution of SWOT data in the calibration of the DROP model over Spain was evaluated based on a developed approach estimating volume products from water height and surface SWOT observations. Sensitivity tests were performed on several types of measurement errors and the calibration showed higher sensitivity to random errors. Nevertheless, the characterization of the model parameters was fairly close to results obtained with in-situ observations, with greater accuracy and convergence in the case of large relative capacity irrigation reservoirs.Overall, integrating this reservoir model into LSM-RRMs, which are in turn coupled to climate and Earth-system models, will provide a major advance in understanding past climate reanalysis and will enable a more realistic representation of future scenarios under climate change.La ressource en eau est considérée comme un enjeu majeur du siècle à venir, en particulier dans le contexte du changement climatique et de la pression démographique. Elle est directement liée au cycle continental de l’eau, dont les processus sont principalement étudiés à grande échelle par des modèles hydrologiques tels que ISBA-CTRIP développé au CNRM. Les impacts anthropiques sur les ressources en eau, et notamment les effets des barrages-réservoirs sur les écoulements dans le réseau hydrographique, sont encore mal connus et sont généralement négligés ou fortement simplifiés dans ces modèles.Un modèle de réservoir paramétré, appelé DROP (Dam-Reservoir OPeration), a été développé dans cette thèse pour calculer les lâchers hebdomadaires en tenant compte des débits entrants, des demandes en eau et de l'objectif de gestion. L'Espagne a été choisie comme zone d'étude, en raison de sa position stratégique dans la production agricole en Europe et dont les bassins fluviaux sont fortement anthropisés. La simulation des lâchers de barrages et des variations de stockage d'eau dans leurs réservoirs a été comparée aux observations in-situ sur l'ensemble de la période 1979-2014. Les résultats ont révélé la contribution positive du modèle à la représentation du cycle saisonnier de la variation du débit et du stockage d'eau, en particulier pour les réservoirs d'irrigation à grande capacité de stockage pour lesquels le modèle arrive à reproduire le déphasage saisonnier causé par les règles de gestion de l’irrigation. Le modèle DROP a été ultérieurement implémenté dans le modèle de routage global CTRIP et une évaluation régionale a été réalisée sur les débits des rivières des bassins de la péninsule ibérique pour la même période 1979-2014. Une amélioration significative des scores statistiques a été constatée pour 80\% des 1,024 stations de mesure évaluées.Afin de permettre une application globale du modèle de réservoir, une analyse de sensibilité exhaustive a été menée pour identifier les paramètres les plus influents en utilisant la méthode de Sobol. Les résultats révèlent les paramètres essentiels à retenir selon les caractéristiques du réservoir et la variable de sortie d'intérêt (lâchers, volumes de stockage).Par ailleurs, la mission spatiale SWOT, dont le lancement a eu lieu le 16/12/2022, fournira pour la première fois des cartes d’élévation de la surface de l’eau sur la quasi-totalité des rivières, lacs et réservoirs du globe. Ces précieuses données à haute résolution permettront de caractériser la dynamique des barrages-réservoirs, à travers leur courbe de remplissage, ainsi que d’améliorer la paramétrisation des modèles globaux de routage en rivière comme CTRIP.La contribution potentielle des données SWOT dans la calibration du modèle DROP sur l'Espagne a été évaluée sur la base d'estimations des volumes des réservoirs dérivés d'observations de hauteur et de surface d'eau telles que vues par SWOT. Des tests de sensibilité ont été effectués sur plusieurs types d'erreurs de mesure et la calibration a montré une plus grande sensibilité aux erreurs aléatoires. Néanmoins, la caractérisation des paramètres du modèle se rapproche assez fidèlement des résultats obtenus avec les observations in-situ, avec une plus grande précision et convergence dans le cas des réservoirs d'irrigation à grande capacité relative.En définitive, l'intégration de ce modèle de réservoir dans les modèles de routage en rivière couplés aux modèles de surface, eux-mêmes intégrés dans des modèles de climat et de système Terre constitue une avancée majeure dans la compréhension du cycle hydrologique en climat passé et permettra une représentation plus réaliste des scénarios futurs sous changement climatique

