Rozprawy doktorskie: „Hydrologie globale”

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Guinaldo, Thibault. "Paramétrisation de la dynamique lacustre dans un modèle de surface couplé pour une application à la prévision hydrologique à l’échelle globale". Thesis, Toulouse, INPT, 2020. http://www.theses.fr/2020INPT0125.

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L'hydrologie continentale s'intéresse à tous les aspects du cycle de l'eau des terres émergées et représente les flux de masse d'eau qui sont échangées. Que ce soit dans le sous-sol, au sein des lacs ou dans le brassage continu des torrents, l'eau et les processus hydrologiques associés entretiennent un lien direct avec la dynamique atmosphérique et la variabilité climatique. La représentation, à l'échelle globale, de ces processus hydrologiques s'appuie sur des techniques de modélisation qui, au CNRM, passent par un système couplé composé du modèle de surface ISBA et du modèle de routage en rivière CTRIP. Ces dernières années, les progrès réalisés sur les paramétrisations existantes et la représentation des nouveaux processus dans ISBA comme dans CTRIP ont abouti à une nette amélioration des performances de ce système pour des applications hydrologiques régionales ou globales couplées avec un modèle de climat. Dans la continuité de ces efforts, l'objectif principal de cette thèse est de développer une paramétrisation dynamique des lacs pour intégrer leur bilan de masse dans le modèle global CTRIP à 1/12°. Par ailleurs, le modèle développé, MLake, propose un diagnostic sur le marnage des lacs afin de permettre le suivi du niveau d'eau basé sur des mesures satellitaires. Bénéficiant d'un réseau de mesures dense et de forçages climatiques à haute résolution, le bassin versant du Rhône a été choisi pour évaluer localement MLake sur la période 1960-2016. Les résultats sur trois stations de jaugeages montrent une progression nette des performances de CTRIP dans la simulation des débits du Rhône aboutissant à un lissage des hydrographes qui se caractérise par un écrêtement des débits de crues et un soutien à l'étiage. Par ailleurs, la confrontation du diagnostic sur les niveaux d'eau du Léman avec des mesures locales révèle une capacité du modèle à suivre les cycle annuels et inter-annuels du marnage. Une deuxième évaluation s'est ensuite portée à l'échelle globale pour confirmer le comportement du modèle dans des conditions hydroclimatiques contrastées. Cette évaluation confirme la capacité du modèle à simuler des débits réalistes mais révèle la perturbation importante du cycle hydrologique naturel par l'anthropisation. Enfin les résultats préliminaires d'une simulation globale démontre l'intérêt d'utiliser MLake avec une amélioration systématique des scores dans les zones de grande densité lacustre. Ainsi, 45% des stations évaluées, principalement dans les régions arctiques, présentent une amélioration des scores statistiques. Enfin, cette étude engage une réflexion sur les perspectives d'améliorations du modèle, notamment la mise en place d'une bathymétrie de lac à l'échelle globale, en vue d'un couplage avec un modèle de climat et de l'utilisation des données de la future mission spatiale SWOT
The water cycle encompasses the main processes related to mass fluxes that influence the atmosphere and climate variability. More specifically, continental hydrology refers to the water transfer occurring at the land surface and sub-surface. Modelling is one of the main methods used for the representation of these processes at regional to global scales. The land surface model system used in this thesis is composed of the ISBA land surface model coupled to the river routing model TRIP that combines the CNRM’s latest developments for use in stand-alone hydrological applications or coupled to a climate model. This PhD is focused on the development and evaluation of lake mass-balance dynamics and water level diagnostics using a new non-calibrated model called MLake which has been incorporated into the 1/12° version of the CTRIP model. Simulated river flows forced by high resolution hydrometeorological forcings are evaluated for the Rhone river basin against in situ observations coming from three river gauges over the period 1960-2016. Results reveal the positive contribution of MLake in simulating Rhone discharge and in representing the lake buffer effects on peak discharge. Moreover, the evaluation of the simulated and observed water level variations show the ability of MLake to reproduce the natural seasonal and interannual cycles. Based on the same framework, a final evaluation was conducted in order to assess the value of the non-calibrated MLake model for global hydrological applications. The results confirmed the capability of the model to simulate realistic river discharges worldwide. At 45% of the river gauge stations, which are mostly located within regions of high lake density, the new model resulted in improved simulated river discharge. The results also highlighted the strong effect of anthropization on the alterations of river dynamics, and the need for a global representation of human-impacted flows in the model. This study has lead to several future perspectives, such as the incorporation of a parametrization of lake hypsometry for use at global scale. The implementation of such developments will improve the representation of vertical water dynamics and facilitate both the coupling of MLake within the CNRM earth system model framework and the future spatial mission SWOT for improved future global hydrological and water resource projections

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Martinelli, Isabelle. "Infiltration des eaux de ruissellement pluvial et transfert de polluants associés dans un sol urbain : Vers une approche globale et pluridisciplinaire". Lyon, INSA, 1999. http://theses.insa-lyon.fr/publication/1999ISAL0116/these.pdf.

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L'infiltration des eaux de ruissellement pluvial apparaît aujourd'hui comme une politique d'assainissement complémentaire ou alternative à l'évacuation par un réseau de drainage gravitaire. Or, les rejets pluviaux sont chargés d'une pollution spécifique au milieu urbain qui peut entamer la qualité du sol soumis à cette infiltration et parfois même celle des eaux souterraines. Un recensement des polluants et des processus mis en jeu a permis de mettre en évidence la complexité du système sol, et la difficulté qu'on a à représenter son fonctionnement. Cette complexité est due en partie à l'hétérogénéité du sol lui-même, mais aussi à l’incompatibilité des représentations qu’on en a, selon le point de vue adopté, que ce soit celui de l'hydrologie, de la chimie ou de la biologie. Chacun de ces domaines scientifiques possède en effet ses propres échelles spatio-temporelles et ses propres approches, rendant difficiles la mise en commun et la confrontation des connaissances. En terme d'acquisition de connaissances et de représentations du comportement du sol, 1 'échelle de la colonne de laboratoire semble la plus fréquemment adoptée. Les investigations doivent y être complétées par la prise en compte des interactions et des conditions réelles de fonctionnement. Le problème de l'impact des eaux ruissellement fait, en revanche, le plus souvent référence à l'échelle de l'ouvrage d'infiltration. Mais se pose alors la question de la transposabilité des modèles construits et calés à partir d'observations effectuées à plus petite échelle qui induisent des problèmes d'acquisition et de représentativité des données. Notre objectif est donc de fournir un cadre méthodologique permettant d'extraire les paramètres prépondérants du fonctionnement du sol par la compilation des connaissances acquises à petite échelle. Un test sur le problème particulier que pose les bassins d'infiltration permettra à terme d'infirmer ou de confirmer la prépondérance des paramètres retenus, et peut-être d'en voir émaner de nouveaux fournissant ainsi les caractéristiques •émergentes du sol à grande échelle
Storm water run-off infiltration now appears as a supplementary or alternative strategy to gravitational drainage systems. The present study sought to draw up a framework to represent pollutant transfer in such infiltration, this phenomenon being governed by various physical, chemical and biological processes. Study of the literature was able on the one hand to specify urban storm water run-off pollution, and, on the other, to identify the various possible processes undergone or induced during infiltration in the sail. Lt was noted that experimentation in this area requires certain extra input, whether, at laboratory level, for studying interactions effects between several pollutants and several processes, or, in the field, for a better account of soil heterogeneity and of integration of various elementary phenomena. Nevertheless, the state of knowledge regarding these levels and various scientific areas made it possible to identify the main parameters seeming to govern pollutant transfer. A representation was drawn up of the soil underlying a storm water run-off infiltration system, and a experimental framework proposed both to validate and to enhance the present model

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Vergnes, Jean-Pierre. "Développement d'une modélisation hydrologique incluant la représentation des aquifères : évaluation sur la France et à l'échelle globale". Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00989151.

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Les processus hydrologiques continentaux jouent un rôle essentiel dans le système climatique global en influençant les échanges d'eau et d'énergie entre les surfaces continentales et l'atmosphère. Récemment, plusieurs études ont souligné la nécessité de prendre en compte les eaux souterraines dans les modèles de surface continentaux utilisés dans les modélisations clima- tiques. L'objectif principal de cette thèse est donc de développer et d'évaluer une modélisation hydrologique globale incluant les eaux souterraines dans le système hydrologique continental ISBA-TRIP du CNRM. Dans cette thèse, un schéma d'aquifère simplifié à été implémenté dans le modèle de routage TRIP. Ce schéma a été évalué sans couplage avec le modèle de surface ISBA sur la France à fine (1/12°) et basse (0.5°) résolutions. Les débits et hauteurs de nappe ont été comparés à un dense réseau de mesures de débit et de hauteur de nappe, ainsi qu'aux sorties du modèle hydrométéorologique SIM. Enfin, les stocks d'eau continentale ont été comparés aux estimations du satellite GRACE. Les résultats ont montré que le schéma d'aquifère améliore les variables hydrologiques simulées par TRIP, le principal effet de l'aquifère étant de soutenir les débits d'étiage en période sèche. Cette évaluation a aussi démontré la capacité du schéma à capturer les variations spatio-temporelles de la nappe. Enfin, l'impact de la résolution sur les débits simulés s'est révélé être relativement faible. Une méthodologie similaire a permis de construire un système de modélisation à l'échelle globale et à basse résolution utilisant le schéma d'aquifère développé dans TRIP. Les débits simulés ont été comparés à un vaste réseau de mesures de débit provenant de plusieurs orga- nismes, le principal étant le GRDC. Les eaux souterraines améliorent les débits pour environ 70 % de ces mesures, et les détériorent pour 15 % d'entre elles. Le temps de résidence introduit par les variations basses fréquences de la nappe tend à décaler et lisser les débits et les stocks d'eau continentale simulés. Ces derniers sont de ce fait en meilleur accord avec les estimations de GRACE. Une expérience de sensibilité sur les forçages de précipitation a par ailleurs montré que le schéma d'aquifère était peu sensible aux incertitudes des précipitations. La dernière phase de développement a consisté à coupler le schéma d'aquifère de TRIP avec le sol d'ISBA dans le but de tenir compte des éventuelles remontées capillaires de la nappe vers le sol. Ce couplage a nécessité l'utilisation de la version multicouche du schéma de sol d'ISBA. L'évaluation de cette nouvelle version sur la France et à l'échelle globale met en évidence des changements dans le bilan d'eau en surface et une amélioration significative des débits simulés. Elle révèle aussi un manque de dynamique dans le schéma de sol conduisant à sous-estimer une partie des débits et à augmenter la sensibilité à la résolution. Le principal effet des remontées capillaires est d'augmenter l'évapotranspiration durant les périodes sèches. Des incertitudes demeurent cependant dans le système couplé ISBA-TRIP. Certaines hypo- thèses du schéma d'aquifère restent discutables et nécessiteraient d'être corrigées. De plus, le schéma d'aquifère remet en cause une partie des paramétrisations de la géométrie de la rivière dans TRIP. En dépit de ces incertitudes, l'impact positif des aquifères sur les variables hydro- logiques simulées suggère que le schéma d'aquifère est apte à être utilisé dans des applications hydrologiques et climatiques globales, ce que confirment les premières applications à l'échelle globale du système couplé, même si des améliorations restent à apporter. L'objectif ultime sera d'introduire le système complet ISBA-TRIP dans le modèle de climat du CNRM de manière à estimer l'impact des eaux souterraines sur la simulation du climat présent et futur.

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Campoy, Aurélien. "Influence de l'hydrologie souterraine sur la modélisation du climat à l'échelle régionale et globale". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00934826.

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Les Modèles de Circulation Générale (MCG) sont des outils permettant l'étude du climat à grande échelle et de ses principales tendances. Les bilans d'eau et d'énergie à la surface des continents y sont calculés à l'aide de modèle de surface continentale (Land Surface Model, LSM). Ces dernières années, l'intérêt d'utiliser un LSM sophistiqué pour modéliser le climat terrestre s'est affirmé, notamment au niveau des régions tempérées qui abritent des zones de transition où l'évapotranspiration est limitée d'une part par l'énergie d'autre part par l'eau disponible. Le site instrumenté du SIRTA mesure de nombreuses variables atmosphériques permettant de valider un modèle climatique en un point. Le SIRTA dispose également de données d'humidité du sol utilisées pour la première fois dans cette thèse. Ces données révèlent la présence d'une nappe perchée, en accord avec une campagne de mesures géophysiques réalisée durant cette thèse. Les données du SIRTA sont confrontées à des simulations régionales qui sont réalisées à l'aide du LSM ORCHIDEE couplé à un modèle atmosphérique. Nous développons la possibilité d'imposer une nappe au sein du sol modélisé par ORCHIDEE, ce qui permet de soutenir l'évaporation en été au SIRTA, en accord avec les observations. Nous explorons différentes hypothèses hydrologiques qui entrainent une augmentation de l'évaporation à l'échelle de l'Europe de l'Ouest et impliquent une augmentation des précipitations ainsi qu'un refroidissement de l'air. Ces hypothèses sont également testées lors de simulations globales afin d'en étudier l'influence sur les caractéristiques du climat et du changement climatique causé par une augmentation de gaz à effet de serre.

