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Equifinality and automatic calibration: What is the impact of hypothesizing an optimal parameter set on modelled hydrological processes?

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Foulon, Étienne; Rousseau, Alain N. (2018). Equifinality and automatic calibration: What is the impact of hypothesizing an optimal parameter set on modelled hydrological processes? Canadian Water Resources Journal / Revue canadienne des ressources hydriques , vol. 43 , nº 1. p. 47-67. DOI: 10.1080/07011784.2018.1430620.

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Résumé

Accepter l’existence du concept d’équifinalité c’est reconnaître l’incertitude liée à l’existence d’une famille de solutions donnant des résultats de qualité similaire obtenus avec la même fonction objectif. Malgré l’existence de méthodes de caractérisations de cette incertitude, le modèle hydrologique HYDROTEL a été principalement utilisé jusqu’à maintenant selon le paradigme du calage optimal unique sans évaluer a posteriori les conséquences de ce choix. Cette étude propose d’évaluer l’impact du choix du jeu de paramètres optimisés sur certaines variables et indicateurs hydrologiques simulés, à savoir: (1) les débits journaliers; (2) les débits d’étiage à 7 et 30 jours et les débits maximum; (3) l’équivalent en eau de la neige (EEN); (4) les variations du contenu en eau du sol peu profond; et (5) l’évapotranspiration réelle. Dans ce contexte, HYDROTEL est mis en place sur 10 bassins versant du Québec méridional entre 1982 et 2002. Pour chacune des fonctions objectif (FO; Kling–Gupta efficiency et Nash-log) et chacun des bassins, l’algorithme dynamically dimensioned search (DDS) dispose d’un budget de 5000 répétitions pour optimiser les 12 paramètres de calage d’HYDROTEL sur 1981–1991. Ainsi, 250 jeux de paramètres sont conservés pour évaluer l’incertitude paramétrique et l’équifinalité résultante. Les résultats de calage indiquent des fonctions objectif comprises entre 0.75 et 0.95, tandis que pour chaque modèle les 250 meilleures répétitions présentent des fonctions objectif égales à 1% près. Globalement, pour tous les processus simulés excepté pour l’EEN, l’incertitude relative aux FO était plus importante que celle relative aux jeux de paramètres. Cependant, les résultats saisonniers suggèrent que l’incertitude paramétrique peut dépasser celle due aux FO dans certaines conditions particulières. Elle devra donc être prise en compte, en particulier pour les études d’impacts et de risque hydrologique dont les variables d’intérêt sont principalement des indicateurs hydrologiques simulés et non pas les débits journaliers.

Abstract

Accepting the concept of equifinality may result in larger uncertainty associated with model predictions than that of the optimal parameter set paradigm. Despite the existence of uncertainty characterization methods, the semi-distributed hydrological model HYDROTEL has been used within the latter paradigm. What is the impact of hypothesizing an optimal parameter set? This paper focuses on the assesment of the impact of equifinality of calibration parameters with respect to modelled hydrological variables and indices, namely: (1) daily flows; (2) seasonal 7- and 30-day low flows, and maximum flow; (3) snow water equivalent (SWE); (4) shallow ground water variations; and (5) actual evapotranspiration. This assessment is presented for 10 southern Québec watersheds of the St. Lawrence River. The watershed models were calibrated and validated for 1982–1991 and 1991–2002, respectively. Automatic calibration was performed using the dynamically dimensioned search (DDS) algorithm based on the maximization of two objective functions (OFs): (1) the Kling–Gupta efficiency and (2) the Nash-log. DDS was executed to calibrate 12 hydrological parameters for one optimization trial for each watershed and each OF with a budget of 5000 model runs. To analyze parameter uncertainty and resulting equifinality, 250 sets of parameters were extracted from each trial run. Calibration performances for both OFs were between 0.75 and 0.95, while the selected 250 best sets of parameters had OF values differing by less than 1%. Results showed that the overall OF uncertainty was larger than the parameter uncertainty for all modelled processes except the SWE. Nevertheless, seasonal results suggested parameter uncertainty could be greater than OF uncertainty for specific seasons or years, although it was not possible to make a general outcome stand out. In particular for impact studies where the variables of interest are not daily flows but rather hydrological indices or variables, parameter uncertainty will need to be accounted for.

Type de document: Article
Mots-clés libres: budget control; calibration; groundwater; snow; watersheds
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 août 2018 20:36
Dernière modification: 16 avr. 2019 04:00
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7302

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