Regionalized rainfall-runoff model to estimate low-flow indices in gauged and ungauged basins
Régionalisation d'un modéle pluie-debit pour estimer les indices statistiques d'étiage sur les bassins jaugés et non jaugés
Résumé
Estimating low-flow indices is of paramount importance to understand low flows and to manage water resources and risk assessments. These indices are derived from time-series of river discharges which are measured at gauged sites over long periods. However, the indices must be estimated at ungauged sites. Different estimation methods exist to estimate these low-flow indices from observed discharges in neighbouring catchments and from catchment characteristics. Regression or geostatistical methods performed on the low-flow indices are the most common types of methods. Another less common method consists in regionalizing rainfall-runoff model parameters, from catchment characteristics or by spatial proximity, to estimate low-flow indices from simulated hydrographs. We developed a conceptual daily rainfall-runoff model, LoiEau, combined with a regionalized model of snow storage and melt, to simulate low-flow indices at daily or longer time intervals. This model relies on two free parameters, which is sufficient to provide accurate enough estimates of low-flow indices, yet making easier the regionalization of the model. The model is flexible in the sense that it is designed to fit to a wide variety of catchments and hydro-meteorological behaviours, including Mediterranean catchments. The aim of this work is to regionalize the two parameters of the LoiEau model in order to estimate any low-flow indices at ungauged sites. Two regional methods are tested and are based on geostatistical and regression models. The first method is the inverse distance weighting to estimate the parameter sets from the neighbouring catchments and the second one is the regional regression method. This last method is based on relationships between the parameter sets and optimal sets of catchment characteristics established using forward stepwise linear regression for homogeneous regions. The chosen regions are hydro-eco-regions that are homogeneous in terms of geology, relief and climate. The analysis is carried out on 700 French catchments that are representative of various hydro-meteorological behaviours, with a focus on the Mediterranean hydro-eco-region. The results are validated with a cross-validation procedure and are compared, on the one hand, with the ones obtained with a regional regression model performed on a specific low-flow index and, on the other hand, with the ones obtained with a regionalized monthly rainfall-runoff model to show the advantage of a daily time step to account for the temporal variability of precipitations.
L'estimation des indices d'étiage est d'une importance capitale pour comprendre les étiages et pour gérer les ressources en eau et évaluer les risques. Ces indices sont dérivés de séries chronologiques des débits des cours d'eau qui sont mesurés à des sites jaugés sur de longues périodes. Toutefois, les indices doivent être estimés sur des sites non jaugés. Il existe différentes méthodes d'estimation pour estimer ces indices à partir des débits observés dans les bassins versants voisins et des caractéristiques des bassins versants. Les méthodes de régression ou les méthodes géostatistiques sont les plus courantes. Une autre méthode moins courante consiste à régionaliser les paramètres des modèles hydrologiques à partir des caractéristiques des bassins versants ou par proximité spatiale, pour estimer les indices à partir d'hydrogrammes simulés. Nous avons mis au point un modèle conceptuel d'écoulement pluviométrique quotidien, LoiEau, combiné à un modèle régionalisé de stockage et de fonte de la neige, pour simuler des indices de faible débit à des intervalles quotidiens ou plus longs. Ce modèle repose sur deux paramètres libres, ce qui est suffisant pour fournir des estimations suffisamment précises des indices de bas débit, tout en facilitant la régionalisation du modèle. Le modèle est flexible en ce sens qu'il est conçu pour s'adapter à une grande variété de bassins versants et de comportements hydrométéorologiques, y compris les bassins méditerranéens. L'objectif de ces travaux est de régionaliser les deux paramètres du modèle LoiEau afin d'estimer les éventuels indices de bas débit sur les sites non jaugés. Deux méthodes régionales sont testées et sont basées sur des modèles géostatistiques et de régression. La première méthode est la pondération inverse de la distance pour estimer les ensembles de paramètres des bassins versants voisins et la seconde est la méthode de régression régionale. Cette dernière méthode est basée sur les relations entre les ensembles de paramètres et les ensembles optimaux de caractéristiques du bassin versant établis à l'aide d'une régression linéaire progressive en avant pour des régions homogènes. Les régions choisies sont des hydro-éco-régions homogènes en termes de géologie, de relief et de climat. L'analyse est réalisée sur 700 bassins versants français représentatifs de différents comportements hydrométéorologiques, avec un accent particulier sur l'hydro-éco-région méditerranéenne. Les résultats sont validés par une procédure de validation croisée et sont comparés, d'une part, à ceux obtenus avec un modèle de régression régional réalisé sur un indice de faible débit spécifique et, d'autre part, à ceux obtenus avec un modèle de ruissellement pluviométrique mensuel régionalisé pour montrer l'avantage d'un pas de temps quotidien pour prendre en compte la variabilité temporelle des précipitations.