Value of distributed water level and soil moisture data in the evaluation of a distributed hydrological model: Application to the PUMMA model in the Mercier catchment (6.6 km2) in France

This paper emphasizes the importance of integrating outlet discharge and observed internal variables in the evaluation of distributed hydrological models outputs. It proposes a general methodology for a diagnostic evaluation of a complex distributed hydrological model, based on discharge data at the outlet and additional distributed information such as water level and surface soil moisture data. The proposed methodology is illustrated using the PUMMA model in the Mercier sub-catchment (6.6 km2). Model parameters are specified according to field data and a previous study performed in a neighbouring catchment (Jankowfsky et al., 2014), without calibration. The distributed water level and soil moisture network of sensors were useful in the model evaluation process. Thus, model parameters are specified either using in situ information or results from previous studies. A stepwise approach is used for model evaluation. It includes standard water balance assessment as well as comparison of observed and simulated outlet discharge, whether on annual or event timescales. Soil moisture sensors are used to assess the ability of the model to simulate seasonal water storage dynamics based on a normalized index. The water level sensors network is used on two timescales: on a seasonal timescale, sensors network is used to assess the model’s ability to simulate intermittency; whereas on event timescales, sensors network is used in determining the model’s ability to reproduce observed reaction as well as response times. Event timescales do also focus on the correlation between hydrological response and either rainfall event or antecedent soil moisture variables. Results show that the non-calibrated model is quite effective at capturing water flow and soil water-storage dynamics, but it fails to reproduce observed runoff volume during events. There is strong indication of a deficiency in the characterization of catchment storage and upstream flowpath description. The soil water content and a network of water level sensors provide interesting information about soil moisture and river flow dynamics. They however fail to provide quantitative information about catchment storage. This study opens interesting perspectives for the evaluation of distributed hydrological models using hydrological signatures. Furthermore, it highlights the requirement of quantitative as well as qualitative signatures for improving such models

Compréhension et modélisation des processus hydrologique dans un petit bassin versant périurbain à l'aide d'une approche spatialisée orientée objet et modulaire. Application aux sous-basins de la chaudanne et du mercier (bassin de l'Yzeron, France)

Urban expansion mainly affects peri-urban areas. These areas are subject to rapid modifications such as an increase of impervious areas or concentration of runoff in sewer systems. These changes have an impact on local hydrology and can induce floods, pollution or decrease of groundwater resource. Modelling tools allowing a quantification of the sensitivity of peri-urban catchments to urbanization are therefore useful in this context. The hypothesis underlying this PhD is that a continuous distributed hydrological model, taking explicitly into account the spatial organization of the landscape (urban, agricultural, forest areas, hedges,..) and the water pathways, as determined by topography but also roads and sewer networks, can help to understand and hierarchize the role of various landscape elements on the hydrological response of small hydrosystems. We therefore designed the Peri-Urban Model for landscape MAnagement (PUMMA) simulating the rainfall-runoff processes both in urban and in rural areas. For this, the urban model URBS was integrated into the LIQUID modelling framework already containing modules describing hydrological processes in rural areas. Additionally, three process modules were developed describing sewer overflow devices, overland flow as well as retention basins and lakes. PUMMA follows an object-oriented approach. The landscape is discretized into cadastral parcels in urban areas and irregular hydrological response units in rural areas. In order to apply PUMMA to the catchment scale, automatic methods were developed for the pre-processing of the geographical data. Furthermore, a method for the delineation of suburban catchments including the separation into dry and wet weather contributing areas was developed. The model was then applied to the Chaudanne catchment, a sub-basin of the Yzeron, located in the peri-urban area of Lyon, France. The model was run continuously for two contrasting years (dry and humid) using parameters values taken from observations and the literature. Although summer peak discharge is often overestimated, the results show that, the model is able to simulate realistically the observed discharges and in particular different responses under dry and wet conditions, controlled by the soil saturation. Sensitivity tests to various processes/parameters showed the importance of the urban influenced processes on the hydrological response, in particular surface runoff generation on impervious and natural urban surfaces, infiltration into the sewer system and the connexion of urban areas to the natural hydrographic network. Soil depth and lateral saturated hydraulic conductivity were also found influential on the base flow dynamics. We finally showed the model potential for the evaluation of various rain water management scenarios.La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales

Understanding and modelling of hydrological processes in small peri-urban catchments using an object-oriented and modular distributed approach. Application to the Chaudanne and Mercier sub-catchments (Yzeron catchment, France).

