Grid parameterization of a conceptual distributed hydrological model through integration of a sub-grid topographic index: necessity and practicability

摘要

Les modèles distribués basés sur des grilles sont devenus populaires pour décrire des processus hydrologiques spatialisés. Cependant, l'influence des hétérogénéités au sein d'une grille sur la simulation des débits n'a pas été suffisamment abordée dans la littérature. Dans cette étude, nous avons étudié comment les caractéristiques statistiques des stocks d'humidité du sol au sein d'une grille influencent les simulations de débit. La variation spatiale de l'indice topographique, TI, au sein d'une grille a été utilisée pour déterminer le paramètre B de la courbe statistique des stocks d'humidité du sol dans le modèle Xinanjiang. Pour comparer les influences de l'hétérogénéité au sein d'une grille sur la simulation des débits, deux schémas de paramétrage de la capacité des stocks de l'humidité du sol ont été développés : un schéma de paramétrage de grille pour un modèle distribué et un schéma moyenne à l'échelle du bassin pour un modèle semi-distribué.La faisabilité et l'utilité de la méthode de paramétrage de grille ont été évaluées par comparaison des modèles. Les deux modèles ont été appliqués au bassin versant expérimental de Jiangwan, dans la province du Zhejiang, en Chine. Les données de débit à l'exutoire du bassin versant de 1971 à 1986 à différentes résolutions temporelles, par exemple à pas de temps de 15 min et journalier, ont été utilisées pour le calage et la validation du modèle. Les résultats statistiques pour différentes échelles de grille ont démontré que la moyenne et la variation de TI et B diminuent de façon significative avec l'augmentation de l'échelle de la grille. Les débits simulés par les deux modèles sont similaires et le modèle semi-distribué surclasse légèrement le modèle distribué lorsque le débit à l'exutoire du bassin versant a été utilisé comme seule base de comparaison. En outre, un biais relativement plus important dans les débits prévus entre ces deux modèles a été observé, avec une augmentation brutale du taux de saturation en eau du sol. Une analyse plus approfondie de la distribution de l'humidité du sol simulée a révélé que le modèle distribué peut fournir une représentation raisonnable du concept d'aire source variable, qui a été justifié dans une certaine mesure par les données expérimentales de terrain.%Grid-based distributed models have become popular for describing spatial hydrological processes. However, the influence of non-homogeneity within a grid on streamflow simulation was not adequately addressed in the literature. In this study, we investigated how the statistical characteristics of soil moisture storage within a grid impacts on streamflow simulations. The spatial variation of the topographic index, TI, within a grid was used to determine parameter B of the statistical curve of soil moisture storage in the Xinanjiang model. For comparison of influences of the non-homogeneity within a grid on streamflow simulation, two parameterization schemes of soil moisture storage capacity were developed: a grid-parameterization scheme for a distributed model and a catchment-averaged scheme for a semi-distributed model. The practicability and usefulness of the grid-parameterization method were evaluated through model comparisons. The two models were applied in Jiangwan experimental catchment Zhejiang Province, China. Streamflow discharge data at the catchment outlet from 1971 to 1986 at different temporal resolutions, e.g. 15 min and daily time step, were used for model calibration and validation. Statistical results for different grid scales demonstrated that the mean and variation of TI and B decline significantly as the grid scale increases. The simulated streamflow discharges of the two models were similar and the semi-distributed model outperformed the distributed model slightly when the streamflow at the outlet of the catchment was used as the only basis for comparison. In addition, a relatively larger bias in the predicted discharges between these two models was observed along with an abrupt increase of soil moisture saturation ratio. A further analysis of the simulated soil moisture content distribution revealed that the distributed model can provide a reasonable representation of the variable source area concept, which was justified to some extent by the field experiment data.