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Improvement, verification, and application of a process-based numerical model of groundwater-surface water interactions.

Sulis, Mauro (2010). Improvement, verification, and application of a process-based numerical model of groundwater-surface water interactions. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 181 p.

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Résumé

Numerical models are modern tools for capturing the spatial and temporal variability in the land-surface hydrologic response to rainfall and for understanding the physical relations between internal watershed pro cesses and observed streamflow. This thesis presents the improvement and application of a distributed hydrologic model distinguished by its path-based description of surface flow across the drainage basin and by its coupling of the surface and subsurface components that contribute to the catchment response. As a research tool for hydrologic forecasting and experimentation, the CATchment HY drology (CATHY) model fully incorporates spatial heterogeneities in basin topography, surface descriptors, and hydrometeorological forcing to produce dynamic maps of hydrologic states and fluxes. These capabilities allow investigation of theoretical questions and practical problems in hydrologic science and water resources engineering. Three related themes are developed in this thesis. First, an assessment via a comparative analysis of two different approaches for handling surface- subsurface interactions is conducted. This intercomparison study considers the coupling between the land surface and the subsurface via an explicit exchange term resolved by continuity principles implemented in the ParFlow model (a fully-coupled approach) and via special treatment of atmospheric boundary conditions in CATHY (a sequential approach). Different test cases are used to investigate the models' sensitivity to factors such as vertical mesh resolution, time step size, and slope angle. Second, surface-subsurface interactions are evaluated in a climate change scenario extracted from projections generated by the Canadian Regional Climate Model (CRCM). We assess the sensitivity of the hydrological response (river discharge, aquifer recharge, and soil water storage ) to future climate conditions for the des Anglais catchment located in southwestern Quebec (Canada). In this context, we also compare the hydrologic predictions obtained with CATHY with those obtained from the Canadian Land Surface Scheme (CLASS). An examination of the runoff and soil water storage response is used to highlight some of the key differences in these two models. Third, the surface and subsurface runoff response in a complex basin such as the des Anglais catchment is investigated with respect to changes in digital elevation model (DEM) resolution. In particular, we examine the effects of grid size on both the integrated response of the catchment (discharge) and on the distributed response (water table depth, surface saturation, and soil water storage) . The model applications presented in this thesis highlight the advantages of surface-suburface coupled modeling for hydrologic forecasting and process-oriented studies over complex terrain. In particular, the multi-resolution and multi-scale capabilities are encouraging for a range of applied and scientific problems in catchment hydrology. Les modèles numériques sont des instruments modernes permettant de capturer la variabilité spatiale et temporelle des processus hydrologiques résultant d'événements pluviaux. Ils permettent aussi de comprendre les relations physiques entre les processus se produisant à l'intérieur d'un bassin versant et les débits observés. Ainsi, cette thèse présente un modèle hydrologique distribué intégrant les chemins préférentiels empruntés par l'écoulement de surface ainsi que le couplage entre les eaux de surface et souterraines. Le modèle CATchment HYdrology (CATHY) est un puissant outil de prédiction et d'expérimentation hydrologique incorporant l'hétérogénéité spatiale liée à la topographie du bassin, à ses conditions de surface ainsi qu'au forçage atmosphérique, permettant de générer des cartes dynamiques des différents états et débits hydrologiques. Ceci représente un atout majeur du modèle CATHY pour la résolution de problèmes pratiques et théoriques en hydrologie et en ingénierie hydrique. Trois thèmes connexes sont développés dans cette thèse. D'abord, une analyse comparative basée sur deux différentes approches décrivant les interactions entre les eaux de surface et souterraines, est réalisée. Cette étude considère le couplage entre la composante de surface et de sub-surface via un terme explicite de change, déterminé selon les principes de continuité tels qu'implémentés dans le modèle ParFlow (approche entièrement couplée) et via un traitement particulier des conditions de frontières (approche couplée séquentielle) tel qu'implémenté dans CATHY. Différents cas sont utilisés afin d'analyser la sensibilité des modèles aux facteurs comme la résolution des mailles verticales, le pas de temps et la pente. Ensuite, les interactions entre les eaux de surface et souterraines sont évaluées selon un scénario de changement climatique extrait des projections produites par le modèle canadien du climat regional (MRCC). La sensibilité de la réponse hydrologique (débit de rivière, recharge à l'aquifère et stockage d'eau dans le sol) est évaluée par rapport aux conditions climatiques futures du bassin versant des Anglais situé dans le sud-ouest du Québec (Canada). De plus, dans ce même contexte, les prédictions hydrologiques obtenues avec CATHY et celles obtenues avec CLASS sont comparées. Finalement, la réponse produite par le ruissellement de surface et souterrain, dans un bassin versant complexe comme celui des Anglais, est étudié pour plusieurs résolutions du modèle digital de terrain (MDT). Particulièrement, les effets de la résolution des mailles horizontales sur la réponse intégrée du bassin versant (débit) et sur la réponse distribuée (profondeur de la nappe, saturation en surface et stockage d'eau sans le sol) sont examinés de près. Les applications de modélisation présentées dans cette thèse mettent en relief les avantages d'une approche couplée entre les eaux de surface et souterraines pour les prévisions hydrologiques et les études orientées sur la description de processus de terrains complexes. La possibilité d'utiliser différentes résolutions et échelles est particulièrement encourageante Pour aborder des problématiques pratiques ou scientifiques dans le domaine de l'hydrologie du bassin versant.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Paniconi, Claudio
Mots-clés libres: écoulement; eau de surface; eau souterraine; modèle hydrologique; CATHY; ParFlow
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 11 févr. 2014 21:32
Dernière modification: 17 mars 2016 17:56
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2029

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