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

摘要

Numerical models are modern tools for capturing the spatial and temporal variability inudthe land-surface hydrologic response to rainfall and for understanding the physical relationsudbetween internal watershed pro cesses and observed streamflow. This thesis presents the improvementudand application of a distributed hydrologic model distinguished by its path-baseduddescription of surface flow across the drainage basin and by its coupling of the surface andudsubsurface components that contribute to the catchment response. As a research tool forudhydrologic forecasting and experimentation, the CATchment HY drology (CATHY) modeludfully incorporates spatial heterogeneities in basin topography, surface descriptors, and hydrometeorologicaludforcing to produce dynamic maps of hydrologic states and fluxes. Theseudcapabilities allow investigation of theoretical questions and practical problems in hydrologicudscience and water resources engineering.udThree related themes are developed in this thesis. First, an assessment via a comparativeudanalysis of two different approaches for handling surface- subsurface interactions is conducted.udThis intercomparison study considers the coupling between the land surface and the subsurfaceudvia an explicit exchange term resolved by continuity principles implemented in theudParFlow model (a fully-coupled approach) and via special treatment of atmospheric boundaryudconditions in CATHY (a sequential approach). Different test cases are used to investigate theudmodels' sensitivity to factors such as vertical mesh resolution, time step size, and slope angle.udSecond, surface-subsurface interactions are evaluated in a climate change scenario extractedudfrom projections generated by the Canadian Regional Climate Model (CRCM). We assessudthe sensitivity of the hydrological response (river discharge, aquifer recharge, and soil waterudstorage ) to future climate conditions for the des Anglais catchment located in southwesternudQuebec (Canada). In this context, we also compare the hydrologic predictions obtainedudwith CATHY with those obtained from the Canadian Land Surface Scheme (CLASS). Anudexamination of the runoff and soil water storage response is used to highlight some of theudkey differences in these two models. Third, the surface and subsurface runoff response in audcomplex basin such as the des Anglais catchment is investigated with respect to changes inuddigital elevation model (DEM) resolution. In particular, we examine the effects of grid sizeudon both the integrated response of the catchment (discharge) and on the distributed responseud(water table depth, surface saturation, and soil water storage) .udThe model applications presented in this thesis highlight the advantages of surface-suburfaceudcoupled modeling for hydrologic forecasting and process-oriented studies over complex terrain.udIn particular, the multi-resolution and multi-scale capabilities are encouraging for a range ofudapplied and scientific problems in catchment hydrology.ududLes modèles numériques sont des instruments modernes permettant de capturer la variabilitéudspatiale et temporelle des processus hydrologiques résultant d'événements pluviaux.udIls permettent aussi de comprendre les relations physiques entre les processus se produisantudà l'intérieur d'un bassin versant et les débits observés. Ainsi, cette thèse présente un modèleudhydrologique distribué intégrant les chemins préférentiels empruntés par l'écoulement de surfaceudainsi que le couplage entre les eaux de surface et souterraines. Le modèle CATchmentudHYdrology (CATHY) est un puissant outil de prédiction et d'expérimentation hydrologiqueudincorporant l'hétérogénéité spatiale liée à la topographie du bassin, à ses conditions de surfaceudainsi qu'au forçage atmosphérique, permettant de générer des cartes dynamiques desuddifférents états et débits hydrologiques. Ceci représente un atout majeur du modèle CATHYudpour la résolution de problèmes pratiques et théoriques en hydrologie et en ingénierie hydrique.udTrois thèmes connexes sont développés dans cette thèse. D'abord, une analyse comparativeudbasée sur deux différentes approches décrivant les interactions entre les eaux de surface etudsouterraines, est réalisée. Cette étude considère le couplage entre la composante de surfaceudet de sub-surface via un terme explicite de change, déterminé selon les principes deudcontinuité tels qu'implémentés dans le modèle ParFlow (approche entièrement couplée) etudvia un traitement particulier des conditions de frontières (approche couplée séquentielle)udtel qu'implémenté dans CATHY. Différents cas sont utilisés afin d'analyser la sensibilitéuddes modèles aux facteurs comme la résolution des mailles verticales, le pas de temps et laudpente. Ensuite, les interactions entre les eaux de surface et souterraines sont évaluées selonudun scénario de changement climatique extrait des projections produites par le modèle canadienuddu climat regional (MRCC). La sensibilité de la réponse hydrologique (débit de rivière,udrecharge à l'aquifère et stockage d'eau dans le sol) est évaluée par rapport aux conditions climatiquesudfutures du bassin versant des Anglais situé dans le sud-ouest du Québec (Canada).udDe plus, dans ce même contexte, les prédictions hydrologiques obtenues avec CATHY et cellesudobtenues avec CLASS sont comparées. Finalement, la réponse produite par le ruissellementudde surface et souterrain, dans un bassin versant complexe comme celui des Anglais, est étudiéudpour plusieurs résolutions du modèle digital de terrain (MDT). Particulièrement, les effets deudla résolution des mailles horizontales sur la réponse intégrée du bassin versant (débit) et surudla réponse distribuée (profondeur de la nappe, saturation en surface et stockage d'eau sansudle sol) sont examinés de près.udLes applications de modélisation présentées dans cette thèse mettent en relief les avantagesudd'une approche couplée entre les eaux de surface et souterraines pour les prévisions hydrologiquesudet les études orientées sur la description de processus de terrains complexes.udLa possibilité d'utiliser différentes résolutions et échelles est particulièrement encourageanteudPour aborder des problématiques pratiques ou scientifiques dans le domaine de l'hydrologieuddu bassin versant.