Which spatial discretization for which distributed hydrological model?

International audienceDistributed hydrological models are valuable tools to derive distributed estimation of water balance components or to study the impact of land-use or climate change on water resources and water quality. In these models, the choice of an appropriate spatial scale for the modelling units is a crucial issue. It is obviously linked to the available data and their scale, but not only. For a given catchment and a given data set, the "optimal" spatial discretization should be different according to the problem to be solved and the objectives of the modelling. Thus a flexible methodology is needed, especially for large catchments, to derive modelling units by performing suitable trade-off between available data, the dominant hydrological processes, their representation scale and the modelling objectives. In order to represent catchment heterogeneity efficiently according to the modelling goals, and the availability of the input data, we propose to use nested discretization, starting from a hierarchy of sub-catchments, linked by the river network topology. If consistent with the modelling objectives, the active hydrological processes and data availability, sub-catchment variability can be described using a finer nested discretization. The latter takes into account different geophysical factors such as topography, land-use, pedology, but also suitable hydrological discontinuities such as ditches, hedges, dams, etc. For small catchments, the landscape features such as agricultural fields, buildings, hedges, river reaches can be represented explicitly, as well as the water pathways between them. For larger catchments, such a representation is not feasible and simplification is necessary. For the sub-catchments discretization in these large catchments, we propose a flexible methodology based on the principles of landscape classification, using reference zones. These principles are independent from the catchment size. They allow to keep suitable features which are required in the catchment description in order to fulfil a specific modelling objective. The method leads to unstructured and homogeneous areas within the sub-catchments, which can be used as modelling units. It avoids map smoothing by suppressing the smallest units, the role of which can be very important in hydrology, and provides a confidence map (the distance map) for the classification. The confidence map can be used for further uncertainty analysis of modelling results. The final discretization remains consistent with the scale of input data and that of the source maps. We present an illustration of the method using available data from the upper Saône catchment (11 700 km2) in France. We compare the results with more traditional mapping approach, according to the landscape representation and input data scale

Collisions agrégats-molécules : attachement, fragmentation, nanocalorimétrie

The experimental set-up developed in Toulouse enables to control collisions between a charged thermalised mass-selected free cluster and molecules. Processes of attachement of the molecule onto the cluster and collision induced fragmentation can be studied.In order to better understand the process of attachment of a molecule onto a cluster, we have measured attachment cross-sections of alcohol molecules, methanol and ethanol, onto alcohol clusters.We have observed a similar behaviour as the one observed with water clusters, that is attachment cross-sections that are lower than the geometrical cross-section at small sizes and that converge to this geometrical cross-section at bigger sizes. This behaviour had been assigned to a dynamical effect in the case of water. This dynamical model can be extendedwith a good qualitative agreement to alcohol clusters.Processes of attachment and fragmentation enable to realise nanocalorimetry measurements. We have determined heat capacities and transition temperatures for protonated water clusters (H2O)nH+. They complete measurements already done for deprotonated water clusters (H2O)n-1OH-. The nature of the phase transition is discussed.The last part of this dissertation concerns collision induced fragmentation for molecules that have some biological interest : protonated uracil, bare or hydrated. Fragmentation pathways of the protonated uracil molecule has been observed. The influence of the number of water molecules on the fragmentation pattern of solvated uracil is linked to the proton affinity of the constituants and to the cluster structure.Le dispositif expérimental original développé à Toulouse permet de contrôler les collisions entre un agrégat chargé, libre, thermalisé, sélectionné en masse et des molécules. Il permet d'étudier l'attachement de la molécule sur l'agrégat ou la fragmentation induite par collision. Afin de mieux comprendre les processus d'attachement d'une molécule sur un agrégat, nous avons mesuré les sections efficaces d'attachement de molécules d'alcool, méthanol et éthanol, sur des agrégats d'alcool. Nous avons pu observer un comportement similaire aux agrégats d'eau, c'est à dire des sections efficaces d'attachement inférieures à la section efficace géométrique aux petites tailles qui tendent vers cette section géométrique quand la taille augmente. Ce comportement avait été attribué pour l'eau à un effet dynamique. Ce modèle dynamique peut être étendu avec un bon accord qualitatif aux agrégats d'alcools.Les processus d'attachement et de fragmentation nous permettent de réaliser des expériences de nanocalorimétrie. Nous avons pu déterminer les capacités calorifiques et les températures de transition de phase dans des agrégats d'eau protonés (H2O)nH+, qui viennent compléter les mesures effectuées sur les agrégats déprotonés (H2O)n-1OH-. La nature de la transition est discutée. Un troisième volet de cette thèse concerne la fragmentation induite par collision de molécules d'intérêt biologique : l'uracile protoné, isolé ou hydraté. Nous avons observé les différentes voies de fragmentation de l'uracile protoné. L'influence du nombre de molécules d'eau hydratant la molécule d'uracile sur le spectre de fragmentation est liée à l'affinité protonique des constituants et à la structure de l'agrégat

Apports de la modélisation distribuée horaire à la comprehension du régime hydrologique du bassin périurbain de l'Yzeron - Ouest Lyonnais, France

XXIIIème Colloque de l'Association Internationale de Climatologie, Liege, BEL, 01-/07/2015 - 04/07/2015International audienceDes travaux précédents, réalisés avec un modèle hydrologique distribué initialement conçu pour les bassins ruraux, le modèle J2000 appliqué au pas de temps journalier, ont permis de mettre en évidence l'impact de l'augmentation des surfaces imperméables sur la composition des écoulements du bassin versant de l'Yzeron. Ce pas de temps étant peu efficace pour représenter la dynamique rapide des sous bassins urbains, un nouveau modèle, J2000P, spécifiquement dédiée aux bassins périurbains, a été développé. Il prend en compte la variabilité spatiale du coefficient d'infiltration, modifiée par l'imperméabilisation des surfaces, les réseaux d'assainissement et d'eaux pluviales ainsi que les déversoirs d'orage. L'application du modèle sur le bassin de l'Yzeron sur une période de 10 ans montre que le modèle est capable de reproduire le cycle hydrologique sur le bassin, avec de meilleures performances en conditions humides et en hiver et une tendance à sous-estimer les bas débits. Le modèle permet aussi de visualiser la variabilité spatiale des composantes du bilan hydrologique et en particulier les contrastes entre zones urbanisées, cultivées et sous forêt. Mots clés : périurbain, débit, modélisation hydrologique, imperméabilisation

Modelling the Influence of Landscape Management Practices on the Hydrology of a Small Agricultural Catchment

Source: ICHE Conference Archive - https://mdi-de.baw.de/icheArchiv

Water balance simulation of a dryland soil during fallow under conventional and conservation tillage in semiarid Aragon, Northeast Spain

The definitive version is available at: http://www.sciencedirect.com/science/journal/01671987In Central Aragon, winter cereal is sown in the autumn (November–December), commonly after a 16–18 months fallow period aimed at conserving soil water. This paper uses the Simple Soil–Plant–Atmosphere Transfer (SiSPAT) model, in conjunction with field data, to study the effect of long fallowing on the soil water balance under three tillage management systems (conventional tillage, CT; reduced tillage, RT; and no-tillage, NT). This was on the assumption that soil properties would remain unchanged during the entire fallow season. Once the model was validated with data obtained before primary tillage implementation, the differences between simulated and observed soil water losses for the CT and RT treatments could be interpreted as the direct effect of the soil tillage system. The model was calibrated and validated in a long-term tillage experiment using data from three contrasting long-fallow seasons over the period 1999–2002, where special attention was paid to predicting soil hydraulic properties in the pre-tillage conditions. The capacity of the model to simulate the soil water balance and its components over long fallowing was demonstrated. Both the fallow rainfall pattern and the tillage management system affected the soil water budget and components predicted by the model. The model predicted that about 81% of fallow seasonal rainfall is lost by evaporation in long-fallow periods with both a dry autumn in the first year of fallow and a rainfall above normal in spring. Whereas, when the fallow season is characterised by a wet autumn during the first year of fallow the model predicted a decrease in soil water evaporation and an increase in water storage and deep drainage components. In this case, the predicted water lost by evaporation was higher under NT (64%) than under RT (56%) and CT (44%). The comparison between measured and simulated soil water loss showed that the practice of tillage decreased soil water conservation in the short term. The long-term analysis of the soil water balance showed that, in fallow periods with a wet autumn during the first year of fallow, the soil water loss measured under CT and RT was moderately greater than that predicted by the model.This research was supported by the Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología of Spain (grants AGF98-0261-CO2-02 and AGL2001-2238-CO2-01 and PNFPI pre-doctoral fellowship awarded to the first author) and the European Union (FEDER funds).Peer reviewe

Water balance simulation of a dryland soil during fallow under conventional and conservation tillage in semiarid Aragon, Northeast Spain

