Multi-criteria assessment of the Representative Elementary Watershed approach on the Donga catchment (Benin) using a downward approach of model complexity

International audienceThis study is part of the AMMA – African Multidisciplinary Monsoon Analysis – project and aims at a better understanding and modelling of the Donga catchment (580 km2, Benin) behaviour. For this purpose, we applied the REW concept proposed by Reggiani et al. (1998, 1999), which allows the description of the main local processes at the sub-watershed scale. Such distributed hydrological models, which represent hydrological processes at various scales, should be evaluated not only on the discharge at the outlet but also on each of the represented processes and in several points of the catchment. This kind of multi-criteria evaluation is of importance in order to assess the global behaviour of the models. We applied such multi-criteria strategy to the Donga catchment (586 km2), in Benin. The work is supported by a strategy of observation, undertaken since 1998 consisting in a network of 20 rain gauges, an automatic meteorological station, 6 discharge stations and 18 wells. The first goal of this study is to assess the model ability to reproduce the discharge at the outlet, the water table dynamics in several points of the catchment and the vadose zone dynamics at the sub-catchment scale. We tested two spatial discretisations of increasing resolution. To test the internal structure of the model, we looked at its ability to represent also the discharge at intermediary stations. After adjustment of soil parameters, the model is shown to accurately represent discharge down to a drainage area of 100 km2, whereas poorer simulation is achieved on smaller catchments. We introduced the spatial variability of rainfall by distributing the daily rainfall over the REW and obtained a very low sensitivity of the model response to this variability. Our results suggest that processes in the unsaturated zone should first be improved, in order to better simulate soil water dynamics and represent perched water tables which were not included in this first modelling study

Analysis of vadose zone inhomogeneity toward distinguishing recharge rates: Solving the nonlinear interface problem with Newton method

Citation: Steward, D. R. (2016). Analysis of vadose zone inhomogeneity toward distinguishing recharge rates: Solving the nonlinear interface problem with Newton method. Water Resources Research, 52(11), 8756-8774. doi:10.1002/2016wr019222Recharge from surface to groundwater is an important component of the hydrological cycle, yet its rate is difficult to quantify. Percolation through two-dimensional circular inhomogeneities in the vadose zone is studied where one soil type is embedded within a uniform background, and nonlinear interface conditions in the quasilinear formulation are solved using Newton's method with the Analytic Element Method. This numerical laboratory identifies detectable variations in pathline and pressure head distributions that manifest due to a shift in recharge rate through in a heterogeneous media. Pathlines either diverge about or converge through coarser and finer grained materials with inverse patterns forming across lower and upper elevations; however, pathline geometry is not significantly altered by recharge. Analysis of pressure head in lower regions near groundwater identifies a new phenomenon: its distribution is not significantly impacted by an inhomogeneity soil type, nor by its placement nor by recharge rate. Another revelation is that pressure head for coarser grained inhomogeneities in upper regions is completely controlled by geometry and conductivity contrasts; a shift in recharge generates a difference Dp that becomes an additive constant with the same value throughout this region. In contrast, shifts in recharge for finer grained inhomogeneities reveal patterns with abrupt variations across their interfaces. Consequently, measurements aimed at detecting shifts in recharge in a heterogeneous vadose zone by deciphering the corresponding patterns of change in pressure head should focus on finer grained inclusions well above a groundwater table

Celeridad mayor al procedimiento de divorcio voluntario judicial en Michoacán.

Este trabajo persigue la finalidad central de dar respuesta a la necesidad de los inconvenientes del divorcio voluntario judicial en el Estado Michoacán de ocampo, de la forma más directa y sencilla, de manera que lo puedan hacer en menos tiempo, en el que se contemple una sola junta de avenencia y no dos como lo exige actualmente nuestro Código Familiar con el ámbito de justificar un posterior desarrollo. Su elaboración surgió para obtener el titulo profesional de Licenciado en Derecho y me permito observar los problemas de la legislación familiar que surgen del divorcio voluntario judicial para solucionar los conflictos derivados de las dos juntas de avenencia, eliminando una de estas

Contribution au développement d'une modélisation hydrologique distribuée. Application au bassin versant de la Donga, au Bénin

In the aim of the development of the distributed, physically-based hydrological model POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental and socio-economic Responses), test and validation of the various modules should be conducted separately before incorporating them into the modelling structure. The preliminary version of POWER, called REW_V4.0 (Reggiani et al. 1998, 1999), was applied to the Donga catchment, Benin, in the context of the international program AMMA (Multidisciplinary Analysis of the African Monsoon). Data analysis allow to evaluate, in this particular modelling system, the representation of intermediate discharge, the evolution of the groundwater level, the evolution of the degree of soil saturation and then the improvement of the simulation when taking into account the spatial variability of rainfalls or soil properties. In order to improve the process representation into the POWER modelling system, a vadose zone module was developed and validated to represent more physically the vertical water transfers in the unsaturated zone. This module allows a quick resolution of the 1D Richards' equation (1931). This module is based on the numerical solution proposed by Ross (2003). Interception, transpiration and roots extraction phenomenon were added to the numerical solution in order to take into account soil surface covered by vegetation. The POWER application, with the vadose zone module developed would allow us to answer some questions raised by the REW_v4.0 model.Dans le cadre du développement du modèle hydrologique distribué et à base physique POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental and socio-economic Responses), le test et la validation des différents modules doivent être menés avant de les agréger ensemble dans leur structure commune. Le travail de thèse s'inscrit dans cette démarche. La version préliminaire de POWER, nommée REW_v4.0 (Reggiani et al. 1998, 1999), a été mise en place pour une modélisation du bassin versant de la Donga, située au Bénin dans le cadre du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine). Cette modélisation permet de représenter de façon spatialisée l'ensemble des processus dominants du cycle de l'eau. L'analyse des données disponibles sur le bassin versant permet d'évaluer dans ce type de modélisation, la représentation des débits intermédiaires, la représentation d'autres grandeurs telles que l'évolution de la hauteur de nappe ou la saturation du sol, puis l'apport de la variabilité spatiale de la pluie par rapport à une pluie uniforme sur le bassin ou l'apport de la variabilité spatiale des propriétés sols. Dans le but d'améliorer la représentation des processus au sein du modèle POWER, un module de transferts verticaux dans la zone non saturée a été développé et validé. Ce module permet la résolution rapide de l'équation de Richards (1931) 1D selon la solution numérique de Ross (2003) dans laquelle ont été inclus les phénomènes d'interception, de transpiration et d'extraction racinaire. L'application du modèle POWER comprenant le module de zone non saturée ainsi développé devrait permettre de répondre à un certain nombre de questions soulevées dans la mise en oeuvre du modèle REW_v4.0

Evaluation d'une méthode numérique rapide pour la résolution de l'équation de Richards sur sol nu

A new numerical method for solving the 1D Richard's equation has been proposed by P. Ross (Agronomy J., 2003, in press). The Kirchhoff transform or degree of saturation is used instead of the classical matrix potential. The solution can be used both for saturated or non saturated soils. Hydraulic properties are described using the Brooks and Corey model. The soil is discretized into layers. Their thickness can be larger than in classical matrix potential methods, due to the use of a time and space varying weighing procedure for the calculation of fluxes between layers. This allows the use of a non iterative procedure, ensuring a very fast numerical solution. The accuracy of such solution was tested on bare soil in the present study. The new solution was compared with that of the SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer), a Soil Vegetation Atmosphere Transfer model, well calibrated and validated on several data sets. SiSPAT provides an iterative and accurate "reference solution" of coupled heat and water transfer equations. Five different soil types were chosen, some composed of several layers, in order to cover a wide range of hydraulic properties. Three climate forcings made of rain and evaporation cycles were used as boundary conditions. Dry and humid initial conditions were also compared.It appears that the new method is very fast compared to the computational time required by SiSPAT (several minutes): it takes less than a second to run a 500h simulation. Furthermore, water content variations in the different layers are accurately represented. Numeric results are very similar to those obtained with SiSPAT: relative errors on evaporation, drainage, ponding and water content are about 2%. The major differences are encountered for the surface layer, in relation with different calculations of the surface flux (infiltration or evaporation). The robustness, speed and accuracy of the solution open perspectives for the use of the Richard's equation into larger scale watershed models.Une nouvelle méthode de résolution de l'équation de Richards 1D a été proposée par P. Ross (Agronomy Journal, sous presse). Le potentiel de Kirchhoff ou le degré de saturation sont utilisés au lieu du traditionnel potentiel matriciel. La solution peut être utilisée pour les sols saturés ou non. Les propriétés hydrodynamiques sont décrites par le modèle de Brooks et Corey. Le sol est discrétisé en couches. Leur épaisseur peut être plus grande que pour les méthodes classiques utilisant le potentiel matriciel, grâce à l'utilisation d'une méthode de pondération spatialisée des conductivités hydrauliques pour le calcul des flux entre couches. On peut alors utiliser des procédures non itératives, ce qui assure une résolution numérique très rapide. La précision de cette solution a été testée pour sol nu dans cette étude. La nouvelle méthode a été comparée avec les résultats du modèle SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer), un modèle de transfert entre le sol, la végétation et l'atmosphère déjà validé sur de nombreux jeux de données. SiSPAT fournit une solution de référence précise des équations couplées de transfert d'eau et de chaleur. On a choisi cinq types de sol, certains formés de plusieurs horizons afin de couvrir une large gamme de propriétés hydrodynamiques. Trois forçages climatiques composés de cycles de pluie puis d'évaporation ont été utilisés comme conditions à la limites. Des conditions initiales humides et sèches ont aussi été comparées. La nouvelle méthode s'est révélée très rapide comparée aux temps de calcul requis par SiSPAT. Quelques secondes sont nécessaires pour une simulation de 500 h, contre quelques minutes pour siSPAT. De plus, l'évolution temporelle des teneurs en eau dans les différentes couches est simulée de manière précise. Les résultats sont très proches de ceux simulés par SiSPAT avec des erreurs relatives de l'ordre de 2% pour l'évaporation, le drainage, le "ponding" et les teneurs en eau. On trouve les différences les plus importantes pour la couche de surface, liées à des modes de calcul différents du flux à la surface (infiltration ou évaporation). La robustesse, la rapidité et la précision de la solution ouvrent de larges perspectives pour son utilisation dans des modèles hydrologiques de bassins versants

Contribution au développement d'une modélisation hydrologique distribuée (application au bassin versant de la Donga, au Bénin)

Le développement du modèle hydrologique spatialisé à base physique POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental and socio-economic Responses) requiert le test et la validation des différents modules avant de les agréger dans une structure commune. Le travail de thèse s'inscrit dans cette démarche.La version préliminaire de POWER, nommée REW_v4.0 (Reggiani et al. 1998, 1999), a permis une modélisation du bassin versant de la Donga au Bénin (586 km2) dans le cadre du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine). Le modèle calcule les composantes du cycle hydrologique sur des sous-bassins et utilise une représentation de type réservoir pour la zone non saturée. Les données disponibles sur le bassin nous ont permis d'évaluer, avec ce type de modélisation, la représentation des débits intermédiaires, ainsi que celle d'autres grandeurs telles que l'évolution de la hauteur de nappe ou la saturation du sol, puis l'apport de la variabilité spatiale de la pluie par rapport à une pluie uniforme sur le bassin ou l'apport de la variabilité spatiale des propriétés sols. Bien que les résultats soient encourageants, le module de zone non saturé s'est avéré trop simple pour reproduire certaines caractéristiques des données. C'est pourquoi un nouveau module de transferts verticaux dans la zone non saturée a été développé et validé. Il s'appuie sur une résolution rapide de l'équation de Richards (1931) 1D dans laquelle ont été inclus les phénomènes d'interception, de transpiration et d'extraction racinaire. Ce module n'a pas été utilisé dans ce travail mais devrait permettre d'améliorer certains défauts du modèle REW_v4.0.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Développement et évaluation d'une solution numérique efficace de l'équation de Richards incluant l'extraction racinaire des plantes

International audienceFrom the non iterative numerical method proposed by Ross (2003) for solving the 1D Richards' equation, an unsaturated zone module for large scale hydrological model is developed by the inclusion of a root extraction module and a formulation of interception. Two root water uptake modules, first proposed by Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001), were included as the sink term in the Richards' equation. They express root extraction as a linear function of potential transpiration and take into account water stress and a compensation mechanism allowing water to be extracted in wetter layers. The vadose zone module is tested in a systematic way with synthetic data sets covering a wide range of soil characteristics, climate forcing, and vegetation cover. A detailed SVAT model providing an accurate solution of the coupled heat and water transfer in the soil and the surface energy balance is used as a reference. The accuracy of the numerical solution using only the SVAT soil module, and the loss of accuracy when using a potential evapotranspiration instead of solving the energy budget are both investigated. The vadose zone module is very accurate with errors of less than a few percent for cumulative transpiration. Soil evaporation is less accurately simulated as it leads to a systematic underestimation of soil evaporation amounts. The Lai and Katul (2000) module is not adapted for sandy soils, due to a weakness in the compensation term formulation. When using a potential evapotranspiration instead of the surface energy balance, we evidenced a difference in partitioning the energy between the soil and the vegetation. A Beer-Lambert law is not able to take into account the complex interactions at the soil-vegetation-atmopshere interface. However, under field conditions, the accuracy of the vadose zone module is satisfactory provided that a correct crop coefficient could be defined. As a conclusion the numerical method proposed by Ross (2003) coupled with the Li et al. (2001) root extraction module provides an efficient and accurate solution for inclusion as a physically-based infiltration-evapotranspiration module into larger scale watershed models