Implementation and sensitivity analysis of a dam-reservoir model over Spain

&amp;lt;p&amp;gt;Water resources are considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle and its processes are mainly described by hydrological models. ISBA-CTRIP, developed at the CNRM, is an example of a coupled land surface - river routing model used for this purpose. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected in global hydrological models, including ISBA-CTRIP. This study focuses on the improvement of the CTRIP river routing model, recently upgraded to 1/12&amp;amp;#176; resolution, by integrating the effects of man-made reservoirs. This work is in preparation for the upcoming SWOT mission, which will provide the data necessary to make improved global scale river and reservoir storage and flow estimates.&amp;lt;/p&amp;gt;&amp;lt;p&amp;gt;A parameterized reservoir model was developed based on Hanasaki's scheme (Hanasaki et al., 2006). The model differentiates between irrigation and non-irrigation reservoirs, computes the mass balance in the reservoir and calculates monthly releases based on inflows and water demands. Using a first default parameterization, the model is run on the highly anthropized river basins in Spain. An operating rule is determined for each of the 215 largest reservoirs and simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the overall period 1979-2014. Results reveal the positive contribution of the model in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, specifically for irrigation large-storage capacity reservoirs as the model succeeds in reproducing the seasonal shift between inflows and outflows caused by irrigation management rules. The Nash-Sutcliff Efficiency (NSE) median index for discharge was 0.68, which corresponds to an outflow representation improvement of 28%, if compared to the naturalized representation of river flows. For irrigation reservoirs, the improvement rate reaches 67% in the median.&amp;amp;#160;&amp;lt;/p&amp;gt;&amp;lt;p&amp;gt;An exhaustive sensitivity analysis regarding the 7 parameters of the model was conducted on the performance of an NSE bounded version on outflows using the Sobol method. Following Saltelli's approach, sampling is performed using the probability density functions defined for each parameter input, and first-, second- and total-order Sobol indices are estimated. The study is carried out separately on irrigation and non-irrigation reservoirs. It is shown that the most influencing parameter is the threshold coefficient describing demand-controlled release level : in the median, ~54% and ~80% of the total variance, respectively in the two reservoir categories, is assigned to this parameter alone. On the other hand, parameters specifying the ideal reservoir filling level and the minimum release have less influence on monthly long-term mean outflows variance. The second-order Sobol indices revealed several interactions between parameters and explained the observed bias between first- and total-order indices.&amp;lt;/p&amp;gt;&amp;lt;p&amp;gt;The results highlight the importance of incorporating reservoir operation in large scale hydrological models and represent a very useful step to further improve river flow modeling, through calibration schemes and SWOT data assimilation, by targeting the most influencing reservoir model parameters.&amp;lt;/p&amp;gt;</jats:p

Implementation and sensitivity analysis of a Dam-Reservoir OPeration model (DROP v1.0) over Spain

Abstract. The prediction of water resource evolution is considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle and the main processes modulating changes can be represented by global hydrological models. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected in coupled land surface – river routing models. This paper presents a parameterized reservoir model, DROP (Dam-Reservoir OPeration model), based on Hanasaki’s scheme to compute monthly releases given inflows, water demands and the management purpose. With its significantly anthropized river basins, Spain has been chosen as a study case for which simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the period 1979–2014. Using a default configuration of the reservoir model, results reveal its positive contribution in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, specifically for large-storage capacity irrigation reservoirs. Based on a bounded version of the Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) index, called C2M , the overall outflow representation is improved by 43 % in the median. For irrigation reservoirs, the improvement rate reaches 80 %. A comprehensive sensitivity analysis of DROP model parameters was conducted based on the performance of C2M on outflows and volumes using the Sobol method. The results show that the most influential parameter is the threshold coefficient describing the demand-controlled release level. The analysis also reveals the parameters that need to be focused on in order to improve river flow or reservoir water storage modeling by highlighting the difference in the individual effects of the parameters and their interactions depending on whether one focuses on outflows or volume mean seasonal patterns. The results of this generic reservoir scheme show promise for modeling present and future reservoir impacts on the continental hydrology within global land surface – river routing models. </jats:p