The definitive version is available at: http://www.sciencedirect.com/science/journal/01671987In Central Aragon, winter cereal is sown in the autumn (November–December), commonly after a 16–18 months fallow period aimed at conserving soil water. This paper uses the Simple Soil–Plant–Atmosphere Transfer (SiSPAT) model, in conjunction with field data, to study the effect of long fallowing on the soil water balance under three tillage management systems (conventional tillage, CT; reduced tillage, RT; and no-tillage, NT). This was on the assumption that soil properties would remain unchanged during the entire fallow season. Once the model was validated with data obtained before primary tillage implementation, the differences between simulated and observed soil water losses for the CT and RT treatments could be interpreted as the direct effect of the soil tillage system. The model was calibrated and validated in a long-term tillage experiment using data from three contrasting long-fallow seasons over the period 1999–2002, where special attention was paid to predicting soil hydraulic properties in the pre-tillage conditions. The capacity of the model to simulate the soil water balance and its components over long fallowing was demonstrated. Both the fallow rainfall pattern and the tillage management system affected the soil water budget and components predicted by the model. The model predicted that about 81% of fallow seasonal rainfall is lost by evaporation in long-fallow periods with both a dry autumn in the first year of fallow and a rainfall above normal in spring. Whereas, when the fallow season is characterised by a wet autumn during the first year of fallow the model predicted a decrease in soil water evaporation and an increase in water storage and deep drainage components. In this case, the predicted water lost by evaporation was higher under NT (64%) than under RT (56%) and CT (44%). The comparison between measured and simulated soil water loss showed that the practice of tillage decreased soil water conservation in the short term. The long-term analysis of the soil water balance showed that, in fallow periods with a wet autumn during the first year of fallow, the soil water loss measured under CT and RT was moderately greater than that predicted by the model.This research was supported by the Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología of Spain (grants AGF98-0261-CO2-02 and AGL2001-2238-CO2-01 and PNFPI pre-doctoral fellowship awarded to the first author) and the European Union (FEDER funds).Peer reviewe

Impact de l'urbanisation sur le cycle hydrologique dans un bassin versant periurbain. Application au bassin de l’Yzeron - ouest lyonnais, France

International audienceL’urbanisation croissante, en particulier dans les zones périphériques aux grandes villes (zones périurbaines) a des conséquences sur le cycle hydrologique en modifiant l’infiltrabilité des sols, la recharge des nappes, ainsi que les chemins naturels de l’eau via les différents réseaux (routiers, eau potable, assainissement). Une modélisation à l'aide du modèle hydrologique distribué J2000 est mise en ½uvre sur le bassin versant de l’Yzeron, en périphérie de Lyon, représentatif des bassins périurbains français. Nous montrons en particulier que l’urbanisation modifie les composantes des écoulements en accroissant le ruissellement de surface au détriment des écoulements de base ou de sub-surface (comparaison de simulations s’appuyant sur des cartes d’occupation du sol de 1990, 1999, 2008). La prise en compte des réseaux d’assainissement et des déversoirs d’orage dans la modélisation permettra d’améliorer la simulation des bilans hydrologiques dans le bassin. / Urban growth, in particular close to big cities impacts the hydrological cycle by modifying soil infiltration capacity, groundwater recharge, but also by modifying natural water pathways due to the various networks associated with urbanization (roads, drinkable and sewer networks). The distributed hydrological model J2000 is set up in the Yzeron catchment, close to Lyon city. We show that urban growth modifies the flow components by increasing surface runoff and decreasing base and sub-surface flows (comparison of simulations based on past land use mapping of 1990, 1999, 2008). The inclusion of sewer networks and sewer overflow devices in the model will improve the water balance simulations of the catchment

Quels liens entre climatologie, occupation des sols et inondations dans le bassin versant de l'Yzeron (ouest Lyonnais) ? Apport de l'analyse conjointe de données hydroclimatiques et d'images satellitaires très haute résolution