Comparaison de modules d`extraction racinaires dans les modèles TSVA s`appuyant sur une transpiration potentielle ou résolvant le bilan d`énergie en surface

International audienceNumerical models simulating changes in soil water content with time rely on accurate estimation of root water uptake. This paper considers two root water uptake modules that have a compensation mechanism allowing for increase root uptake under conditions of water stress. These models, proposed by Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001) use a potential transpiration weighted, for each soil layer, by a water stress and a compensation function in order to estimate actual transpiration. The first objective of the paper was to assess the accuracy of the proposed root extraction models against two existing data sets, acquired under dry conditions for a winter wheat and a soybean crop. In order to perform a fair comparison, both modules were included as possible root water extraction modules within the Simple Soil Plant Atmosphere Transfer (SiSPAT) model. In this first set of simulations, actual transpiration was calculated using the solution of the surface energy budget as implemented in the SiSPAT model. Under such conditions, both root extraction modules were able to reproduce accurately the time evolution of soil moisture at various depths, soil water storage and daily evaporation. Results were generally improved when we activated the compensation mechanisms.When water balance models are run at larger scales or on areas with scarce data, actual transpiration is often calculated using models based on potential transpiration without solving the surface energy balance. The second objective of the paper was to assess the loss of accuracy in such conditions for the Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001) models. For this purpose we compared results from the SiSPAT model solving the surface energy balance with those of a degraded version where only potential evapotranspiration was imposed as input data. We found that actual transpiration and evapotranspiration were in general underestimated, especially for the Lai and Katul (2000) model, when we used the potential evapotranspiration as calculated from FAO standards. The use of crop coefficients improved the simulation although standard values proposed by the FAO were too small. The definition of the potential evapotranspiration was the major source of error in simulating soil moisture and daily evaporation rather than the choice of the root extraction models or the inclusion of a compensation mechanism. When used for water management studies, a sensitivity to the definition of potential evapotranspiration used to run the models is therefore advisable.Les modèles numériques simulant les variations du contenu en eau des sols dépendent d`une estimation précise de l`extraction racinaire. Cet article considère deux modules d`extraction racinaire, comprenant un mécanisme de compensation permettant une extraction racinaire accrue en cas de stress hydrique. Ces modèles, proposés par Lai and Katul (Adv. Wat. Res., 23, 2000) and Li et al. (J. Hydrol., 252, 2001) utilisent une évapotranspiration potentielle, pondérée, pour chaque couche, par une function de stress et une fonction de compensation, afin d`estimer la transpiration réelle. Le premier objectif de cet article était d`évaluer la précision de ces modules d`extraction racinaire par comparaison avec deux jeux de données, acquis dans des conditions de stress hydrique pour un blé d`hiver et un champ de soja. Afin de les comparer dans les mêmes conditions, les deux modules ont été introduits comme modules d`extraction racinaire dans le modèle SiSPAT. Dans ce premier jeu de simulations, la transpiration réelle était calculée à partir de la résolution du bilan d`énergie de surface. Dans ces conditions, les deux modules se sont montrés capables de reproduire avec précision les évolutions temporelles de la teneur en eau des sols à différentes profondeurs, le stock d`eau dans le sol et l`évaporation journalière. Les résultats étaient en général meilleurs quand on prenait en compte le mécanisme de compensation. Quand les modèles de bilan hydrique sont utilisés à grande échelle ou sur des zones avec peu de données, la transpiration réelle est souvent estimée à partir d`une transpiration potentielle, sans résoudre le bilan d`énergie. Le second objectif de cet article était de quantifier la perte de précision dans de telles conditions pour les modules de Lai et Katul (2000) et Li et al. (2001). Pour cela, nous avons comparé les résultats de SiSPAT, résolvant le bilan d`énergie, avec ceux d`une version dégradée où on ne considérait qu`une transpiration potentielle en entrée des modules d`extraction racinaire. Nous avons obtenu une sous-estimation de la transpiration réelle, plus particulièrement pour le modèle de Lai et Katul (2000), lorsque nous utilisions une evapotranspiration potentielle calculée selon la méthode de la FAO. L`utilisation de coefficients culturaux permet d`améliorer les résultats, même si les valeurs standard proposées par la FAO étaient trop faibles. La définition de l`évapotranspiration potentielle apparaît donc comme la source majeure d`incertitude pour la simulation de l`évolution du contenu en eau du sol et de l`évapotranspiration journalière, par rapport au choix du module d`extraction racinaire ou d`un mécanisme de compensation. Quand l`évapotranspiration potentielle est utilisée pour des études de bilan en eau, une étude de sensibilité à sa valeur de est donc recommandée

Développement et évaluation d'une méthode numérique rapide pour la résolution de l'équation de Richards incluant l'extraction racinaire par les plantes

A new numerical method for solving the 1D Richard's equation has been proposed by P. Ross (Agronomy J., 2003, in press). The Kirchhoff transform or degree of saturation is used instead of the classical matrix potential. The solution can be used both for saturated or non saturated soils. Hydraulic properties are described using the Brooks and Corey model. The soil is discretized into layers. Their thickness can be larger than in classical matrix potential methods, due to the use of a time and space varying weighing procedure for the calculation of fluxes between layers. This allows the use of a non iterative procedure, ensuring a very fast numerical solution. Extensive tests showed that the new method was very accurate for bare soils. The next step was the addition of a root extraction module in order to account for plant transpiration. Two root water uptake modules with compensation mechanisms in case of water stress were chosen from the literature. They express the transpiration source term in the Richards equation as a linear function of a potential transpiration and take into account water stress and its effects on plant transpiration. These modules were proposed first by Lai and Katul (Adv. Water Resour., 2000) and Li et al. (J. Hydrol., 2001).The new version of the model has been tested in a systematic way with several soils characteristics, climate forcings, and evapotranspiration calculation. Like the tests without vegetation, the SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer) model was considered as a reference after implementation of the same roots modules. The numerical solution was also tested using a soybean data set. The variations and the cumulative values like drainage, water content, real transpiration and real evapotranspiration were in a good agreement with the SiSPAT modelling, with a relative error of less than 3%. The error on soil evaporation remained important (about 20%) on low cumulative values (less than 20mm), i.e. when LAI was close to 5; but was generally less than 10%.Une nouvelle méthode de résolution de l'équation de Richards 1D a été proposée par P. Ross (Agronomy Journal, sous presse). Le potentiel de Kirchhoff ou le degré de saturation sont utilisés au lieu du traditionnel potentiel matriciel. La solution peut être utilisée pour les sols saturés ou non. Les propriétés hydrodynamiques sont décrites par le modèle de Brooks et Corey. Le sol est discrétisé en couches. Leur épaisseur peut être plus grande que pour les méthodes classiques utilisant le potentiel matriciel, grâce à l'utilisation d'une méthode de pondération spatialisée des conductivités hydrauliques pour le calcul des flux entre couches. On peut alors utiliser des procédures non itératives, ce qui assure une résolution numérique très rapide. Des tests exhaustifs ont permis de montrer la précision et la robustesse de la méthode sur sol nu. L'étape suivante a été d'y adjoindre un module d'extraction racinaire afin de tenir compte de la transpiration par les plantes. Deux modules d'extraction racinaire possédant un mécanisme de compensation tirés de la littérature (Lai and Katul (Adv. Water Resour., 2000) et Li et al. (J. Hydrol., 2001)) ont été choisis. Ils expriment le terme puits racinaire dans l'équation de Richards comme une fonction linéaire de la transpiration potentielle et prennent en compte le stress hydrique et son effet sur la transpiration. La nouvelle version du modèle a été testée de manière systématique avec différentes propriétés hydrodynamiques du sol, différents forçages climatiques et différents modes de calcul de l'évapotranspiration. Comme les tests pour sol nu, le modèle SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer) a été utilisé comme modèle de référence après y avoir implantés les mêmes modules d'extraction racinaire. On a aussi utilisé un jeu de données sur soja. L'évolution temporelle des variables calculées ainsi que les valeurs cumulées du drainage, de la transpiration réelle et de l'évaporation du sol étaient en bon accord avec les valeurs issues de SiSPAT, avec une erreur relative inférieure à 3%. L'erreur sur l'évaporation du sol était plus importante (autour de 20%) pour des faibles valeurs du cumul (moins de 20mm), lorsque le LAI était proche de 5, mais était en général inférieure à 10%