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Garry, Gérald. "Le risque d'inondation en France : recherche d'une approche globale du risque d'inondation et de sa traduction cartographique dans une perspective de prévention". Paris 1, 1993. http://www.theses.fr/1993PA010576.

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Cette recherche présente le risque d'inondation dans sa globalité en mettant l'accent sur l'apport de la télédétection et de la cartographie. Elle analyse dans une dynamique historique et à travers diverses échelles spatio-temporelles : - les facteurs naturels et anthropiques participant à la formation des crues et au débordement des cours d'eau - l'impact des inondations sur le milieu physique, les activités, les biens et les hommes - la hiérarchisation des études et de la cartographie permettant de définir des zones de vulnérabilité selon l'occupation des sols, en privilégiant le plan d'exposition au risque (PER) - les mesures de prévention et de gestion souhaitables à mettre en place elle montre ainsi que le risque résulte de nombreuses interactions dont les composantes relèvent de domaines scientifiques ou techniques varies et qu'une approche cohérente de ses mécanismes ne peut procéder que d'une démarche générale et interdisciplinaire. Elle se veut également, par le choix de ses exemples, un essai de synthèse des principaux cas de figure rencontres en France
This search is an analysis of the risk of flood in its whole; it stresses the importance of teledetection and cartography. It will go through, in historical dynamic, a range of different space and time analysis : - natural and anthropic factors participating to the formation of the floods and the swellings of rivers. - the impact of such floods on the geographical environment, on its activities, goods and people. - the grading of these studies and cartography will enable us to define zones of vulnerability according to the land occupancy. - measures of prevention and management necessary to determine. Thus, this research intends to show that this risk is a consequence of numerous interactions, the different parts of which belong to various scientific or technical fields, and that a sensible approach of its mecanisms can only be made through general and interdisciplinary approach. It is also meant - by the choice of the examples given - to be the attempt of a synthesis of the main situations which can be seen in France

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Campoy, Aurélien. "Influence de l'hydrologie souterraine sur la modélisation du climat à l'échelle régionale et globale". Phd thesis, Paris 6, 2013. http://www.theses.fr/2013PA066061.

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Les Modèles de Circulation Générale (MCG) sont des outils permettant l'étude du climat à grande échelle et de ses principales tendances. Les bilans d'eau et d'énergie à la surface des continents y sont calculés à l'aide de modèle de surface continentale (Land Surface Model, LSM). Ces dernières années, l'intérêt d'utiliser un LSM sophistiqué pour modéliser le climat terrestre s'est affirmé, notamment au niveau des régions tempérées qui abritent des zones de transition où l'évapotranspiration est limitée d'une part par l'énergie d'autre part par l’eau disponible. Le site instrumenté du SIRTA mesure de nombreuses variables atmosphériques permettant de valider un modèle climatique en un point. Le SIRTA dispose également de données d'humidité du sol utilisées pour la première fois dans cette thèse. Ces données révèlent la présence d'une nappe perchée, en accord avec une campagne de mesures géophysiques réalisée durant cette thèse. Les données du SIRTA sont confrontées à des simulations régionales qui sont réalisées à l'aide du LSM ORCHIDEE couplé à un modèle atmosphérique. Nous développons la possibilité d'imposer une nappe au sein du sol modélisé par ORCHIDEE, ce qui permet de soutenir l'évaporation en été au SIRTA, en accord avec les observations. Nous explorons différentes hypothèses hydrologiques qui entrainent une augmentation de l'évaporation à l'échelle de l'Europe de l'Ouest et impliquent une augmentation des précipitations ainsi qu’un refroidissement de l'air. Ces hypothèses sont également testées lors de simulations globales afin d'en étudier l'influence sur les caractéristiques du climat et du changement climatique causé par une augmentation de gaz à effet de serre
General Circulation Models (GCM) are tools which allow studying climate at large scale. Water and energy budget over continental surface are calculated by Land Surface Model (LSM). Interest on using a sophistical LSM to simulate earth climate grew up last years, in particular in transition area, where evaporation is limited on one side by energy and on other side by available water. The instrumented site of SIRTA observes many atmospheric variables and allows validating a climate model on one point. The SIRTA have also soil moisture data which are used for the first time in this thesis. These data reveal a shallow water table, according to geophysical campaign conducted during this thesis. Data from SIRTA are confronted to regional simulations produced with the LSM ORCHIDEE coupled to an atmospheric model. We develop the possibility to impose a water table in the soil modeled by ORCHIDEE, which allows maintaining evaporation during summer at the SIRTA, according to observations. We explore different hydrologic hypothesis which conduct to an evaporation increase at Western European scale and also involve precipitation increase and air cooling. Theses hypothesis are also tested in global simulations to study effects on climate and on climate change due to an increase of greenhouse gases

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Decharme, Bertrand. "Développement et validation d'une modélisation hydrologique globale incluant les effets sous maille et la représentation des zones inondées". Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2005. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00518491.

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La modélisation hydrologique globale du CNRM repose sur le modèle de surface ISBA qui calcule un bilan hydrique sur des mailles allant typiquement de 20 à 500 km de côté et sur le modèle de routage TRIP qui permet de convertir le ruissellement quotidien en débit. A ces résolutions, la répartition sous maille des caractéristiques de la surface et des flux atmosphériques a un fort impact sur les bilans d'eau simulés. Plusieurs paramétrisations des effets sous maille originales ou préexistantes ont alors été testées avec succès en mode forcé à l'échelle régionale et globale. Néanmoins, la validation globale reste parfois problématique en raison des incertitudes liées aux précipitations, aux paramètres de surface et à la modélisation de certains processus tel la représentation des zones inondées dans TRIP. Ceci souligne donc l'intérêt des futures missions satellitaires pour mieux contraindre nos modélisations hydrologiques.

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Al-Yaari, Amen Mohammed. "Global-scale evaluation of a hydrological variable measured from space : SMOS satellite remote sensing soil moisture products". Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066678/document.

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L'humidité du sol (SM) contrôle les bilans d’eau et d’énergie des surfaces continentales et joue ainsi un rôle clé dans les domaines de la météorologie, l'hydrologie et l'écologie. La communauté scientifique en télédétection micro-ondes a fait des efforts considérables pour établir des bases de données globales de l’humidité du sol en surface (SSM) découlant d'instruments micro-ondes actifs et passifs. Parmi ces instruments, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), lancé en 2009, est le premier satellite passif conçu spécifiquement pour mesurer SSM à partir d’observations en bande L (1.4 GHz) à l'échelle globale. La validation des données SMOS SSM sur différentes régions climatiques et pour des conditions environnementales variées est une étape indispensable avant qu’elles soient utilisées de manière opérationnelle. En effet, une meilleure connaissance de la précision des estimations de SSM et des incertitudes associées permettra non seulement d'améliorer les produits SMOS SSM, mais aussi d'optimiser les approches de fusion de données utilisées pour créer des produits multi-capteurs long terme. De tels produits sont développés dans le cadre du programme Climate Change Initiative (CCI) de l'Agence spatiale européenne (ESA) pour l’ensemble des variables climatiques essentielles (ECV), dont SSM. A la suite des chapitres d'introduction I à III, les résultats de cette thèse sont présentés en trois chapitres. Le chapitre IV présente une comparaison des produits SSM issus des capteurs passifs SMOS (bande L) et AMSR-E (bande C) en prenant pour référence les estimations SSM du système d'assimilation SM-DAS-2 du Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT). Cette évaluation est menée sur la période d’observation commune à SMOS et AMSR-E (2010- 2011), en utilisant des indicateurs classiques (corrélation, RMSD, Biais). En parallèle, le chapitre V présente une comparaison des produits SMOS SSM avec les produits SSM issus du capteur actif ASCAT en bande C en utilisant comme référence les simulations SSM d’un modèle des surfaces continentales (MERRA-Land), et en utilisant des indicateurs classiques, des méthodes statistiques avancées (triple collocation), et des diagrammes de Hovmöller sur la période 2010-2012. Ces deux évaluations ont montré que la densité de la végétation (paramétrée ici par l’indice foliaire LAI) est un facteur clé pour interpréter la cohérence entre le produit SMOS et les produits AMSR-E et ASCAT. Cet effet de la végétation a été quantifié pour la première fois à l’échelle globale pour les trois capteurs micro-ondes. Ces deux chapitres ont également montré que les trois capteurs SMOS, AMSR-E et ASCAT ont des performances complémentaires selon la densité de végétation et qu’il y a ainsi un potentiel intéressant en terme de fusion des jeux de données micro-ondes passifs et actifs. Dans le chapitre VI, avec l’objectif général d’étendre vers le passé les séries de données SSM de SMOSL3 et de développer un jeu de données SSM homogène sur 2003-2014, nous avons évalué l’utilisation d’une approche de régression linéaire multiple appliquée aux mesures de températures de brillance de AMSR-E (2003 - 2011). Les coefficients de régression ont été calibrés avec les produits SSM issus de SMOS sur 2010-2011. Le produit SSM résultant, qui fusionne les observations SMOS et AMSR-E, a été évalué par comparaison avec un produit SSM AMSR-E et les produits SSM MERRA-Land sur 2007-2009. Ces résultats préliminaires montrent que la méthode de régression linéaire est une approche simple et robuste pour construire un produit SSM réaliste en termes de variations temporelles et de valeurs absolues. En conclusion, cette thèse a montré que le potentiel de synergie entre les systèmes micro-ondes passifs (AMSR-E et SMOS) et actifs (ASCAT) est très prometteur pour le développement et l'amélioration de longues séries temporelles SSM à l'échelle mondiale, telles que celles produites dans le cadre du programme CCI de l'ESA
Soil moisture (SM) plays a key role in meteorology, hydrology, and ecology as it controls the evolution of various hydrological and energy balance processes. The community of scientists involved in the field of microwave remote sensing has made considerable efforts to build accurate estimates of surface SM (SSM), and global SSM datasets derived from active and passive microwave instruments have recently become available. Among them, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), launched in 2009, was the first ever passive satellite specifically designed to measure the SSM, at L-band (1.4 GHz), at the global scale. Validation of the SMOS SSM datasets over different climatic regions and environmental conditions is extremely important and a necessary step before they can be used. A better knowledge of the skill and uncertainties of the SSM retrievals will help not only to improve the individual products, but also to optimize the fusion schemes required to create long-term multi-sensor products, like the essential climate variable (ECV) SSM product generated within the European Space Agency’s (ESA's) Climate Change Initiative (CCI) program. After the introductory Chapters I to III, this dissertation consists of three main parts. Chap. IV of the dissertation evaluates the passive SMOS level 3 (SMOSL3) SSM products at L-band against the passive AMSR-E SSM at C-band by comparing them with a Land Data Assimilation System estimates (SM-DAS-2) produced by the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF). This was achieved over the common period 2010-2011 between SMOS and AMSR-E, using classical metrics (Correlation, RMSD, and Bias). In parallel, Chap. V of the dissertation evaluates the passive SMOSL3 products against the active ASCAT SSM at C-band by comparing them with land surface model simulations (MERRA-Land) using classical metrics, advanced statistical methods (triple collocation), and the Hovmöller diagram over the period 2010-2012. These two evaluations indicated that vegetation density (parameterized here by the leaf area index LAI) is a key factor to interpret the consistency between SMOS and the other remotely sensed products. This effect of the vegetation has been quantified for the first time at the global scale for the three microwave sensors. These two chapters also showed that both SMOS and ASCAT (AMSR-E) had complementary performances and, thus, have a potential for datasets fusion into long-term SSM records. In Chap. VI of the dissertation, with the general purpose to extend back the SMOSL3 SSM time series and to produce an homogeneous SM product over 2003-2014 based on SMOS and AMSR-E, we investigated the use of a multiple linear regression model based on bi-polarization (horizontal and vertical) brightness temperatures (TB) observations obtained from AMSR-E (2003 - 2011). The regression coefficients were calibrated using SMOSL3 SSM as a reference over the 2010-2011 period. The resulting merged SSM dataset was evaluated against an AMSR-E SSM retrievals and modelled SSM products (MERRA-Land) over 2007-2009. These first results show that the multi-linear regression method is a robust and simple approach to produce a realistic SSM product in terms of temporal variation and absolute values. In conclusion, this PhD showed that the potential synergy between the passive (AMSR-E and SMOS) and active (ASCAT) microwave systems at global scale is very promising for the development of improved, long-term SSM time series at global scale, such as those pursued by the ESA’s CCI program. It also provides new ideas on the way to merge the different SSM datasets with the aim of producing the CCI (phase 2) long-term series (a coherent "SMOS-AMSR-E" SSM time series for the period 2003 -2014), that will be evaluated further in the framework of on-going ESA projects

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Al-Yaari, Amen Mohammed. "Global-scale evaluation of a hydrological variable measured from space : SMOS satellite remote sensing soil moisture products". Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2014. https://accesdistant.sorbonne-universite.fr/login?url=https://theses-intra.sorbonne-universite.fr/2014PA066678.pdf.

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L'humidité du sol (SM) contrôle les bilans d’eau et d’énergie des surfaces continentales et joue ainsi un rôle clé dans les domaines de la météorologie, l'hydrologie et l'écologie. La communauté scientifique en télédétection micro-ondes a fait des efforts considérables pour établir des bases de données globales de l’humidité du sol en surface (SSM) découlant d'instruments micro-ondes actifs et passifs. Parmi ces instruments, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), lancé en 2009, est le premier satellite passif conçu spécifiquement pour mesurer SSM à partir d’observations en bande L (1.4 GHz) à l'échelle globale. La validation des données SMOS SSM sur différentes régions climatiques et pour des conditions environnementales variées est une étape indispensable avant qu’elles soient utilisées de manière opérationnelle. En effet, une meilleure connaissance de la précision des estimations de SSM et des incertitudes associées permettra non seulement d'améliorer les produits SMOS SSM, mais aussi d'optimiser les approches de fusion de données utilisées pour créer des produits multi-capteurs long terme. De tels produits sont développés dans le cadre du programme Climate Change Initiative (CCI) de l'Agence spatiale européenne (ESA) pour l’ensemble des variables climatiques essentielles (ECV), dont SSM. A la suite des chapitres d'introduction I à III, les résultats de cette thèse sont présentés en trois chapitres. Le chapitre IV présente une comparaison des produits SSM issus des capteurs passifs SMOS (bande L) et AMSR-E (bande C) en prenant pour référence les estimations SSM du système d'assimilation SM-DAS-2 du Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (CEPMMT). Cette évaluation est menée sur la période d’observation commune à SMOS et AMSR-E (2010- 2011), en utilisant des indicateurs classiques (corrélation, RMSD, Biais). En parallèle, le chapitre V présente une comparaison des produits SMOS SSM avec les produits SSM issus du capteur actif ASCAT en bande C en utilisant comme référence les simulations SSM d’un modèle des surfaces continentales (MERRA-Land), et en utilisant des indicateurs classiques, des méthodes statistiques avancées (triple collocation), et des diagrammes de Hovmöller sur la période 2010-2012. Ces deux évaluations ont montré que la densité de la végétation (paramétrée ici par l’indice foliaire LAI) est un facteur clé pour interpréter la cohérence entre le produit SMOS et les produits AMSR-E et ASCAT. Cet effet de la végétation a été quantifié pour la première fois à l’échelle globale pour les trois capteurs micro-ondes. Ces deux chapitres ont également montré que les trois capteurs SMOS, AMSR-E et ASCAT ont des performances complémentaires selon la densité de végétation et qu’il y a ainsi un potentiel intéressant en terme de fusion des jeux de données micro-ondes passifs et actifs. Dans le chapitre VI, avec l’objectif général d’étendre vers le passé les séries de données SSM de SMOSL3 et de développer un jeu de données SSM homogène sur 2003-2014, nous avons évalué l’utilisation d’une approche de régression linéaire multiple appliquée aux mesures de températures de brillance de AMSR-E (2003 - 2011). Les coefficients de régression ont été calibrés avec les produits SSM issus de SMOS sur 2010-2011. Le produit SSM résultant, qui fusionne les observations SMOS et AMSR-E, a été évalué par comparaison avec un produit SSM AMSR-E et les produits SSM MERRA-Land sur 2007-2009. Ces résultats préliminaires montrent que la méthode de régression linéaire est une approche simple et robuste pour construire un produit SSM réaliste en termes de variations temporelles et de valeurs absolues. En conclusion, cette thèse a montré que le potentiel de synergie entre les systèmes micro-ondes passifs (AMSR-E et SMOS) et actifs (ASCAT) est très prometteur pour le développement et l'amélioration de longues séries temporelles SSM à l'échelle mondiale, telles que celles produites dans le cadre du programme CCI de l'ESA
Soil moisture (SM) plays a key role in meteorology, hydrology, and ecology as it controls the evolution of various hydrological and energy balance processes. The community of scientists involved in the field of microwave remote sensing has made considerable efforts to build accurate estimates of surface SM (SSM), and global SSM datasets derived from active and passive microwave instruments have recently become available. Among them, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), launched in 2009, was the first ever passive satellite specifically designed to measure the SSM, at L-band (1.4 GHz), at the global scale. Validation of the SMOS SSM datasets over different climatic regions and environmental conditions is extremely important and a necessary step before they can be used. A better knowledge of the skill and uncertainties of the SSM retrievals will help not only to improve the individual products, but also to optimize the fusion schemes required to create long-term multi-sensor products, like the essential climate variable (ECV) SSM product generated within the European Space Agency’s (ESA's) Climate Change Initiative (CCI) program. After the introductory Chapters I to III, this dissertation consists of three main parts. Chap. IV of the dissertation evaluates the passive SMOS level 3 (SMOSL3) SSM products at L-band against the passive AMSR-E SSM at C-band by comparing them with a Land Data Assimilation System estimates (SM-DAS-2) produced by the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF). This was achieved over the common period 2010-2011 between SMOS and AMSR-E, using classical metrics (Correlation, RMSD, and Bias). In parallel, Chap. V of the dissertation evaluates the passive SMOSL3 products against the active ASCAT SSM at C-band by comparing them with land surface model simulations (MERRA-Land) using classical metrics, advanced statistical methods (triple collocation), and the Hovmöller diagram over the period 2010-2012. These two evaluations indicated that vegetation density (parameterized here by the leaf area index LAI) is a key factor to interpret the consistency between SMOS and the other remotely sensed products. This effect of the vegetation has been quantified for the first time at the global scale for the three microwave sensors. These two chapters also showed that both SMOS and ASCAT (AMSR-E) had complementary performances and, thus, have a potential for datasets fusion into long-term SSM records. In Chap. VI of the dissertation, with the general purpose to extend back the SMOSL3 SSM time series and to produce an homogeneous SM product over 2003-2014 based on SMOS and AMSR-E, we investigated the use of a multiple linear regression model based on bi-polarization (horizontal and vertical) brightness temperatures (TB) observations obtained from AMSR-E (2003 - 2011). The regression coefficients were calibrated using SMOSL3 SSM as a reference over the 2010-2011 period. The resulting merged SSM dataset was evaluated against an AMSR-E SSM retrievals and modelled SSM products (MERRA-Land) over 2007-2009. These first results show that the multi-linear regression method is a robust and simple approach to produce a realistic SSM product in terms of temporal variation and absolute values. In conclusion, this PhD showed that the potential synergy between the passive (AMSR-E and SMOS) and active (ASCAT) microwave systems at global scale is very promising for the development of improved, long-term SSM time series at global scale, such as those pursued by the ESA’s CCI program. It also provides new ideas on the way to merge the different SSM datasets with the aim of producing the CCI (phase 2) long-term series (a coherent "SMOS-AMSR-E" SSM time series for the period 2003 -2014), that will be evaluated further in the framework of on-going ESA projects

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Bilodeau, Karine. "Intégration du contrôle en temps réel des bassins d'orage dans une stratégie globale d'adaptation aux changements climatiques". Master's thesis, Université Laval, 2018. http://hdl.handle.net/20.500.11794/30267.

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L’objectif de ce projet est d’évaluer la performance du contrôle en temps réel (CTR) des bassins d’orage comme mesure d’adaptation aux changements climatiques. Le contrôle en temps réel permet de faire la gestion des eaux de ruissellement à l’aide de règles de contrôle réactif, qui considèrent l’état en différents points du réseau, et de règles de contrôle prédictif, qui considèrent les prévisions météorologiques dans la prise de décision. Le contrôle de l’orifice de sortie de l’ouvrage de stockage permet donc de limiter le choc hydraulique au cours d’eau récepteur, par la réduction et le décalage des débits de pointe, en plus de faire le traitement qualitatif par la rétention prolongée, qui permet la sédimentation des particules dans l’eau. Le CTR peut également permettre, selon la localisation adéquate de l’ouvrage contrôlé, de réduire la charge hydraulique dans les collecteurs en aval en retenant les volumes de ruissellement en temps de pluie, ce qui limite l’impact de l’augmentation des précipitations et du développement des municipalités en périphérie des centres-villes sur le réseau de conduites pluviales. Une stratégie de contrôle a été établie en fonction de la configuration des trois cas d’étude et des simulations en climat futur ont permis de démontrer que le CTR permet d’adapter un réseau de différentes façons. Le CTR d’un bassin d’orage en fin de réseau permet de décaler et limiter les débits de pointe en plus d’augmenter le temps de rétention de façon à réduire la charge en polluants dans les eaux pluviales. Pour un ouvrage de très grande dimension, le CTR réactif est suffisant pour faire la gestion de tous les événements fréquents sans causer de débordement de l’ouvrage de stockage. Pour une municipalité qui a peu d’espace en surface en fin de réseau, le CTR prédictif de conduites surdimensionnées réduit et décale les débits de pointe rejetés, ce qui permet l’ajout d’un ouvrage de traitement qualitatif. Toutefois, puisque l’espace est souvent limité dans les secteurs au centre-ville, en bordure des cours d’eau récepteur, la localisation stratégique des ouvrages contrôlés à l’amont est une solution alternative intéressante. Cette stratégie de contrôle permet non seulement de limiter le choc hydraulique au cours d’eau récepteur de la même manière qu’un CTR en fin de réseau, mais décale le ruissellement des développements en amont vers le collecteur principal, ce qui permet à une municipalité de pouvoir continuer à se développer en périphérie du centre-ville sans avoir à augmenter la capacité du réseau en aval. En résumé, le CTR permet à une municipalité d’adapter son réseau, peu importe sa configuration, de façon à faire face aux changements climatiques.

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Arboleda-Obando, Pedro Felipe. "Feedback from groundwater and irrigation on past and future climate simulated by the IPSL climate model". Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2023. http://www.theses.fr/2023SORUS045.

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Les flux terrestres jouent un rôle important dans le cycle de l'eau et dans l'évolution du climat à différentes échelles de temps. Il est intéressant de noter le contrôle que l'humidité du sol peut exercer sur l'évapotranspiration, puisqu'une anomalie de la première peut induire une perturbation sur la seconde. Cela produit des changements dans l'évolution saisonnière et à long terme des variables climatiques telles que les précipitations et la température. Le couplage entre l'humidité du sol et l'évapotranspiration et ses effets sur le climat ont conduit à se pencher sur les éléments du paysage qui ont un certain effet sur l'humidité du sol. Cette thèse se concentre sur deux d'entre elles : les écoulements descendants des pentes (de surface et souterrains) causés par la topographie d'origine naturelle et les transferts d'eau pour les activités d'irrigation d'origine humaine. L'un des outils d'étude du climat est l'utilisation de modèles de circulation générale, qui couple un modèle atmosphérique et un modèle de surface terrestre. Les modèles de surface, bien que de plus en plus complexes, ont une représentation limitée ou nulle de l'effet de la topographie sur les flux de surface terrestre et des effets anthropiques sur les ressources en eau. L'objectif de cette thèse est de comprendre l'effet de chaque élément du paysage sur les flux terrestres et sur le climat actuel et futur, en utilisant le modèle de surface terrestre ORCHIDEE, qui fait partie du modèle climatique IPSL. La première partie de cette thèse utilise une représentation simple des écoulements des pentes dans ORCHIDEE. La maille est divisée en une zone haute et une zone basse pour représenter la topographie, cette dernière étant potentiellement plus humide. LMDZOR, qui couple ORCHIDEE à LMDZ (le modèle atmosphérique de l'IPSL) a été utilisé pour effectuer deux simulations à long terme (entre 1980 et 2100) sous changement climatique, avec et sans écoulement de pente. Les résultats montrent une augmentation de l'humidité du sol et de l'évapotranspiration, une légère augmentation des précipitations et une baisse de la température de l'air. Dans le cadre du changement climatique, les écoulements de pente atténuent une partie des diminutions de l'humidité du sol, de l'évapotranspiration et des précipitations liés au changement climatique, et diminuent légèrement le réchauffement. La deuxième partie présente un schéma d'irrigation inclus dans ORCHIDEE, pour une utilisation à l'échelle mondiale. La demande en eau est calculée à partir du déficit hydrique du sol et de la surface irriguée. L'approvisionnement dépend des réservoirs naturels sous deux contraintes : un volume laissé disponible pour les écosystèmes (flux écologique) et une répartition de l'eau en fonction des infrastructures locales existantes. Le nouveau schéma a été testé en mode offline (forcé avec les données météorologiques). La comparaison avec les données observées montre que l'inclusion de l'irrigation diminue les biais négatifs de modélisation pour l'évapotranspiration, mais augmente les biais positifs pour l'indice de surface foliaire (sauf dans les zones d'irrigation intensive où le biais négatif de l'indice diminue). De même, l'irrigation diminue le débit des grands fleuves, mais cela ne conduit pas à une meilleure représentation de la dynamique du débit par rapport aux observations. Les résultats montrent que les éléments du paysage augmentent certains flux des bilans hydriques et énergétiques et, pour les écoulements de pente, atténuent une partie des diminutions dues au changement climatique. Dans le cas de l'irrigation, des simulations online sont nécessaires pour connaître son effet sur l'évolution des variables hydroclimatiques dans le cadre du changement climatique. De plus, il est nécessaire de considérer les effets conjoints des deux éléments du paysage, ce qui demande d'inclure les flux de pente et l'irrigation dans une nouvelle version d'ORCHIDEE
Continental fluxes play an important role in the water cycle, and in the evolution of climate at different time scales. It is particularly interesting to note the control that soil moisture can exert on evapotranspiration, since an anomaly of the former can induce a change of the latter. This produces changes in the seasonal and long-term evolution of climatic variables such as precipitation and temperature. The coupling between soil moisture and evapotranspiration, and their effects on climate, have led to focus on those landscape factors that have some effect on soil moisture. This study focuses on two: downward hillslope flows (surface and subsurface) caused by topography, of natural origin, and water transfers for irrigation activities, of human origin. One of the tools for studying climate is the use of general circulation models, consisting of an atmospheric model and a land surface model. Land surface models, although increasingly complex, have limited or no representation of the effect of topography on land surface fluxes and of the anthropogenic effects on water resources. The objective of this thesis is to understand the effect of each landscape driver on terrestrial fluxes and on present and future climate, using the ORCHIDEE land surface model, which is part of the IPSL climate model. The first part of this thesis uses a simple representation of hillslope flows within ORCHIDEE. The typical model grid-cell is divided into an upland and lowland zone to represent the topography, with the lowland fraction being potentially wetter. LMDZOR, which couples ORCHIDEE to the IPSL atmospheric model, known as LMDZ, was used to run two long-term simulations (between 1980 and 2100) under climate change, with and without hillslope flow. The results show increases in soil moisture and evapotranspiration, a slight increase in rainfall and lower air temperature. Under climate change, hillslope flows attenuate part of the climate change-induced decreases in soil moisture, evapotranspiration and precipitation, and slightly decrease warming. In the second part, an irrigation scheme was implemented in ORCHIDEE, for use at global scale. The water demand is calculated according to the soil moisture deficit and the irrigated area, and the supply depends on natural reservoirs under two constraints: a volume left available for ecosystems (ecological flow) and water allocation according to existing local infrastructure. The new scheme was tested in offline mode, (forced with meteorological data). Comparison with observed data shows that including irrigation decreases negative modeling biases for evapotranspiration, but increases positive biases for leaf area index (except in intensively irrigated areas, where the negative bias of leaf area index decreases). Likewise, irrigation decreases the discharge of large rivers, but this does not lead to a better representation of discharge dynamics compared to observations. The results show that landscape drivers increase certain fluxes of the water and energy balances, and in the case of hillslope flows, attenuates part of the decreases due to climate change. In the case of irrigation, online simulations are needed to know its effect on the evolution of hydroclimatic variables under climate change. In addition, considering the joint effects of the two landscape drivers is necessary, which calls for including hillslope flows and irrigation in a new version of ORCHIDEE