Le bassin versant de l'Yzeron, situé en périphérie immédiate de la ville de Lyon, est un bassin représentatif des bassins versants périurbains français. Il connaît, depuis les années 1970, une augmentation importante de son urbanisation. Ces dernières années, des crues importantes, entraînant des inondations à l'aval du bassin versant ont marqué les esprits, posant la question de l'impact des modifications de l'occupation des sols dans le bassin versant sur le régime des crues. Dans cet article, nous utilisons l'analyse combinée de données hydroclimatiques (pluie, température, évapotranspiration de référence -ET0, débits) et de cartes de l'occupation des sols dérivées d'images satellites SPOT à haute et très haute résolution pour aborder cette question. L'analyse des débits montre l'existence d'une évolution du régime des crues, avec une augmentation significative des crues sub -seuils pour des durées de 1,5h, 3h, 6h, 12h et 36h sur la période 1970-2010. L'analyse de l'échantillon de crues obtenue par cette analyse débit-durée-fréquence montre que les crues les plus importantes sont plutôt liées à des épisodes ayant conduit à un cumul de pluie important (> 80 mm en quelques jours). Une corrélation significative est aussi obtenue entre débit de base et coefficient de ruissellement, ce qui montre que ces crues peuvent être associées à des écoulements sur surfaces saturées. Les évolutions du climat (pluviométrie, température, ET0) ne permettent pas d'expliquer l'augmentation des crues observées. En revanche, l'occupation des sols entre 1990 et 2008 montre une augmentation des sur faces imperméables qui passent de 15,2 % de la surface totale du bassin en 1990 à 18,2 % en 1999 et 22,6 % en 2008. Cette évolution de l'imperméabilisation est mise en regard de l'accroissement de la population du bassin sur cette même période. Enfin, nous illustrons la réponse hydrologique du bassin versant avec deux épisodes pour lesquels le rôle de l'occupation des sols est différent. Le premier, celui du 02/12/2003 est typique d'une réponse par saturation du bassin, avec une contribution majeure des zon es rurales, suite à des cumuls pluviométriques importants. Le second, celui du 09/08/2009 représente un orage d'été, très court mais avec des intensités importantes, conduisant essentiellement à une réponse rapide des zones urbaines et pour lequel l'occupation des sols joue un rôle majeur

Four Decades of Progress in Monitoring and Modeling of Processes in the Soil-Plant- Atmosphere System: Applications and Challenges Assessment of the SiSPAT SVAT model for irrigation estimation in south-east France

Abstract In this study, we assess the interest of using a Soil -Vegetation -Atmosphere -Transfer model, the SiSPAT (Simple Soil Vegetation Atmosphere Transfer) model, which solves the surface energy balance, for the evaluation of theoretical crop water requirements in south-east France. First the relevance of the model results, when parameterized using information extracted from a soil data base and pedotransfer functions for the estimation of soil hydraulic properties, and when vegetation characteristics are prescribed using available data bases is assessed. We use long term time series of soil water content profiles for this purpose. The results show that evapotranspiration, as simulated by SiSPAT is sensitive to the soil parameter specification leading to large uncertainties in the model results. Then, we present two methods implemented in SiSPAT to compute irrigation requirements. The first option mimics the soil water balance model principles by estimating the irrigation from the available soil water capacity filling. The second option relies on the model physics and estimates the difference between actual transpiration and the value corresponding to a minimal stomatal resistance, i.e. without water stress. Aspersion and drip irrigation can be simulated. Nine crop are chosen for the model evaluation. A comparison with two other water balance models is performed. The three models are consistent with determination coefficient between the simulated annual irrigation generally larger than 0.4. However, differences of the interannual irrigation needs, larger than several 100 mm, are sometimes found, especially for drip irrigation. This work provides a quantification of expected uncertainties when using water balance models or physically-based models for irrigation needs estimation

Caractérisation et modélisation de la dynamique de l'évapotranspiration en Afrique Soudanienne en zone de socle (interaction entre les aquifères et la végétation)

Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration.In West Africa, millions of people rely on water resources exposed to the monsoon variability. In this context, the aim of this thesis is to better understand hydrological processes in bedrock areas, and more particularly to estimate the role of lateral redistribution of soil water by the interactions between underground reservoirs, vegetation and atmosphere, using hydrogeological prospection and modeling at field and catena scale. This work is supported by the experimental device implemented in the small Ara catchment in the framework of the AMMA-CATCH observatory. The use of the ParFlow-CLM model allows the simulation of transfers in the saturated and the vadose zone by solving the Richards equation in 3D. The model was forced using observed atmospheric forcing at the surface. We first identify influential parameters for vertical water transfers. Then a spatial characterization of these parameters is carried out. The 1D version of the Parflow-CLM model is assessed using observed data. We show that the model provides relevant times series of the surface energy balance and of soil water distribution as compared to the observations. The impact of the spatial variability of the hydraulic parameters at the field scale (<1 ha) is studied. Finally, the bedrock geometry and the spatial distribution of vegetation are taken into account in the modelling. This allows the identification of horizontal subsurface lateral fluxes, which generate wet and dry patterns, which are related to the spatial distribution of evapotranspiration.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF