Modèles distribués et à base physique

Les modèles distribués et à base physique représentent spatialement les processus hydrologiques à travers un bassin versant en utilisant les équations régissant l'écoulement, ce qui permet de déterminer comment le ruissellement varie d'un endroit à l'autre.

Definition

Les modèles distribués et à base physique sont des modèles hydrologiques qui divisent un bassin versant en unités spatiales et simulent les processus à l'aide d'équations à base physique (pour l'infiltration, l'écoulement souterrain et de surface, et le routage en chenal) avec des paramètres et des intrants spatialement variables.

Scope

Ce sujet couvre les modèles hydrologiques spatialement distribués et les formulations à base physique qui résolvent les équations de l'écoulement de surface et souterrain sur des grilles ou des éléments, y compris l'approche de la zone contributive variable. Il contraste avec les modèles conceptuels agrégés et est lié aux défis de la calibration et de l'incertitude.

Core questions

• Comment les modèles distribués représentent-ils la variabilité spatiale des processus hydrologiques ?
• Quelles équations régissent les modèles à base physique ?
• Comment des approches comme TOPMODEL concilient-elles la base physique et la parcimonie ?
• Quelles sont les limites pratiques de la modélisation distribuée à base physique ?

Key concepts

• Discrétisation spatiale (grilles, éléments)
• Équations régissant l'écoulement
• Indice topographique (TOPMODEL)
• Zone contributive variable
• Écoulement de surface et souterrain couplé
• Exigences en paramètres et en données

Key theories

Le plan directeur à base physique

Freeze et Harlan ont établi le plan directeur pour le couplage des équations différentielles partielles de l'écoulement de surface et souterrain en un seul modèle à base physique et spatialement distribué, servant de modèle pour les futurs modèles distribués.

TOPMODEL et le contrôle topographique

Le TOPMODEL de Beven et Kirkby utilise un indice topographique pour prédire la zone contributive variable de saturation, réalisant une représentation à base physique de la génération du ruissellement avec relativement peu de paramètres.

Modèles de processus entièrement distribués

Des modèles tels que le Système Hydrologique Européen (SHE) résolvent les équations d'écoulement couplées sur une grille pour l'ensemble du bassin versant, illustrant la modélisation hydrologique entièrement distribuée et à base physique.

Clinical relevance

Les modèles distribués et à base physique sont utilisés lorsque le détail spatial est important, par exemple pour évaluer les changements d'utilisation des terres, prédire où se produisent la saturation et l'érosion, simuler des bassins versants non jaugés ou en évolution rapide, et coupler l'hydrologie avec des modèles de qualité de l'eau et de surface terrestre, bien que leurs exigences en données et en paramètres ainsi que l'équifinalité limitent leur utilisation.

History

Le plan directeur de Freeze et Harlan de 1969 a jeté les bases de la modélisation distribuée à base physique ; TOPMODEL (1979) a proposé une approche parcimonieuse à base physique, pilotée par la topographie, tandis que des modèles complets basés sur des grilles, tels que SHE dans les années 1980, ont visé une représentation complète des processus, révélant les compromis entre les exigences en données et l'identifiabilité des paramètres.

Debates

Valeur de la complexité dans les modèles distribués

Il existe un débat continu sur la question de savoir si les modèles entièrement distribués et à base physique justifient leurs importantes exigences en données et en paramètres, compte tenu de l'équifinalité et des performances souvent comparables des modèles conceptuels ou basés sur la topographie plus simples.

Key figures

• R. Allan Freeze
• Keith J. Beven
• Mike J. Kirkby

Seminal works

• freeze1969
• bevenkirkby1979
• abbott1986

Frequently asked questions

Qu'est-ce qui rend un modèle à base physique ?

Un modèle à base physique représente les processus en utilisant les équations physiques régissant (par exemple pour l'infiltration et l'écoulement souterrain) avec des paramètres qui, en principe, ont une signification physique, plutôt que de s'appuyer uniquement sur des réservoirs conceptuels calibrés à partir de données.

Les modèles distribués sont-ils toujours meilleurs que les modèles agrégés ?

Pas nécessairement. Ils capturent la variabilité spatiale et peuvent aborder des questions que les modèles agrégés ne peuvent pas, mais ils exigent beaucoup plus de données, sont plus difficiles à paramétrer et ne surpassent souvent pas les modèles plus simples pour prédire le débit à l'exutoire.