La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales.Urban expansion mainly affects peri-urban areas. These areas are subject to rapid modifications such as an increase of impervious areas or concentration of runoff in sewer systems. These changes have an impact on local hydrology and can induce floods, pollution or decrease of groundwater resource. Modelling tools allowing a quantification of the sensitivity of peri-urban catchments to urbanization are therefore useful in this context. The hypothesis underlying this PhD is that a continuous distributed hydrological model, taking explicitly into account the spatial organization of the landscape (urban, agricultural, forest areas, hedges,..) and the water pathways, as determined by topography but also roads and sewer networks, can help to understand and hierarchize the role of various landscape elements on the hydrological response of small hydrosystems. We therefore designed the Peri-Urban Model for landscape MAnagement (PUMMA) simulating the rainfall-runoff processes both in urban and in rural areas. For this, the urban model URBS was integrated into the LIQUID modelling framework already containing modules describing hydrological processes in rural areas. Additionally, three process modules were developed describing sewer overflow devices, overland flow as well as retention basins and lakes. PUMMA follows an object-oriented approach. The landscape is discretized into cadastral parcels in urban areas and irregular hydrological response units in rural areas. In order to apply PUMMA to the catchment scale, automatic methods were developed for the pre-processing of the geographical data. Furthermore, a method for the delineation of suburban catchments including the separation into dry and wet weather contributing areas was developed. The model was then applied to the Chaudanne catchment, a sub-basin of the Yzeron, located in the peri-urban area of Lyon, France. The model was run continuously for two contrasting years (dry and humid) using parameters values taken from observations and the literature. Although summer peak discharge is often overestimated, the results show that, the model is able to simulate realistically the observed discharges and in particular different responses under dry and wet conditions, controlled by the soil saturation. Sensitivity tests to various processes/parameters showed the importance of the urban influenced processes on the hydrological response, in particular surface runoff generation on impervious and natural urban surfaces, infiltration into the sewer system and the connexion of urban areas to the natural hydrographic network. Soil depth and lateral saturated hydraulic conductivity were also found influential on the base flow dynamics. We finally showed the model potential for the evaluation of various rain water management scenarios

Compréhension et modélisation des processus hydrologique dans un petit bassin versant périurbain à l'aide d'une approche spatialisée orientée objet et modulaire. Application aux sous-basins de la chaudanne et du mercier (bassin de l'Yzeron, France)

La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales.Urban expansion mainly affects peri-urban areas. These areas are subject to rapid modifications such as an increase of impervious areas or concentration of runoff in sewer systems. These changes have an impact on local hydrology and can induce floods, pollution or decrease of groundwater resource. Modelling tools allowing a quantification of the sensitivity of peri-urban catchments to urbanization are therefore useful in this context. The hypothesis underlying this PhD is that a continuous distributed hydrological model, taking explicitly into account the spatial organization of the landscape (urban, agricultural, forest areas, hedges,..) and the water pathways, as determined by topography but also roads and sewer networks, can help to understand and hierarchize the role of various landscape elements on the hydrological response of small hydrosystems. We therefore designed the Peri-Urban Model for landscape MAnagement (PUMMA) simulating the rainfall-runoff processes both in urban and in rural areas. For this, the urban model URBS was integrated into the LIQUID modelling framework already containing modules describing hydrological processes in rural areas. Additionally, three process modules were developed describing sewer overflow devices, overland flow as well as retention basins and lakes. PUMMA follows an object-oriented approach. The landscape is discretized into cadastral parcels in urban areas and irregular hydrological response units in rural areas. In order to apply PUMMA to the catchment scale, automatic methods were developed for the pre-processing of the geographical data. Furthermore, a method for the delineation of suburban catchments including the separation into dry and wet weather contributing areas was developed. The model was then applied to the Chaudanne catchment, a sub-basin of the Yzeron, located in the peri-urban area of Lyon, France. The model was run continuously for two contrasting years (dry and humid) using parameters values taken from observations and the literature. Although summer peak discharge is often overestimated, the results show that, the model is able to simulate realistically the observed discharges and in particular different responses under dry and wet conditions, controlled by the soil saturation. Sensitivity tests to various processes/parameters showed the importance of the urban influenced processes on the hydrological response, in particular surface runoff generation on impervious and natural urban surfaces, infiltration into the sewer system and the connexion of urban areas to the natural hydrographic network. Soil depth and lateral saturated hydraulic conductivity were also found influential on the base flow dynamics. We finally showed the model potential for the evaluation of various rain water management scenarios.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

The RMS US inland flood model

The RMS US inland flood model provides flood hazard data of up to 10×10m resolution for the Contiguous United States for different return periods. The flood maps were developed using a series of physically based models. First, several thousand years of precipitation were simulated using principal component analysis coupled to a tropical cyclone precipitation model. Then, discharge and runoff were calculated using a semi-distributed rainfall runoff and routing model based on the TOPMODEL approach run at an hourly time step. This in turn forms the input to the fluvial and pluvial inundation models, which uses the shallow water equation to simulate flood propagation. Each of the individual model components such as precipitation, discharge and flood extent and depth were validated individually. The model generally performed very well compared to available flood maps, especially in the high exposure areas, even if it has some difficulties in the dry low exposure areas of the United States, which are heavily influenced by water management. The flood maps will be the base for the fully probabilistic loss model including a financial model. Via the simulated Hurricane track data set the flood model will be coupled to the RMS North Atlantic Hurricane model