Optimal temporal resolution for hydrological modeling studies

Sabeti, Parham (2022). Optimal temporal resolution for hydrological modeling studies. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The impact of climate change on water resources has been an important field of research over the recent decades. Better water management is one way to adapt to a changing climate. To achieve this, having better rainfall-runoff models would be beneficial. Rainfall-runoff models are essential for improving our understanding and ability to forecast floods and droughts. Most hydrological modeling studies have been conducted at the daily-scale since most meteorological data was only available at this time step. However, higher temporal resolution data has become increasingly available at the sub-daily time scales. Previous work has shown that using data with a higher temporal resolution often results in an improvement in modelling accuracy. However, using a finer time scale increases the computational requirements of running the hydrological model. Finding the best time step is therefore an exercise in maximizing simulation accuracy while keeping the computational burden as low as possible. Smaller catchments may benefit more from a smaller time step due to the faster reaction time, whereas larger catchments may be relatively insensitive to the computation time-step. This highlights the importance of taking catchment size and shape into account when trying to determine the best temporal resolution. Even though there have been numerous studies on runoff models with sub-daily and even sub-hourly time steps, a systematic knowledge of how catchment size affects the time resolution option and how to determine the most efficient time step for the model has not yet been achieved. This work therefore investigated how the temporal resolution of a lumped hydrological model impacts simulation results, and if the impact is related to catchment size. Three-hundred and thirty-nine (339) catchments with quality-controlled hourly precipitation were selected covering most of the contiguous UnitedStates. Hourly meteorological data was aggregated at 2, 3, 4, 6, 12 and 24-hour time steps and one hydrological model was calibrated on all catchment and for each of the 8 time-steps. To study the impact of catchment size, the catchments were regrouped into 6 different size classes, from smaller than 500 km2 to larger than 4500 km2 , each group containing approximately the same number of catchments. Results showed that using as small a time-step as possible was beneficial to all catchment size classes, as it systematically improved the simulated flow bias as well as the magnitude and timing of peaks flows. The smallest size classes benefited the most from a reduced time step whereas for larger catchments, going to time step smaller than 8-hour only provided marginal improvements.

Titre traduit

Résolution temporelle optimale pour les études de modélisation hydrologique

Résumé traduit

L'impact du changement climatique sur les ressources en eau a constitué un important domaine de recherche au cours des dernières décennies. Une meilleure gestion de l'eau est un moyen de s'adapter au changement climatique. Pour y parvenir, il serait utile de disposer de meilleurs modèles de ruissellement pluvial. Les modèles de ruissellement pluvial sont essentiels pour améliorer notre compréhension et notre capacité à prévoir les inondations et les sécheresses. La plupart des études de modélisation hydrologique ont été menées à l'échelle quotidienne, car la plupart des données météorologiques n'étaient disponibles qu'à ce pas de temps. Cependant, des données à plus haute résolution temporelle sont de plus en plus disponibles à l'échelle infrajournalière. Des travaux antérieurs ont montré que l'utilisation de données à plus haute résolution temporelle entraîne souvent une amélioration de la précision de la modélisation. Cependant, l'utilisation d'une échelle temporelle plus fine augmente les besoins en calcul du modèle hydrologique. Trouver le meilleur pas de temps est donc un exercice visant à maximiser la précision de la simulation tout en maintenant la charge de calcul aussi faible que possible. Les petits bassins versants peuvent bénéficier davantage d'un pas de temps plus petit en raison du temps de réaction plus rapide, tandis que les bassins versants plus grands peuvent être relativement insensibles au pas de temps de calcul. Ceci souligne l'importance de prendre en compte la taille du bassin versant lors de la détermination de la meilleure résolution temporelle. Bien qu'il y ait eu de nombreuses études sur les modèles de ruissellement avec des pas de temps infra-quotidiens et même infra-horaires, une connaissance systématique de la façon dont la taille du bassin versant affecte l'option de résolution temporelle et comment déterminer le meilleur pas de temps pour le modèle n'a pas encore été réalisée. Ce travail a donc étudié l'impact de la résolution temporelle des modèles hydrologiques sur les résultats de simulation, et si cet impact est lié à la taille du bassin versant. Trois cent trente-neuf (339) bassins versants avec des précipitations horaires de qualité contrôlée ont été sélectionnés, couvrant la plupart des états contigus des États-Unis. Les données météorologiques horaires ont été agrégées à des pas de temps de 2, 3, 4, 6, 12 et 24 heures et un modèle hydrologique a été calibré sur tous les bassins versants et pour chacun des 8 pas de temps. Pour étudier l'impact de la taille du bassin versant, les bassins versants ont été regroupés en 6 classes de taille différentes, de moins de 500 km2 à plus de 4500 km2 , chaque groupe contenant approximativement le même nombre de bassins versants. Les résultats ont montré que l'utilisation d'un pas de temps aussi petit que possible était bénéfique pour toutes les classes de taille de bassin versant, car elle améliorait systématiquement le biais du débit simulé ainsi que l'ampleur et le moment des pics de débit. Les classes de taille les plus petites ont bénéficié le plus d'un pas de temps réduit alors que pour les bassins plus grands, le passage à un pas de temps inférieur à 8 heures n'a toutefois apporté que des améliorations marginales.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the master’s degree with thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 55-66).
Mots-clés libres:	modélisation hydrologique, précision de la modélisation, résolution temporelle, taille du bassin versant
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brissette, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	15 févr. 2023 15:56
Dernière modification:	15 févr. 2023 15:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3174

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