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Heberger, Matthew. "Improved observation of the global water cycle with satellite remote sensing and neural network modeling". Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2024. http://www.theses.fr/2024SORUS012.

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La télédétection par satellite est couramment utilisée pour observer le cycle hydrologique à des échelles spatiales allant des bassins fluviaux au globe terrestre. Pourtant, il reste difficile d'obtenir un bilan hydrique équilibré en utilisant des données de télédétection, ce qui met en évidence les erreurs et les incertitudes des données d'observation de la Terre. Cette recherche visait à améliorer les estimations des précipitations, de l'évapotranspiration, de l'écoulement, et du changement du stockage total de l'eau à l'échelle mondiale en utilisant une combinaison de méthodes analytiques (interpolation optimale, OI) et de méthodes de modélisation statistique, y compris les réseaux neuronaux (NN). Les modèles ont été entraînés sur un ensemble de 1 358 bassins fluviaux et validés sur un ensemble indépendant de 340 bassins et sur des observations in situ des précipitations, de l'évapotranspiration et du débit des cours d'eau. Les modèles sont étendus pour faire des prévisions à l'échelle du pixel dans des cellules de grille de 0,5° pour une couverture quasi mondiale. Les ensembles de données calibrées donnent des résidus de bilan hydrique plus faibles dans les bassins de validation : la moyenne et l'écart-type du déséquilibre sont de 11±44 mm/mo lorsqu'ils sont calculés avec des données non corrigées et de 0,03±24 mm/mo après calibrage par les modèles NN. Les résultats nous permettent de faire des estimations plus précises des composantes manquantes du cycle de l'eau, par exemple pour estimer l'évapotranspiration dans les zones non instrumentées, ou pour prédire le débit dans les bassins non jaugés. Les résultats peuvent également indiquer aux producteurs de données où leurs produits semblent incohérents par rapport à d'autres ensembles de données et où un étalonnage plus poussé pourrait apporter des améliorations. Enfin, cette recherche démontre l'utilisation des réseaux neuronaux et de l'intelligence artificielle pour l'intégration des données satellitaires et pour l'étude du cycle de l'eau
Satellite remote sensing is commonly used to observe the hydrologic cycle at spatial scales ranging from river basins to the globe. Yet, it remains difficult to obtain a balanced water budget using remote sensing data, which highlights the errors and uncertainties in earth observation (EO) data. This research aimed to improve estimates of precipitation, evapotranspiration, runoff, and total water storage change at the global scale using a combination of analytical methods (optimal interpolation, OI) and statistical modeling methods including neural networks (NN). Models were trained on a set of 1,358~river basins and validated them on an independent set of 340~basins and in-situ observations of precipitation, evapotranspiration, and river discharge. The models are extended to make pixel-scale predictions in 0.5° grid cells for near-global coverage. Calibrated datasets result in lower water budget residuals in validation basins: the mean and standard deviation of the imbalance is 11±44 mm/mo when calculated with uncorrected EO data and 0.03±24 mm/mo after calibration by the NN models. The results allow us to make more accurate estimates of missing water cycle components, for example to estimate evapotranspiration in un-instrumented areas, or to predict discharge in ungaged basins. The results can also indicate to data producers where their products seem incoherent with other datasets and where enhanced calibration could lead to improvements. Finally, this research demonstrates the use of neural networks and machine learning for the integration of satellite data and for the study of the water cycle

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Schneider, Ana Claudia. "Estimation of the base flow time constant for global scale applications". Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066132.

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La constante de temps du débit de base (τ) représente le temps moyen pour que l'eau souterraine arrive à la rivière depuis la zone de recharge dans un bassin donné. C’est un élément clé pour simuler le débit de base dans les modèles simples des eaux souterraines, tels qu’ORCHIDEE. τ a été estimée à l’échelle globale à partir d’une solution de l’équation de Boussinesq pour les aquifères libres en pente. τ dépend de la porosité efficace, de la transmissivité, de la pente de l'aquifère et de la densité de drainage (δ). Calculées à partir de bases de données globales, les valeurs de τ sont surestimées par rapport à celles obtenues par analyse des courbes de récession. Une analyse de sensibilité a montré que la transmissivité et δ sont les principales sources d’incertitude de τ. L’extraction d’un nouveau réseau de drainage, qui dépend de la lithologie, du climat, de la pente et des δ observées, a permis d’obtenir des δ conformes aux valeurs observées aux échelles régionales et à la variabilité spatiale. L’utilisation de ces nouvelles δ et la combinaison de deux jeux de données de conductivité hydraulique pour le sol et l’aquifère a réduit τ de deux ordres de grandeur, mais les valeurs calculées restent surestimées. L’utilisation de τ dans le modèle de surface ORCHIDEE a montré une forte sensibilité du débit simulé à l’augmentation de τ, qui dégrade les débits simulés par rapport aux observations. Cette méthodologie nécessite des valeurs plus adaptées de transmissivité et porosité efficace par rapport aux jeux de données globaux actuellement disponibles pour obtenir des valeurs de τ plus proches de celles attendues et qui permettent de reproduire les débits observés
The base flow time constant (τ) represents the mean amount of time the groundwater takes to reach the stream from the recharge zone in a given watershed. τ is a key element to simulate base flow in simple groundwater models as ORCHIDEE. τ was estimated at global scale based on a solution of the Boussinesq equation for unconfined sloping aquifers. τ depends on the effective porosity, transmissivity, aquifer slope, and drainage density (δ). When estimated from global available datasets, τ results are overestimated when compared to recession analysis results. A sensitivity analysis showed that transmissivity and δ are the main uncertainty sources of τ. A river network extraction based on lithology, climate, slope, and observed δ allowed to obtain δ values close to reference data and spatially variable at regional scale. The use of a new δ and the combination of two hydraulic conductivity datasets of soil and aquifer reduced τ of two orders of magnitude, however the values remained overestimated. The use of τ in ORCHIDEE land surface model showed a strong sensitivity of the river discharge buffer effect to τ, which worsen simulated river discharge when compared to observations. This methodology needs more adequate porosity and transmissivity values when compared to global available datasets that will result in close results to observed river discharge

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Reidy, Liermann Catherine. "Ecohydrologic impacts of dams : A global assessment". Doctoral thesis, Umeå : Department of Ecology and Environmental Science, Umeå Univ, 2007. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-1394.

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Smith, Yvonne. "Nestlé and the Global Water Governance Arena". Thesis, Stockholms universitet, Institutionen för naturgeografi, 2017. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:su:diva-144085.

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The future of global water supply and availability is one of the most important questions facing life on earth today, and experts agree that the most pressing angle to approach the question from is its governance. However, water represents one of the worlds broadest and most complex fields of governance due to its cross thematic and cross-boundary reach, as well as an increase in new actors through privatisation and transnational corporate influence. In order to actively implement new governance approaches the current system, its actors, connections and influence strategies must be identified. This study combines three theoretical and methodological approaches to study our current global water governance structure: Neo-Gramscian, Network analysis and Policy Entrepreneurship. The Neo-Gramscian influence theory is used to identify 3 types of connections between actors. The resulting data is then used for network analysis to identify the key actors within the field. Once these key actors have been identified, all Nestlé (as a case study for transnational corporations) connections to said actors and the field of water governance have been highlighted under the combined theoretical lenses of Neo-Gramscian influence and Policy Entrepreneurial strategies. These three theories are used in conjunction for several reasons: All three theories represent a different perspective of analysing the decentralised, large scale governance of a complex system. While network analysis allows for the visual representation of the governance “space” and for the identification of key actors and their connections, the Neo-Gramscian and policy entrepreneur approaches give insight into how these connections might be used and created in order to lead to a position of influence within the system. The results show a list of 42 key actors to whom Nestlé has a large number of self-reported connections across all 3 influence types. It further shows that Nestle actively uses at least 3 of the 4 entrepreneurial strategies on some of these connections. This suggests that Nestlé may have some significant influence in global water governance. The study is also a proof of concept for the synthesis of the three complementary theories.

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Smith, Katie A. "Investigating uncertainty in global hydrology modelling". Thesis, University of Nottingham, 2016. http://eprints.nottingham.ac.uk/31875/.

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As projections of future climate raise concerns over water availability and extreme hydrological events, global hydrology models are increasingly being employed to better understand our global water resources and how they may be affected by climate change. Being a relatively recent development in hydrological science, global hydrology modelling has not yet undergone the same level of assessment and evaluation as catchment scale hydrology modelling. Until now, global hydrology models have presented just one deterministic model output for use in scientific research. Recently, multi-model ensembles have compared these outputs for different global models, but this has been done prematurely as the uncertainties within individual models have yet to be understood. This study demonstrates a rigorous uncertainty investigation of the 123 parameters within the Mac-PDM global hydrology model over 21 global river catchments. Mac-PDM was selected for its relative simplicity amongst global hydrology models, and its suitability for application using high performance computer clusters. A new version of the model, Mac-PDM.14 is provided, with updated soil and vegetation classifications. This model is then subjected to a 100,000 parameter realisation Generalised Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) experiment, requiring 40 days of high performance computing time, and outputting over 2Tb of data. The top performing model parameterisation from this experiment provides an annual average error of 47% when compared to observed records, a 45% improvement over the previous version of the model, Mac-PDM.09. Given the computational expense of such an experiment, smaller sample sizes of parameter realisations are explored. Whilst the top performing parameterisation in a sample size as small as 1,000 can perform almost as well as that from 100,000 parameterisations, the number of good parameterisations is fewer, and the range of model uncertainty may therefore be significantly underestimated. Mac-PDM.14 is shown to have a lower mean absolute relative error than all models involved in both the Water and Global Change (WATCH) project and the Inter-Sectoral Impacts Model Intercomparison Project (ISI-MIP). Parameter uncertainty is compared to model uncertainty, and the uncertainty range between the models within the WATCH and ISI-MIP projects is comparable to the parameter uncertainty within Mac-PDM.14. Catchment specific calibrations of the global hydrology model are explored, and it is demonstrated that the model performance is improved by 22 to 92%, for the Niger and the Yangtze respectively, with catchment specific parameter values over a global calibration. Approximate Bayesian Rejection is applied to explore the catchment specific parameter values that result in good parameter performance. Few trends can be identified from this analysis, which suggests that Mac-PDM may be over-parameterised. Catchment specific calibrations in both high latitude and arid to semi-arid regions show significant improvement over global calibration, which indicate a deficiency in model structure; the addition of a glacier component to Mac-PDM is recommended. Model calibrations are validated using the ISI-MIP forcing dataset, and the best model performance gives an error of 44%. This is a betterment on the performance with the WATCH forcing data used in calibration, and so implies that models not need to be recalibrated every time new forcing datasets are employed. This research highlights that the performance of global hydrology models can be significantly improved by running a parameter uncertainty assessment, and that in catchment scale studies, catchment specific calibration should be carefully considered. Furthermore, the uncertainty within individual global hydrology models is an important consideration that should not be overlooked as these models are increasingly included in ensembles and interdisciplinary studies.

