Multi-scale streamfow simulation

Pouryousefi Markhali, Siavash (2023). Multi-scale streamfow simulation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (19MB) | Prévisualisation

Résumé

Scale issues represent an unsolved problem in hydrological sciences. Distributed hydrological models are capable of accounting for catchment heterogeneity, but it remains unclear to what extent the variations in the representation of spatio-temporal resolution in these models leads to uncertainty in the simulations. Moreover, the added value of more refned spatio-temporal discretization is also unclear. The present thesis addresses these topics in the context of streamfow simulation, food projection and regionalization of model parameters .

All catchments studied in this thesis are located in Southern Quebec, Canada . This research uses two process-based distributed hydrological models with diferent degrees of complexity (Hydrotel and WaSiM). For the food simulation and projection, the models are calibrated with four diferent levels of spatial discretization of physiographic data and in models’ parameters. The climate extreme project (ClimEx) dataset is bias corrected for 3- and 24-hour time-steps using the n-dimensional multivariate bias correction method (MBCn), and used as inputs to the hydrological models to project streamfow over the 1991-2100 period.

The results show that the variation of temporal resolution has only minor impacts on the uncertainty of historical simulations, and the impact depends on the choice of the model. The more sophisticated model (WaSim) has a larger uncertainty. As for varying the spatial discretization, it can cause uncertainties for catchments with low slopes or uneven areas.

Regarding food projection, by refning the temporal scale, the results show that both the frequency and amplitude of extreme summer-fall fow increases in the future. Moreover, the choice of hydrological model for food projection is more important for larger catchments. Finally, no distinct pattern exists regarding the uncertainty related to the spatial resolution and catchment size. However, this afects the direction and signifcance of the trends observed for extreme fow in the simulations.

This thesis also proposes and tests a regionalization method based on random forests (RF). It is applied to the parameters of Hydrotel at diferent spatio-temporal resolutions. The results show that the proposed regionalization technique performs better for shorter time-steps. Moreover, the regionalized parameters are spatially consistent. In the end, using catchment descriptors that have a better spatial representativity results in an improvement (more than 10%) in the simulations using a 24h time-step.

Titre traduit

Simulation multi-échelle du débit des cours d’eau

Résumé traduit

Les questions d’échelle représentent un problème non résolu en hydrologie. Les modèles hydrologiques distribués sont capables de prendre en compte l’hétérogénéité des bassins versants, mais on ne sait toujours pas dans quelle mesure les variations dans la représentation des échelles spatio-temporelles, dans ces modèles, entraînent une incertitude sur les simulations. De plus, la question de la valeur ajoutée d’une discrétisation spatio-temporelle plus fne doit être étudiée davantage. La présente thèse aborde ces sujets dans le contexte de la simulation des écoulements, de la projection des crues et de la régionalisation des paramètres des modèles hydrologiques.

Tous les bassins versants étudiés dans cette thèse sont situés dans la partie sud de la province de Québec, au Canada. Cette recherche repose sur l’utilisation de deux modèles hydrologiques distribués et à base physiques avec diférents degrés de complexité (Hydrotel et WaSiM). Pour la simulation et la projection des inondations, les modèles sont calibrés en considérant quatre niveaux diférents de spatialisation de l’information physiographique et des paramètres des modèles hydrologiques. Les données du projet ClimEx sont corrigées pour des pas de temps de 3 et 24 heures en utilisant la méthode de correction de biais multivariée n-dimensionnelle (MBCn), et utilisées comme entrées dans les modèles hydrologiques pour projeter le débit sur la période 1991-2100.

Les résultats montrent que la variation de la résolution temporelle n’a que des impacts mineurs sur l’incertitude des simulations en conditions historiques, et que son impact dépend du choix du modèle hydrologique. Le modèle le plus sophistiqué (WaSim) présente une plus grande incertitude. Quant à la variation de la discrétisation spatiale, elle peut entraîner des incertitudes pour les bassins versants à faible pente ou comportant des zones accidentées.

En ce qui concerne la projection des crues, en afnant l’échelle temporelle, les résultats montrent que la fréquence et l’amplitude des débits extrêmes en été augmentent dans le futur. De plus, le choix du modèle hydrologique pour la projection des débits de crues est plus important pour les grands bassins versants. Enfn, il n’existe pas de patron caractéristique concernant l’incertitude liée à la résolution spatiale et à la taille du bassin versant. Cependant, cela afecte la direction et le niveau de signiftaction des tendances observées pour les débits extrêmes dans les simulations.

Cette thèse propose et teste également une méthode de régionalisation basée sur les forêts aléatoires (RF). Elle est appliquée aux paramètres d’Hydrotel à diférentes échelles spatiotemporelles. Les résultats montrent que la technique de régionalisation proposée est plus performante pour des pas de temps plus courts. De plus, les paramètres régionalisés sont spatialement cohérents. En fn de compte, l’utilisation de descripteurs des bassins versant ayant une meilleure représentativité spatiale entraîne une amélioration (de plus de 10%) pour les simulations avec un pas de temps de 24 heures.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to école de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 161-207).
Mots-clés libres:	modèles distribués, discrétisation spatio-temporelle, simulation d’inondations, régionalisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Poulin, Annie
Codirecteur:	Codirecteur Boucher, Marie-Amélie
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	19 juin 2023 13:57
Dernière modification:	19 juin 2023 13:57
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3237

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt