Towards spatial and temporal resolutions which fit catchment hydrological behaviour
A la recherche des résolutions spatiales et temporelles caractéristiques du comportement hydrologique d'un bassin versant
Résumé
This study aims to investigate the effects of changing the combination of spatial and temporal resolutions of rainfall data on hydrological model performance. This work focuses on 30 flood events selected over three French catchments ranging from 2514 to 7523 km$^2$. The data used include time series of precipitation at 1-h time step and 1-km$^2$ (ANTILOPE, Météo-France), streamflow at variable sub-hourly time step (Banque-Hydro, SCHAPI), and daily temperature (SAFRAN, Météo-France), used to derive the potential evapotranspiration. Ten different indexes are used to explore some spatio-temporal characteristics of rainfall events, in order to recommend in which contexts (types of storm events and basins) finer resolutions should improve the simulation results of hydrological models. These indexes characterise the spatial variability, localisation, movement, intensity and temporal variability of rainfall events. In addition to some indexes already reported in the hydrological literature (as the index of spatial variability proposed by \citet{Smith2004}), we propose some new indexes for this context, as the GINI index (usually applied in economics). A critical and comparative analysis of all these indexes is performed using rainfall data aggregated at different time steps (1-, 3-, 6-, 12- and 24-h). This analysis has the merit of showing the limits of some of these indexes, thanks to the comparison between different time steps, events and catchments. Since the variability of spatial and temporal characteristics of storm events results to be important also within a same catchment, we combine events with similar characteristics by clustering techniques, to analyse model performance by types of event and not only by catchments. In order to perform streamflow simulations, the GR5 model is used in its lumped and semi-distributed version (GR-SD), with a mesh grid of 500 and 250 km$^2$, at daily and sub-daily time steps (12-, 6- and 3-h). Model performances are shown to be significantly improved at finer resolutions for events with convective trends, for which a synergy is obtained by refining spatial and temporal resolutions of rainfall at the same time. Thus, Mediterranean catchments, that mostly receive convective precipitations, benefit from increased spatial and temporal resolutions of rainfall. These encouraging results suggest that in the flood forecasting context, in particular in fast reactive catchments subject to intense events, a significant increase of model performance can be expected by refining both the spatial and temporal resolutions of rainfall.
Cette étude a pour vocation d'étudier l'impact du changement des combinaisons de résolutions spatiales et temporelles des données de précipitations sur les simulations d'un modèle hydrologique. Ce travail se focalise sur 30 événements de crues répartis sur trois bassins versants français de superficies comprises entre 2514 et 7523 km$^2$. Les données utilisées comprennent les séries de précipitation à 1h et 1 km$^2$ (Antilope, Météo-France), les débits au pas de temps variable (Banque-Hydro, SCHAPI), et la température journalière (SAFRAN, Météo-France) est utilisée pour calculer l'évapotranspiration potentielle. Dix indices différents sont utilisés pour explorer certaines caractéristiques spatio-temporelles des événements de précipitation, afin de préconiser dans quels contextes (types d'événements et de bassins) des résolutions plus fines devraient améliorer les résultats de simulation de modèles hydrologiques. Ces indices caractérisent la variabilité spatiale, la localisation, le mouvement, l'intensité et la variabilité temporelle des événements pluvieux. En plus de certains indices déjà utilisés dans la littérature hydrologique (comme l'indice de variabilité spatiale proposé par \citet{Smith2004}), nous proposons de nouveaux indices pour ce contexte, comme l'indice de Gini (généralement appliqué en économie). Une analyse critique et comparative de tous ces indices est effectuée en utilisant des données de précipitation agrégées à différents pas de temps (1, 3, 6, 12 et 24 h). Cette analyse a le mérite de montrer les limites de certains de ces indices, grâce à la comparaison entre différents pas de temps, événements et bassins. Comme la variabilité des caractéristiques spatiales et temporelles des événements de pluie s'avère également importante au sein d'un même bassin versant, il est choisi de regrouper les événements présentant des caractéristiques similaires par des techniques de clustering, pour analyser la performance du modèle par type d'événement. L'analyse est cependant aussi menée par bassin. Pour réaliser les simulations de débit, nous avons utilisé le modèle global GR5 et sa version semi-distribuée (GR-SD) avec un maillage de 500 et 250 km$^2$ pour obtenir des simulations au pas de temps journalier et sous-journalier (12-, 6- et 3-h). Les performances de simulation sont évaluées avec des critères adaptés aux événements courts : évaluation du pic, volume de crue et dynamique du débit. Ces performances sont montrées sensiblement améliorées avec des résolutions plus fines sur les événements à tendances convectives pour lesquels on peut constater une synergie en affinant les résolutions spatiales et temporelles des données d'entrée de modélisation. Les bassins méditerranéens, alimentés principalement par des précipitations à tendances convectives, bénéficient de l'augmentation des résolutions spatiales et temporelles des pluies. Ces résultats encourageants suggèrent que, dans le contexte de la prévision de crue, notamment pour des bassins rapides soumis à des événements intenses, un gain significatif de la performance du modèle peut être attendu en affinant simultanément les résolutions spatiales et temporelles des précipitations.
Domaines
Sciences de l'environnement
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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