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Perrin, Charles. "Vers une amélioration d'un modèle global pluie-débit". Phd thesis, Grenoble INPG, 2000. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00006216.

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Il existe actuellement un grand nombre de modèles hydrologiques conceptuels ou empiriques globaux permettant de simuler la transformation de la pluie en débit à l'échelle du bassin versant. Notre étude comparative a permis de tester 38 structures de modèles sur un large échantillon de 429 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis, en Australie, en Côte d'Ivoire et au Brésil. Les structures ont toutes été évaluées dans le même cadre de test, avec les mêmes données d'entrée. Leurs paramètres ont été calés par une méthode d'optimisation locale qui a prouvé de bonnes capacités à identifier un optimum satisfaisant. Les performances en terme de qualité des simulations des débits observés ont été évaluées grâce à un ensemble de critères quantitatifs, dont certains correspondent à des formulations nouvelles. Les tests réalisés indiquent qu'un faible nombre de paramètres libres (3 à 5) est suffisant pour obtenir des résultats aussi satisfaisants que des structures avec un plus grand nombre de degrés de liberté, l'augmentation de leur nombre limitant la robustesse du modèle. Par ailleurs, la structure du modèle joue un rôle prépondérant sur la qualité des simulations. Certains outils mathématiques contenus dans différentes structures apparaissent complémentaires et leur association au sein d'un même modèle permet d'améliorer les simulations de débit. La structure du modèle simple GR3J a ainsi pu être modifiée pour obtenir une structure à quatre paramètres plus satisfaisante, avec notamment une meilleure simulation des étiages.

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Kittavong, Sisouvanh. "Exploration de nouvelles structures de modélisation hydrologique globale conceptuelle". Doctoral thesis, Université Laval, 2019. http://hdl.handle.net/20.500.11794/66670.

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Plusieurs modèles hydrologiques ont été développés au cours des dernières décennies. Un modèle hydrologique devrait être capable de représenter tous les bassins versants. Les performances des modèles dépendent des caractéristiques du bassin versant étudié; aucun modèle ne convient à toutes les tâches de modélisation. Cette thèse de doctorat a pour but de proposer une méthode de sélection de modèles parmi un grand nombre de candidats. Elle prend en compte : l'identification d'une banque de modèles performants pour des conditions climatiques différentes et la sélection de modèles appropriés selon les conditions climatiques du bassin versant (aride, tempéré ou continentale) et les objectifs de modélisation (débits élevés, moyens ou faibles). La recherche est basée sur 1446 modèles construits en utilisant l‘approche multistructure empirique (Ensemble Multistructure Framework, EMF) et 100 bassins versants états-uniens aux conditions climatiques diversifiées. L'objectif de cette étude est de valoriser les approches flexibles afin d'identifier des modèles performants pour une diversité de climats. La sélection des modèles est ainsi basée sur les performances individuelles de 1446 modèles en les comparant avec un modèle de référence (GR4J). Sur la base de cette étude, une banque de 80 modèles diversifiés, issus des 1446 modèles initiaux, a été proposée pour d‘autres applications. Pour évaluer l'impact du climat et de la métrique sur la performance du modèle, les 80 modèles présélectionnés ont été évalués sur les trois types de climat et sur les trois objectifs de modélisation. Cette étude propose au final quatre nouveaux modèles hydrologiques conceptuels, adaptés à des conditions climatiques et hydrologiques spécifiques. La modélisation hydrologique demeure imparfaite en raison d'un grand nombre d'incertitudes liées notamment à la description de la transformation pluie-débit par les structures du modèle hydrologique. L'approche multimodèle est une solution alternative, parce que la combinaison de modèles existants peut mener à de meilleurs résultats par rapport aux modèles individuels. La diversité des structures des modèles constitue souvent un des premiers principes du fonctionnement d‘un multimodèle de manière à compenser les erreurs et à améliorer les performances. Les 80 modèles présélectionnés et l'algorithme Backward Greedy Selection (BGS) sont ainsi utilisés afin de sélectionner l‘ensemble des modèles à combiner. Les tests ont été effectués sur six critères (MCRPS, KGEsqrt, Mlogs, NRD, PIT et RDmse). Les résultats montrent que l'optimisation par MCRPS est la plus intéressante.
Many hydrologic models were developed in the last few decades. They should be capable of simulating all of the catchments but, in practice, their performance is dependent on the geology and climate, so no model structure is suitable for all modeling tasks. This doctoral thesis aims at proposing a model selection method, from a grand pool of candidates, which accounts for the identification of a pool of successful models in diversified climates conditions and the selection of appropriate models for the catchment climatic conditions (arid, humid, and continental) and modeling objectives (high, medium and low flows). It is based on 1446 models constructed using the Ensemble Multistructure Framework (EMF) and 100 climatically diversified American catchments. The focus of this study is to value flexible modeling approaches to identify successful models for a variety of climates. The model selection is first based on the individual performance of the 1446 models, comparing them to a reference model (GR4J). A pool of 80 diversified models is then identified for further investigation. To evaluate the impact of climate and metric on model performance, the 80 preselected models are evaluated on the three types of climates and three modeling objectives. At the end, four new lumped conceptual hydrologic models are tailored for specific climate and flow conditions. Hydrological modeling remains imperfect due to a large number of uncertainties, particularly related to the description of rainfall-flow transformation by hydrological model structures. The multimodel approach is an alternative solution, because the combination of existing models gives better results than individual ones. The diversity of model structures touches one of the first principles of the operation of a multimodel is the compensation of the errors to improve the performances. The 80 preselected models and the Backward Greedy Selection (BGS) algorithm are then used to select the models set to combine. Tests are performed on six optimizations (MCRPS, KGEsqrt, Mlogs, NRD, PIT and RDmse). Results show that, the optimization by the MCRPS is most interesting when compare to other criterions.

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Broxton, Patrick. "Improving Distributed Hydrologic Modeling and Global Land Cover Data". Diss., The University of Arizona, 2013. http://hdl.handle.net/10150/307009.

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Distributed models of the land surface are essential for global climate models because of the importance of land-atmosphere exchanges of water, energy, momentum. They are also used for high resolution hydrologic simulation because of the need to capture non-linear responses to spatially variable inputs. Continued improvements to these models, and the data which they use, is especially important given ongoing changes in climate and land cover. In hydrologic models, important aspects are sometimes neglected due to the need to simplify the models for operational simulation. For example, operational flash flood models do not consider the role of snow and are often lumped (i.e. do not discretize a watershed into multiple units, and so do not fully consider the effect of intense, localized rainstorms). To address this deficiency, an overland flow model is coupled with a subsurface flow model to create a distributed flash flood forecasting system that can simulate flash floods that involve rain on snow. The model is intended for operational use, and there are extensive algorithms to incorporate high-resolution hydrometeorologic data, to assist in the calibration of the models, and to run the model in real time. A second study, which is designed to improve snow simulation in forested environments, demonstrates the importance of explicitly representing a near canopy environment in snow models, instead of only representing open and canopy covered areas (i.e. with % canopy fraction), as is often done. Our modeling, which uses canopy structure information from Aerial Laser Survey Mapping at 1 meter resolution, suggests that areas near trees have more net snow water input than surrounding areas because of the lack of snow interception, shading by the trees, and the effects of wind. In addition, the greatest discrepancy between our model simulations that explicitly represent forest structure and those that do not occur in areas with more canopy edges. In addition, two value-added Land Cover products (land cover type and maximum green vegetation fraction; MGVF) are developed and evaluated. The new products are good successors to current generation land cover products that are used in global models (many of which rely on 20 year old AVHRR land cover data from a single year) because they are based on 10 years of recent MODIS data. There is substantial spurious interannual variability in the MODIS land cover type data, and the MGVF product can vary substantially from year to year depending on climate conditions, suggesting the importance of using climatologies for land cover data. The new land cover type climatology also agrees better with validation sites, and the MGVF climatology is more consistent with other measures of vegetation (e.g. Leaf Area Index) than the older land cover data.

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Krewson, Corey Nicholas. "Near Real-Time Flood Forecasts from Global Hydrologic Forecasting Models". BYU ScholarsArchive, 2019. https://scholarsarchive.byu.edu/etd/7476.

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This research assesses possible methods for extending the Streamflow Prediction Tool from a streamflow forecasting model to a flood extent forecasting model. This new flood extent forecasting model would allow valuable and easy to understand information be disseminated in a timely manner for flood preparation and flood response. The Height Above Nearest Drainage (HAND) method and AutoRoute method were considered for flood extent models but the HAND was the better option for its simple and quick computation as well as its viability on a global scale. Due to the importance of Digital Elevation Models (DEMs) in these flood extent models, an analysis was performed on the sensitivity and response of different DEMs with the HAND method. The HAND method with the differing DEMs was also analyzed using the Streamflow Prediction Tool for model boundary conditions against Sentinel-1 SAR generated flood extent images from August 24, 2017. The MERIT DEM performed the best in this analysis and is recommended for future research in creating a global forecasting flood extent model. The HAND method covered about 25% of the generated flood extent images and more complex flood extent models may need to be considered in areas where HAND underperforms. Finally, a proof of concept flood extent model was created and deployed as a web application for easy accessibility and distribution of flood information. Additional research to consider is flood impact based on affected population or an economic analysis, as well as optimizing model parameters for increased accuracy and performance. Additional research is also needed for HAND DEM analysis in other parts of the world.

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Yapo, Patrice O., Hoshin Vijai Gupta i Soroosh Sorooshian. "A multiobjective global optimization algorithm with application to calibration of hydrologic models". Department of Hydrology and Water Resources, University of Arizona (Tucson, AZ), 1997. http://hdl.handle.net/10150/615704.

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This report presents a new multiple objective optimization algorithm that is capable of solving for the entire Pareto set in one single optimization run. The multi-objective complex evolution (MOCOM-UA) procedure is based on the following three concepts: (1) population, (2) rank-based selection, and (3) competitive evolution. In the MOCOM-UA algorithm, a population of candidate solutions is evolved in the feasible space to search for the Pareto set. Ranking of the population is accomplished through Pareto ranking, where all points are successively placed on different Pareto fronts. Competitive evolution consists of selecting subsets of points (including all worst points in the population) based on their ranks and moving the worst points toward the Pareto set using the newly developed multi-objective simplex (MOSIM) procedure. Test analysis on the MOCOM-UA algorithm is accomplished on mathematical problems of increasing complexity and based on a bi-criterion measure of performance. The two performance criteria are: (1) efficiency, as measured by the ability of the algorithm to converge quickly, and (2) effectiveness, as measured by the ability of the algorithm to locate the Pareto set. Comparison of the MOCOM-UA algorithm against three multi-objective genetic algorithms (MOGAs) favors the former. In a realistic application, the MOCOM-UA algorithm is used to calibrate the Soil Moisture Accounting model of the National Weather Service River Forecasting Systems (NWSRFS-SMA). Multi-objective calibration of this model is accomplished using two bi-criterion objective functions, namely the Daily Root Mean Square-Heteroscedastic Maximum Likelihood Estimator (DRMS-HMLE) and rising limb /falling limb (RISE/FALL) objective functions. These two multi-objective calibrations provide some interesting insights into the influence of different objectives in the location of final parameter values, as well as limitations in the structure of the NWSRFS-SMA model.

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Duan, Qingyun. "A global optimization strategy for efficient and effective calibration of hydrologic models". Diss., The University of Arizona, 1991. http://hdl.handle.net/10150/185655.

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The successful application of a CRR model depends on how well we handle each phase of model calibration. Despite the popularity of CRR models, reports in the literature indicate that it is typically difficult, if not impossible, to obtain a unique set of optimal parameters for a CRR model. Unless the best set of parameters associated with a given calibration data set can be found, it is impossible to determine how sensitive the parameter estimates (and hence the model forecasts) are to factors such as input and output data error, model error, quantity and quality of data, objective function used, and so on. In this dissertation, results that clearly establish the nature of the problem of multiple optima in CRR models are presented. Based on these results it is shown why currently used optimization procedures have little chance of successfully finding the optimal parameter sets. This understanding is then used to develop a new global optimization procedure, the Shuffled Complex Evolution (SCE) method, which can efficiently and effectively identify the optimal values for the model parameters. The efficiency and effectiveness of the SCE method is first demonstrated on some theoretical test functions. It is then used to calibrate a research version of the SMA-NWSRFS model--the SIXPAR model. The SCE method is compared to other available methods used in practice on the theoretical test functions and the SIXPAR model. Finally, the SCE method is applied to the full scale SMA-NWSRFS model using both synthetic data and real data. The test results clearly indicate that the SCE method is superior to other methods tested in this research.

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Yapo, Patrice Ogou 1967. "A multiobjective global optimization algorithm with application to calibration of hydrologic models". Diss., The University of Arizona, 1996. http://hdl.handle.net/10150/290649.

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This dissertation presents a new multiple objective optimization algorithm that is capable of solving for the entire Pareto set in one single optimization run. The multi-objective complex evolution (MOCOM-UA) procedure is based on the following three concepts: (1) population, (2) rank-based selection, and (3) competitive evolution. In the MOCOM-UA algorithm, a population of candidate solutions is evolved in the feasible space to search for the Pareto set. Ranking of the population is accomplished through Pareto Ranking, where all points are successively placed on different Pareto fronts. Competitive evolution consists of selecting subsets of points (including all worst points in the population) based on their ranks and moving the worst points toward the Pareto set using the newly developed multi-objective simplex (MOSIM) procedure. Test analysis on the MOCOM-UA algorithm is accomplished on mathematical problems of increasing complexity and based on a bi-criterion measure of performance. The two performance criteria used are (1) efficiency, as measured by the ability of the algorithm to converge quickly and (2) effectiveness, as measured by the ability of the algorithm to locate the Pareto set. Comparison of the MOCOM-UA algorithm against three multi-objective genetic algorithms (MOGAs) favors the former. In a realistic application, the MOCOM-UA algorithm is used to calibrate the Soil Moisture Accounting model of the National Weather Service River Forecasting Systems (NWSRFS-SMA). Multi-objective calibration of this model is accomplished using two bi-criterion objective functions, namely the Daily Root Mean Square-Heteroscedastic Maximum Likelihood Estimator (DRMS, HMLE) and rising limb-falling limb (RISE, FALL) objective functions. These two multi-objective calibrations provide some interesting insights into the influence of different objectives in the location of final parameter values as well as limitations in the structure of the NWSRFS-SMA model.

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Wei, Xi. "A modelling approach to diagnose the impacts of global changes on hydrology, suspended sediment and organic carbon in an Asian tropical basin : the case of the Red River (China and Vietnam)". Thesis, Toulouse, INPT, 2019. http://www.theses.fr/2019INPT0109.

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Les bassins fluviaux asiatiques sont un important contributeur de matières en suspension et de carbone organique vers les océans. Cependant, ces bassins sont soumis à la variabilité climatique et aux activités humaines, modifiant le transport et le devenir de l'eau et des matières associées dans les fleuves, ainsi que les processus biochimiques côtiers. Le Fleuve Rouge est un bassin fluvial représentatif des fleuves asiatiques et joue un rôle important dans l'économie et l'agriculture en Chine et au Vietnam. Cependant, le manque de partage de données entre les pays et la difficulté des observations et des échantillonnages in situ rendent l’étude difficile pour l’ensemble du bassin, à la fois spatialement et temporellement. Afin de surmonter ces problèmes et de mieux comprendre la dynamique de transfert des ressources en eau et des matières et proposer des outils aux gestionnaires de l’eau, une utilisation interactive des mesures in situ, des observations de télédétection et des modélisations numériques est nécessaire. Ce travail propose de simuler la dynamique de transfert de l'eau, des sédiments en suspension (SS) et du carbone organique à l'échelle journalière dans le Fleuve Rouge, pour comprendre et quantifier leurs réponses aux impacts de la variabilité climatique et de la construction de barrages. Le modèle hydro-agroenvironnemental à base physique SWAT, combinant les données de télédétection pour les variables climatiques, a été appliqué dans cette étude pour simuler les débits et les sédiments en suspension. Six barrages (dont quatre mis en service depuis 2008) ont été implémentés. Le modèle a été calibré sur la base des données de débit observées (Q) et de concentration de matières en suspension (CSC) de 2000 à 2013 au niveau de cinq stations de mesure à un pas de temps journalier. Un scénario simulant les impacts de la variabilité climatique et des barrages sur Q et SS a été simulé. Les concentrations et les flux de carbone organique pour ces mêmes conditions, ont été calibrés puis simulés via le même scénario afin de quantifier séparément les impacts de la variabilité climatique et des barrages sur le transfert de COD et de COP. Cette étude a mis en évidence les impacts importants des barrages sur les flux de sédiments (-80%) et sur le carbone organique (COP, -85%; COD, -13%) ainsi que les impacts de la variabilité climatique sur Q (-9%). Sans barrages, le bassin du Fleuve Rouge aurait un flux spécifique élevé en matières en suspension (779 t km-² an-1) par rapport aux autres bassins asiatiques, bien que son exportation en flux soit faible en comparaison. L'érosion du sol due aux précipitations, à la pente et aux pratiques agricoles dans la zone centrale du bassin est le principal facteur contribuant au flux spécifique. Les flux spécifiques en COD (1.62 t km² an-1) et en COP (2.96 t km² an-1) du bassin du Fleuve Rouge sont plus de deux fois supérieurs à ceux des autres bassins asiatiques. Le contenu en carbone organique des sols, l’érosion et le lessivage sont les facteurs les plus influents. Le pourcentage de POC dans le Carbonne Organique Total (COT) a diminué de 86% à 74% jusqu'en 2007 puis à 47% après les nouveaux barrages. La construction de barrages a aussi modifié le rapport COP / COT. De simples relations entre la moyenne mensuelle Q et SF ont été établies dans cette étude pour estimer la SF à la sortie des affluents et du Fleuve Rouge, ce qui permet aux parties prenantes d’estimer la SF mensuelle sans utiliser le modèle SWAT. Les futures études sur le transfert d'autres éléments nutritifs et contaminants ainsi que l’impact des changements globaux peuvent être poursuivies sur la base de ce projet de modélisation
The Asian river basins are great contributors to sediments and organic carbon to the seas. However, these river basins are subject to the influence of climate variability and human activities, which alters the transport and fate of water and associated matter in rivers, and then modifies the coastal biochemical processes. The Red River is a representative Asian river basin and plays an important role in the economy and agriculture in China and Vietnam. However, lack of data sharing between countries and difficulty in in-situ observations and samplings, make the studythrough the whole basin difficult both spatially and temporally. In order to overcome these issues and better understand the water resources and matters transfer dynamics, interactive use of insitu measurements, remote sensing observations and numerical modellings are necessary. Thiswork proposed a modelling approach to simulate the transfer dynamics of water, suspended sediment (SS) and organic carbon at a daily scale in the Red River, and to understand and quantify their responses to the impacts of climate variability and dam constructions. The physicalbased SWAT model, combining the remote sensing data, was used in this study to simulate the water regime and suspended sediment. Six dams (two were operated before the study period and the other four started operation since 2008) were implemented in this model. The model was calibrated based on observed discharge (Q) and suspended sediment concentration (SSC) datafrom 2000 to 2013 at five gauge stations (the outlets of the main tributaries and of the continent basin) at a daily time step. After Q and SSC calibrated under actual conditions, a scenario ofnatural conditions (without any dams inside the basin) was modelled to disentangle and quantify the impacts of climate variability and dams on Q and sediment fluxes (SF). Dissolved and particulate organic carbon (DOC, POC) were calibrated based on observed Q, SSC and in-situ organic carbon sampling data. According to these relationships, the organic carbon concentrations and fluxes under actual and natural conditions are calculated, in order to further quantify the impacts of climate variability and dams on DOC and POC transfer. This study highlighted the strong impacts of dams on sediment fluxes (-80%) and organic carbon (POC, -85%; DOC, -13%), and the impacts of climate variability on Q (-9%). Without dams, the Red River basin would have a high specific sediment yield (779 t km-2 yr-1) compared to other Asian river basins, though its sediment export was low compared to them. The high soil erosion due to precipitation, slope and agricultural practice in the middle part of the basin is the main factor contributing to the specific sediment yield. The specific yields of DOC (1.62 t km2 yr-1) and POC (2.96 t km2 yr-1) of the RedRiver basin were more than twice those of other Asian basins. Soil organic carbon content and high soil erosion and leaching were the main influencing factors. The percentage of POC in total organic carbon (TOC) decreased from 86% to 74% until 2007 then to 47% with new dams. Damconstructions altered the TOC yield and POC/TOC ratio. Furthermore, simple rating curves between monthly mean Q and SF were established in this study for estimating SF at the outlet of the tributaries and the Red River, which enables stakeholders to estimate the monthly SF without using the SWAT model. Future studies on other nutrients and contaminants transfer and global changes can be carried on based on this modelling

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Nguyen, Chi Cong. "Improvement of Bayesian MCMC approaches for regional flood frequency analyses". Phd thesis, UNIVERSITÉ DE NANTES, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00851169.

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En hydrologie, un grand nombre d’études ont porté sur l’amélioration de l’estimation des quantiles de crues (débit maximum ou tout autre caractéristique de période de retour donnée). Cette estimation repose généralement sur des séries de crues maximales annuelles mesurées ou de valeurs dépassant un seuil. Cependant, les séries de données locales s’avèrent souvent trop courtes pour fournir des estimations fiables des quantiles de périodes de retour intermédiaires (typiquement 50 à 1000 ans). Sans informations supplémentaires pour affiner la forme de la distribution statistique, les résultats de l’analyse fréquentielle conduite s’avèrent généralement très incertains. Pour cette raison, les hydrologues ont tenté de faire usage de sources d’information alternatives. Plusieurs approches développées consistent en une "extension temporelle" du jeu de données, basée sur l’intégration des données historiques et préhistoriques (Hosking et al. 1985b, Hosking and Wallis 1986a;b, Stedinger and Tasker 1986, Cohn and Stadinger 1987, Gary and Stedinger 1987, Sutcliffe 1987, Minghui and Stedinger 1989, Sheffer et al. 2003, Reis et al. 2005, Werritty et al. 2006, Ribatet et al. 2007b; 2009, Neppel et al. 2010, Payrastre et al. 2011). D’autres approches couramment utilisées pour enrichir les jeux de données disponibles pour l’inférence statistique correspondent à une "extension spatiale", et consistent en la fusion de données considérées comme statistiquement homogènes pour construire un large échantillon régional de données (Hosking and Wallis 1997, Charles and Stedinger 1999, Ouarda et al. 2001, Kjeldsen et al. 2002, Merz and Bloschl 2003, Seidou et al. 2006, Ribatet et al. 2007a, Norbiato et al. 2007, Wallis et al. 2007, Kjeldsen and Jones 2009). La plupart de ces approches sont basées sur l’hypothèse du "simple scaling" qui suppose que les distributions statistiques des débits de crues ont une forme identique au sein d’une région homogène, et diffèrent simplement par un facteur d’échelle spécifique à chaque site : "l’index de crue" Dalrymple (1960). Pour permettre cette hypothèse, les régions considérées sont constituées de bassins versants qui se ressemblent climatologiquement et qui ont des mécanismes de production de crues semblables. Ils sont susceptibles d’être géographiquement contigus. Les résultats sont bien valables à condition que les hypothèses sur lesquelles l’analyse régionale des crues se fonde soient vérifiées. Malgré l’extension des jeux de données permise par ces approches, les quantiles estimés peuvent cependant rester incertains, notamment pour les bassins versants relativement petits et exposés à des crues de grande variabilité inter-annuelle. Face à ce constat, Gaume et al. (2010) a proposé une méthode permettant d’incorporer au sein d’une analyse régionale des crues, en complément des séries hydrométriques, des informations relatives aux crues extrêmes observées sur des bassins non-jaugés. Ces crues extrêmes, parce qu’elles sont généralement les plus fortes connues sur une période assez longue, constituent l’équivalent d’une longue série d’enregistrements supplémentaires, qui est susceptible d’améliorer grandement la précision d’estimation des quantiles de crue. L’approche proposée pour incorporer ces données est toujours basée sur le principe de l’index de crue Dalrymple (1960). Toutefois, si une approche classique consiste à estimer l’index de crue par la moyenne de l’échantillon observé sur chaque site (Hosking and Wallis 1997), le calcul de cette moyenne n’est pas possible sur des sites non-jaugés. L’approche proposée par Gaume et al. (2010) consiste par conséquent à calibrer une relation d’index de crue, qui est une fonction des caractéristiques du bassin versant, sa surface en l’occurrence, et qui permet donc d’évaluer l’index de crue sur n’importe quel site non-jaugé. Le recours à cette relation d’index de crue représente une contrainte supplémentaire d’homogénéité de la région considérée, sensée respecter la relation théorique. Le complément de paramétrisation que représente cette relation (un paramètre supplémentaire), combinée à l’hypothèse d’homogénéité de la relation au sein de la région considérée, est susceptible de limiter les performances de cette approche, malgré le fait que des données supplémentaires correspondant aux crues extrêmes peuvent être mobilisées. Cette thèse a été l’occasion de tester et d’évaluer les performances de cette approche (nommée "approche proposée" par la suite), par comparaison à une approche d’analyse régionale plus conventionnelle, et ceci dans plusieurs contextes de disponibilité des données et d’hétérogénéité des régions considérées. Les travaux menés ont également permis d’intégrer des développements supplémentaires à l’approche initiale développée par Gaume et al. (2010).

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Hameed, Maysoun Ayad. "Evaluating Global Sensitivity Analysis Methods for Hydrologic Modeling over the Columbia River Basin". PDXScholar, 2015. https://pdxscholar.library.pdx.edu/open_access_etds/2398.

