Modélisation hydrologique
La modélisation hydrologique consiste à élaborer des représentations mathématiques des processus de bassin versant et du cycle de l'eau afin de simuler et de prévoir les débits, et utilise l'analyse statistique pour caractériser les extrêmes hydrologiques et l'incertitude.
Definition
La modélisation hydrologique est la construction, la calibration et l'application de modèles mathématiques et statistiques qui représentent la transformation des précipitations en ruissellement et autres flux du cycle de l'eau, utilisés pour simuler, prévoir et analyser le comportement hydrologique et son incertitude.
Scope
Ce domaine couvre les modèles conceptuels pluie-débit, les modèles distribués et basés sur la physique qui résolvent la variabilité spatiale, la calibration des modèles par rapport aux observations et l'estimation de l'incertitude prédictive, ainsi que l'analyse statistique des séries hydrologiques telles que la fréquence des crues et des sécheresses. Il constitue le complément quantitatif et prédictif des domaines de l'hydrologie axés sur les processus.
Sub-topics
Core questions
- Comment les modèles conceptuels et basés sur la physique représentent-ils l'hydrologie des bassins versants ?
- Comment les paramètres des modèles sont-ils calibrés et la performance des modèles évaluée ?
- Comment l'incertitude prédictive dans les prévisions hydrologiques peut-elle être quantifiée ?
- Comment les fréquences des crues et des sécheresses sont-elles estimées à partir des enregistrements hydrologiques ?
Key concepts
- Modèles conceptuels et basés sur la physique
- Modèles distribués versus modèles agrégés
- Calibration de modèle et estimation des paramètres
- Efficacité de Nash-Sutcliffe et adéquation du modèle
- Équifinalité et incertitude prédictive
- Analyse de fréquence des crues et des sécheresses
Key theories
- Modélisation conceptuelle pluie-débit
- Les bassins versants peuvent être représentés par des réservoirs conceptuels et des flux interconnectés dont les paramètres sont calibrés pour reproduire les débits observés, offrant des simulations parcimonieuses et opérationnellement utiles de la transformation pluie-débit.
- Équifinalité et estimation de l'incertitude
- De nombreux ensembles de paramètres et structures de modèles différents peuvent reproduire les observations de manière à peu près équivalente (équifinalité), de sorte que des cadres comme GLUE traitent l'évaluation des modèles de manière probabiliste et mettent l'accent sur l'estimation de l'incertitude prédictive plutôt que sur la recherche d'un modèle optimal unique.
- Adéquation du modèle et évaluation
- Des mesures objectives telles que l'efficacité de Nash-Sutcliffe quantifient la correspondance entre les hydrogrammes simulés et les observations, fournissant une base standard pour la calibration et la comparaison des modèles hydrologiques.
Clinical relevance
Les modèles hydrologiques constituent la base de la prévision opérationnelle des crues et des sécheresses, de l'exploitation des réservoirs et de l'approvisionnement en eau, de la conception des infrastructures hydrauliques et de l'évaluation de l'impact de l'utilisation des terres et du changement climatique sur les ressources en eau, l'analyse de fréquence fournissant les valeurs de conception utilisées en ingénierie et en assurance.
History
La modélisation hydrologique est passée de l'hydrogramme unitaire et des premiers réservoirs conceptuels aux modèles numériques de bassin versant à partir des années 1960 et aux modèles distribués basés sur la physique à partir des années 1980. La reconnaissance de l'équifinalité et de l'incertitude des paramètres, formulée par Beven et Binley, a orienté le domaine vers une estimation explicite de l'incertitude.
Debates
- Modèles basés sur la physique versus modèles conceptuels
- Il existe un débat continu quant à savoir si les modèles distribués complexes basés sur la physique apportent des gains prédictifs proportionnels à leurs exigences en données et en paramètres, compte tenu de l'équifinalité et du succès pratique des modèles conceptuels parcimonieux.
Key figures
- Keith J. Beven
- James E. Nash
- David R. Maidment
Related topics
Seminal works
- beven2012
- nash1970
- beven1992
Frequently asked questions
- Pourquoi les modèles hydrologiques nécessitent-ils une calibration ?
- De nombreux paramètres de modèle ne peuvent pas être mesurés directement à l'échelle du bassin versant, de sorte que leurs valeurs sont ajustées jusqu'à ce que le modèle reproduise le débit observé ; la calibration ajuste ces paramètres effectifs au bassin versant et aux données spécifiques.
- Qu'est-ce que l'équifinalité en modélisation hydrologique ?
- L'équifinalité est la situation où de nombreux ensembles de paramètres différents, ou même des structures de modèles, s'ajustent aux observations disponibles de manière à peu près équivalente, ce qui limite l'identifiabilité d'un modèle unique optimal et motive l'estimation de l'incertitude prédictive.