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Global Sensitivity Analysis (GSA) approach helps to identify the effectiveness of model parameters or inputs and thus provides essential information about the model performance. The effects of 14 parameters and one input (forcing data) of the Sacramento Soil Moisture Accounting (SAC-SMA) model are analyzed by using two GSA methods: Sobol' and Fourier Amplitude Sensitivity Test (FAST). The simulations are carried out over five sub-basins within the Columbia River Basin (CRB) for three different periods: one-year, four-year, and seven-year. The main parameter sensitivities (first-order) and the interactions sensitivities (second-order) are evaluated in this study. Our results show that some hydrological processes are highly affected by the simulation length. In other words, some parameters reveal importance during the short period simulation (e.g. one-year) while other parameters are effective in the long period simulations (e.g. four-year and seven-year). Moreover, the reliability of the sensitivity analysis results is compared based on 1) the agreement between the two sensitivity analysis methods (Sobol' and FAST) in terms of highlighting the same parameters or input as the most influential parameters or input and 2) how the methods are cohered in ranking these sensitive parameters under the same conditions (sub-basins and simulation length). The results show that the coherence between the Sobol' and FAST sensitivity analysis methods. Additionally, it is found that FAST method is sufficient to evaluate the main effects of the model parameters and inputs. This study confirms that the Sobol' and FAST methods are reliable GSA methods that can be applied in different scientific applications. Finally, as a future work, we suggest to study the uncertainty associated with the sensitivity analysis approach regarding the reliability of evaluating different sensitivity analysis methods.

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Widén-Nilsson, Elin. "Global-Scale Modelling of the Land-Surface Water Balance : Development and Analysis of WASMOD-M". Doctoral thesis, Uppsala University, Department of Earth Sciences, 2007. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-8352.

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Water is essential for all life on earth. Global population increase and climate change are projected to increase the water stress, which already today is very high in many areas of the world. The differences between the largest and smallest global runoff estimates exceed the highest continental runoff estimates. These differences, which are caused by different modelling and measurement techniques together with large natural variabilities need to be further addressed. This thesis focuses on global water balance models that calculate global runoff, evaporation and water storage from precipitation and other climate data.

A new global water balance model, WASMOD-M was developed. Already when tuned against the volume error it reasonable produced within-year runoff patterns, but the volume error was not enough to confine the model parameter space. The parameter space and the simulated hydrograph could be better confined with, e.g., the Nash criterion. Calibration against snow-cover data confined the snow parameters better, although some equifinality still persisted. Thus, even the simple WASMOD-M showed signs of being overparameterised.

A simple regionalisation procedure that only utilised proximity contributed to calculate a global runoff estimate in line with earlier estimations. The need for better specifications of global runoff estimates was highlighted.

Global modellers depend on global data-sets that can have low quality in many areas. Major sources of uncertainty are precipitation and river regulation. A new routing method that utilises high-resolution flow network information in low-resolution calculations was developed and shown to perform well over all spatial scales, while the standard linear reservoir routing decreased in performance with decreasing resolution. This algorithm, called aggregated time-delay-histogram routing, is intended for inclusion in WASMOD-M.

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Boé, Julien. "Changement global et cycle hydrologique: Une étude de régionalisation sur la France". Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00256811.

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La France, comme la majeure partie de l'Europe risque d'être confrontée à des changements climatiques sévères au cours du 21ème siècle. Cette thèse se propose d'en étudier les impacts sur le cycle hydrologique, à l'échelle des bassins versant français.
Une méthode de désagrégation statistique, basée sur le concept de type de temps, est développée et mise en œuvre afin de régionaliser un ensemble de scénarios climatiques pour forcer un modèle hydro-météorologique. Des impacts sévères sont visibles dès le milieu du 21ème siècle, avec notamment une forte diminution des débits moyens en été et automne, et une large augmentation du nombre de jours d'étiage.
D'autres méthodes de désagrégation sont utilisées afin de tester la sensibilité des résultats
au choix de la méthode: celle-ci s'avère limitée. La principale source d'incertitude
réside en fait dans le choix du modèle climatique. Nous essayons pour finir de mieux comprendre les raisons physiques de cette dispersion des scénarios climatiques sur l'Europe.

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Boe, Julien. "Changement global et cycle hydrologique : une étude de régionalisation sur la France". Toulouse 3, 2007. http://thesesups.ups-tlse.fr/227/.

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La France, comme la majeure partie de l'Europe risque d'être confrontée à des changements climatiques sévères au cours du 21ème siècle. Cette thèse se propose d'en étudier les impacts sur le cycle hydrologique, à l'échelle des bassins versant français. Une méthode de désagrégation statistique, basée sur le concept de type de temps, est développée et mise en œuvre afin de régionaliser un ensemble de scénarios climatiques pour forcer un modèle hydro-météorologique. Des impacts sévères sont visibles dès le milieu du 21ème siècle, avec notamment une forte diminution des débits moyens en été et automne, et une large augmentation du nombre de jours d'étiage. D'autres méthodes de désagrégation sont utilisées afin de tester la sensibilité des résultats au choix de la méthode: celle-ci s'avère limitée. La principale source d'incertitude réside en fait dans le choix du modèle climatique. Nous essayons pour finir de mieux comprendre les raisons physiques de cette dispersion des scénarios climatiques sur l'Europe
As most of Europe, France might undergo severe climate changes during the 21st century. In this thesis we study the impacts of these changes on the hydrological cycle, at the scale of the French river basins. A statistical downscaling method, based on the concept on weather types is built and applied to regionalize an ensemble of climate scenarios in order to force an hydro-meteorological model. Severe impacts occur as soon as the middle of the 21st century, characterized by a strong decrease of mean river flows and a great increase in the occurrence of low-flow. Other downscaling methods are used in order to test the sensivity of the results to the choice of the method: this sensivity is limited. Actually, the main source of uncertainty lies in the choice of the climate model. To finish, we try to better understand the reasons for the spread of the climate change scenarios over Europe

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Boe, Julien Terray Laurent Habets Florence. "Changement global et cycle hydrologique une étude de régionalisation sur la France /". Toulouse (Université Paul Sabatier, Toulouse 3), 2008. http://thesesups.ups-tlse.fr/227.

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Kauffeldt, Anna. "Disinformative and Uncertain Data in Global Hydrology : Challenges for Modelling and Regionalisation". Doctoral thesis, Uppsala universitet, Luft-, vatten och landskapslära, 2014. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-236864.

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Water is essential for human well-being and healthy ecosystems, but population growth and changes in climate and land-use are putting increased stress on water resources in many regions. To ensure water security, knowledge about the spatiotemporal distribution of these resources is of great importance. However, estimates of global water resources are constrained by limitations in availability and quality of data. This thesis explores the quality of both observational and modelled data, gives an overview of models used for large-scale hydrological modelling, and explores the possibilities to deal with the scarcity of data by prediction of flow-duration curves. The evaluation of the quality of observational data for large-scale hydrological modelling was based on both hydrographic data, and model forcing and evaluation data for basins worldwide. The results showed that a GIS polygon dataset outperformed all gridded hydrographic products analysed in terms of representation of basin areas. Through a screening methodology based on the long-term water-balance equation it was shown that as many as 8–43% of the basins analysed displayed inconsistencies between forcing (precipitation and potential evaporation) and evaluation (discharge) data depending on how datasets were combined. These data could prove disinformative in hydrological model inference and analysis. The quality of key hydrological variables from a numerical weather prediction model was assessed by benchmarking against observational datasets and by analysis of the internal land-surface water budgets of several different model setups. Long-term imbalances were found between precipitation and evaporation on the global scale and between precipitation, evaporation and runoff on both cell and basin scales. These imbalances were mainly attributed to the data assimilation system in which soil moisture is used as a nudge factor to improve weather forecasts. Regionalisation, i.e. transfer of information from data-rich areas to data-sparse areas, is a necessity in hydrology because of a lack of observed data in many areas. In this thesis, the possibility to predict flow-duration curves in ungauged basins was explored by testing several different methodologies including machine learning. The results were mixed, with some well predicted curves, but many predicted curves exhibited large biases and several methods resulted in unrealistic curves.
Vatten är en förutsättning för människors och ekosystems hälsa, men befolkningsökning och förändringar av klimat och markanvändning förväntas öka trycket på vattenresurserna i många regioner i världen. För att kunna säkerställa en god tillgång till vatten krävs kunskap om hur dessa resurser varierar i tid och rum. Tillförlitligheten hos skattningar av globala vattenresurser begränsas dock både av begränsad tillgänglighet av och kvalitet hos observerade data. Denna avhandling utforskar kvaliteten av såväl observations- som modellbaserade data, ger en överblick över modeller som används för storskalig hydrologisk modellering och utforskar möjligheterna att förutsäga varaktighetskurvor som ett sätt att hantera bristen på data i många områden. Utvärderingen av observationsbaserade datas kvalitet baserades på hydrografiska data och driv- och utvärderingsdata för storskaliga hydrologiska modeller. Resultaten visade att en uppsättning data över hydrografin baserad på GIS-polygoner representerade avrinningsområdesareorna bättre än alla de som byggde på rutor. En metod baserad på långtidsvattenbalansen identifierade att kombinationen av drivdata (nederbörd och potentiell avdunstning) och utvärderingsdata (vattenföring) var fysiskt orimlig för så många som 8–43 % av de analyserade avrinningsområdena beroende på hur olika datauppsättningar kombinerades. Sådana data kan vara desinformativa för slutsatser som dras av resultat från hydrologiska modeller och analyser. Kvaliteten hos hydrologiskt viktiga variabler från en numerisk väderprognosmodell utvärderades dels genom jämförelser med observationsdata och dels genom analys av landytans vattenbudget för ett flertal olika modellvarianter. Resultaten visade obalanser mellan långtidsvärden av nederbörd och avdunstning i global skala och mellan långtidsvärden av nederbörd, avdunstning och avrinning i både modellrute- och avrinningsområdesskala. Dessa obalanser skulle till stor del kunna förklaras av den data assimilering som görs, i vilken markvattenlagret används som en justeringsfaktor för att förbättra väderprognoserna. Regionalisering, som innebär en överföring av information från områden med god tillgång på mätdata till områden med otillräcklig tillgång, är i många fall nödvändig för hydrologisk analys på grund av att mätdata saknas i många områden. I denna avhandling utforskades möjligheten att förutsäga varaktighetskurvor för avrinningsområden utan vattenföringsdata genom flera metoder inklusive maskininlärning. Resultaten var blandade med en del kurvor som förutsas väl, och andra kurvor som visade stora systematiska avvikelser. Flera metoder resulterade i orealistiska kurvor (ickemonotona eller med negativa värden).

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Kouame, Brou. "Adéquation de différents modèles globaux pluie-débit pour déterminer les apports en eau dans les zones de transition et de forêt de la Côte - d'Ivoire : essai de régionalisation des paramètres". Montpellier 2, 1992. http://www.theses.fr/1992MON20249.

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Dans un but d'evaluation des ressources en eau dans les zones de transition et de foret de la cote d'ivoire, plusieurs modeles globaux pluie-debit sont testes. Ces modeles au pas de temps annuel, mensuel et journalier sont cales sur un ensemble de 90 stations-annees en foret et 54 en zone de transition, reparties en 27 bassins versants de 100 a 7000 km#2. L'analyse des differents calages fait ressortir une adequation satisfaisante du modele au pas de temps mensuel dans la restitution des hydrogrammes. Les modeles au pas de temps journalier ont conduit a des resultats de qualite diverse du fait, d'une part de problemes lies a la qualite des donnees journalieres, issues des reseaux de mesure et souvent entachees d'erreurs, et, d'autre part, des algorithmes eux-memes qui prennent insuffisamment en compte les differences de saturation du sol en saison seche et en saison des pluies. Ce travail permet neanmoins d'offrir un panel complet de methodes d'evaluation des ressources en eau, valide sur l'ensemble du territoire ivoirien

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Probst, Jean-Luc. "Géochimie et hydrologie de l'érosion continentale : mécanismes, bilan global actuel et fluctuations au cours des 500 derniers millions d'années /". Strasbourg : Institut de géologie, 1993. http://catalogue.bnf.fr/ark:/12148/cb356968656.

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Payan, Jean-Luc. "Prise en compte de barrages-réservoirs dans un modèle global pluie-débit". Phd thesis, ENGREF (AgroParisTech), 2007. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00003555.

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Les bassins versants influencés par la présence de barrages-réservoirs constituent les objets d'étude de cette thèse. L'objectif principal est de mettre au point une méthode de prise en compte, au sein d'un modèle pluie-débit global, de l'impact de retenues d'eau artificielles sur le comportement hydrologique du bassin versant. Un tel outil, simple dans sa conception, doit permettre d'améliorer la simulation des débits de bassins versants influencés et d'évaluer l'impact de barrages-réservoirs sur le régime hydrologique des cours d'eau, en particulier lorsque l'on se place loin à l'aval de l'ouvrage. La démarche adoptée est empirique dans le sens où l'on a cherché, sur une base de données de 46 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis et au Brésil, à exploiter au mieux, dans la structure du modèle pluie-débit, une information simple sur les ouvrages, à savoir l'évolution temporelle des volumes stockés dans les retenues. La diversité des conditions hydro-climatiques présentes dans la base de données donne aux résultats obtenus un caractère assez général. Au cours de cette thèse, un grand nombre de solutions de prise en compte des barrages-réservoirs a été testé. Les résultats montrent que cette information sur les remplissages des ouvrages peut être utilement exploitée au sein d'une structure de modèle global pour améliorer la simulation des bassins influencés. Les solutions qui se sont révélées être les plus performantes n'engendrent pas de complexification de la structure initiale du modèle puisqu'aucun ajout de paramètre n'a été nécessaire. Des gains de performances significatifs ont été réalisés, en particulier sur la simulation des étiages. Il s'agit d'un résultat important de la thèse car il montre qu'il est possible de prendre explicitement en compte, dans un modèle pluie-débit global, les barrages-réservoirs présents sur le bassin versant. Nous avons ensuite essayé de comprendre le lien entre la méthode de prise en compte des barrages-réservoirs et certaines caractéristiques physiques des bassins versants et des ouvrages de stockage afin de tenter d'adapter la solution au bassin versant considéré. Les résultats de ces tests ont montré que ce lien est difficile à mettre en évidence et qu'à ce stade, une solution générique semble la plus efficace. La solution la plus performante a ensuite été évaluée sur un échantillon complémentaire de 31 bassins versants n'ayant pas servi à son développement. L'évaluation a confirmé l'intérêt de la méthode pour l'amélioration des simulations des débits mais a également montré sa sensibilité à la disponibilité des données de stockages ainsi qu'aux transferts interbassins inconnus.

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Magand, Claire. "Influence de la représentation des processus nivaux sur l'hydrologie de la Durance et sa réponse au changement climatique". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01027409.

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Le bassin versant de la Durance assure 10% de la production hydroélectrique française, et alimente en eau potable de nombreuses villes du pourtour méditerranéen. Sa partie alpine contribue à près de la moitié des débits à sa confluence avec le Rhône. Connaître les impacts du changement climatique sur l'hydrologie de la Durance présente donc un enjeu de taille pour l'avenir de la population provençale. A cette fin, les modèles hydrologiques sont devenus des outils indispensables. Cependant, le manteau neigeux, de par sa forte variabilité spatiale, est particulièrement difficile à modéliser. Une attention particulière a été portée à la compréhension des processus nivaux, dominants dans la partie amont du bassin, et à leur représentation dans le modèle de surface continentale CLSM. L'analyse de mesures d'extension et de hauteur du manteau neigeux nous a amenés à modifier le schéma de neige de CLSM, en introduisant une hystérésis dans la relation entre ces deux variables. Nous avons ensuite évalué le potentiel devenir sous changement climatique de l'hydrosystème. Les résultats des simulations de CLSM, réalisées à l'aide de 330 scénarios climatiques, ont été confrontés à ceux de cinq autres modèles hydrologiques. Tous s'accordent sur une baisse significative des débits annuels, avec des modifications du régime hydrologique différentes selon les zones. L'incertitude reste importante sur la magnitude des changements de débits, principalement due aux scénarios climatiques. La part d'incertitude associée aux modèles hydrologiques varie selon les saisons, mettant en évidence une plus grande difficulté à représenter les processus nivaux et ceux liés à l'évapotranspiration.

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Ashby, Kyler Ralph. "GEOGloWS HydroViewer: Open Software-as-a-Service for Localizing Global Hydrologic Forecasts of the Group on Earth Observations Global Water Sustainability Initiative". BYU ScholarsArchive, 2021. https://scholarsarchive.byu.edu/etd/8912.

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Earth observation data is increasingly ubiquitous, easily accessible, freely available, and generally usable due to improvements in software, data standards, network infrastructure, and national policies. As a result, greater opportunities arise for using these data in a wider field of application including decision support for local and regional environmental and water resources management efforts. In parts of the world where in situ data are less readily available, global Earth observation data used in such decision support tools can be a boon to underfunded government and private water management agencies. The United Nations Group on Earth Observations Global Water Sustainability initiative (GEOGloWS) works to coordinate such solutions, bringing global water management capabilities to local decision makers. The recent development and deployment of a global hydrologic modelling system based on historical simulations and daily ensemble forecasts from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) using Earth observations and streamflow routing on every river of the world results in a highly informative and potentially transformative dataset for users at local scales. However, for this data to reach its full potential at the local level, it needs to be subsetted at a regional or local scale, presented in a local geographic context, and interpreted in terms of local water management challenges. Furthermore, this subsetting allows for customization to support the way information is used and the kinds of decisions that are made. This paper presents the design, development, and experimental testing of the GEOGloWS HydroViewer, which is an open source, web-based software that effectively localizes global ECMWF forecasts to meet the needs of water managers and decision makers through subsetting the mapping and modelling services and supporting other customization as needed. The unique Software-as-a-Service (SaaS) deployment method, developed and tested here, allows for individual water management agencies to automatically generate custom HydroViewer applications that can be managed and/or customized depending on need and capacity in-country without reliance on external software and capacity, removing typical interdependence relationships that often define technology transfer to developing countries.

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Hamlet, Alan F. "Hydrologic implications of 20th century warming and climate variability in the western U.S. /". Thesis, Connect to this title online; UW restricted, 2006. http://hdl.handle.net/1773/10132.

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Baptista, Marcio. "Contribution à l'étude de la propagation de crues en hydrologie". Phd thesis, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1990. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00568722.

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L'étude de la propagation de crues est un problème assez complexe et fastidieux du fait des nombreuses données hydrologiques et hydrauliques nécessaires et des calculs impliqués par la résolution numérique des équations de Saint Venant. Il est donc utile, en particulier dans le domaine de l'hydrologie, de disposer de méthodes simples et assez fiables pour traiter ce phénomène. Dans ce travail on a cherché à avoir une vision globale du phénomène, par la connaissance approchée du rôle de quelques paramètres descriptifs des cours d'eau et des crues. L'utilisation de ces paramètres dans des modèles simplifiés de propagation a été l'objectif de cette thèse. Tout d'abord, à partir d'un modèle diffusif linéaire, proposé par Hayami, et moyennant quelques hypothèses simplificatrices sur la forme des hydrogrammes, on a pu proposer une méthodologie d'évaluation de la propagation de pointes de crues. Ensuite on s'est intéressé au modèle complet de Saint Venant et à partir d'une analyse a posteriori des résultats de plusieurs simulations de propagation selon ce modèle, on a proposé des modèles simplifiés de propagation, portant toujours sur la pointe de crue. Enfin on a étudié l'applicabilité de ces modèles sur des cours d'eau et des crues réels.

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Magand, Claire. "Influence de la représentation des processus nivaux sur l'hydrologie de la Durance et sa réponse au changement climatique". Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066398.

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Le bassin versant de la Durance assure 10% de la production hydroélectrique française, et alimente en eau potable de nombreuses villes du pourtour méditerranéen. Sa partie alpine contribue à près de la moitié des débits à sa confluence avec le Rhône. Connaître les impacts du changement climatique sur l’hydrologie de la Durance présente donc un enjeu de taille pour l’avenir de la population provençale. A cette fin, les modèles hydrologiques sont devenus des outils indispensables. Cependant, le manteau neigeux, de par sa forte variabilité spatiale, est particulièrement difficile à modéliser. Une attention particulière a été portée à la compréhension des processus nivaux, dominants dans la partie amont du bassin, et à leur représentation dans le modèle de surface continentale CLSM. L'analyse de mesures d’extension et de hauteur du manteau neigeux nous a amenés à modifier le schéma de neige de CLSM, en introduisant une hystérésis dans la relation entre ces deux variables. Nous avons ensuite évalué le potentiel devenir sous changement climatique de l’hydrosystème. Les résultats des simulations de CLSM, réalisées à l’aide de 330 scénarios climatiques, ont été confrontés à ceux de cinq autres modèles hydrologiques. Tous s'accordent sur une baisse significative des débits annuels, avec des modifications du régime hydrologique différentes selon les zones. L’incertitude reste importante sur la magnitude des changements de débits, principalement due aux scénarios climatiques. La part d’incertitude associée aux modèles hydrologiques varie selon les saisons, mettant en évidence une plus grande difficulté à représenter les processus nivaux et ceux liés à l’évapotranspiration
The Durance watershed, located in the French Alps, generates 10% of French hydropower and provides drinking water to about 3 million people. The upstream part of this catchment, where snowfall accounts for more than 50% of the precipitation, is responsible for almost half of the total runoff whereas it accounts for only 25% of the area. To assess the impacts of climate change on the water resources, hydrological models are now commonly used. The snow cover is, however, difficult to simulate because it is highly variable in both space and time. Therefore, special attention has been given to understanding the snow processes in this alpine environment, and to their representation in a land surface model, the CLSM. The analysis of snow-cover extent and height observations has lead us to modify the snow scheme of the CLSM, by introducing a hysteresis in the snow depletion curve. Then, we quantified the possible evolution of the Durance hydrosystem using 330 climate change scenarios. The results of the CLSM are compared with those of five other hydrological models. All models are in agreement in predicting a significant reduction of discharge with some different modifications of the hydrological regime depending on the different zones of the catchment. Uncertainties remain important concerning the magnitude of discharge changes, mainly due to the climatic scenarios. The uncertainty related to hydrological modelling is indeed low but varies depending on the season. This highlights some of the difficulties in using hydrological models to correctly represent snow processes and evapotranspiration processes especially under water stress

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Hough-Snee, Nathaniel. "Relationships between Riparian Vegetation, Hydrology, Climate and Disturbance across the Western United States". Thesis, Utah State University, 2016. http://pqdtopen.proquest.com/#viewpdf?dispub=10154374.

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Flow regime, the magnitude, duration and timing of streamflow, controls the development of floodplain landforms on which riparian vegetation communities assemble. Streamflow scours and deposits sediment, structures floodplain soil moisture dynamics, and transports propagules. Flow regime interacts with environmental gradients like climate, land-use, and biomass-removing disturbance to shape riparian plant distributions across landscapes. These gradients select for groups of riparian plant species with traits that allow them to establish, grow, and reproduce on floodplains – riparian vegetation guilds. Here I ask, what governs the distributions of groups of similar riparian plant species across landscapes? To answer this question, I identify relationships between riparian vegetation guilds and communities and environmental gradients across the American West. In Chapter One, I discuss guild-based classification in the context of community ecology and streams. In Chapter Two, I identified five woody riparian vegetation guilds across the interior Columbia and upper Missouri River Basins, USA, based on species’ traits and morphological attributes. I modeled guild occurrence across environmental gradients, including climate, disturbance, channel form attributes that reflect hydrology, and relationships between guilds. I found guilds’ distributions were related to hydrology, disturbance, and competitive or complementary interactions (niche partitioning) between co-occurring guilds. In Chapter Three, I examine floodplain riparian vegetation across the American West, identifying how hydrology, climate, and floodplain alteration shape riparian vegetation communities and their guilds. I identified eight distinct plant communities ranging from high elevation mixed conifer forests to gallery cottonwood forests to Tamarisk-dominated novel shrublands. I aggregated woody species into four guilds based on their traits and morphological attributes: an evergreen tree guild, a mesoriparian shrub guild, a mesoriparian tree guild, and a drought and hydrologic disturbance tolerant shrub guild. Communities and guilds’ distributions were governed by climate directly, and indirectly as mediated through streamflow. In Chapter Four, I discuss the utility of guild-based assessments of riparian vegetation, current limitations to these approaches, and potential future applications of the riparian vegetation guild concept to floodplain conservation and management. The classification of vegetation into functional trait-based guilds provides a flexible, framework from which to understand riparian biogeography, complementing other models frameworks for riparian vegetation.

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Emmanuel, Isabelle. "Evaluation de l'apport de la mesure de pluie par radar météorologique pour la modélisation pluie-débit de petits bassins versants". Phd thesis, Ecole centrale de Nantes, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00709754.

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Le lien entre la variabilité spatiale de la pluie et la réponse hydrologique des bassins versants devient un sujet important au moment où l'usage des images radar météorologique se développe. Ce développement soulève la question suivante : quel niveau de détails faut-il prendre en compte pour la distribution spatiale des précipitations en modélisation pluie-débit ? Cette question a été abordée par de nombreuses études mais aucune conclusion claire n'a encore été établie. L'objectif de cette thèse est d'évaluer dans quel contexte une connaissance détaillée des précipitations est pertinente pour la modélisation des débits à l'exutoire de bassins versants de quelques dizaines à quelques centaines de km² et, ceci, en procédant par simulation. Afin de limiter les erreurs de modélisation et de mesure de pluie, de contrôler la variabilité spatiale des précipitations ainsi que les caractéristiques et le fonctionnement hydrologique des bassins versants, une chaîne de simulation, comprenant un simulateur de pluie, un simulateur de bassins versants et un modèle pluie-débit distribué, a été utilisée. Deux niveaux de connaissance des champs pluvieux ont été considérés : une connaissance détaillée et une moyennée. Les résultats des tests réalisés indiquent que la prise en compte de la variabilité spatiale des champs pluvieux peut représenter une plus-value pour estimer les débits, plus-value qui est cependant dépendante des caractéristiques des champs pluvieux et des bassins versants. Une étude de cas, effectuée sur un vrai bassin versant et en utilisant des champs pluvieux mesurés par radar, nous a permis d'aborder la vérification de la pertinence des résultats obtenus par simulation.

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Probst, Jean-Luc. "Geochimie et hydrologie de l'erosion continentale. Mecanismes, bilan global actuel et fluctuations au cours des 500 derniers millions d'annees". Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008), 1990. http://www.theses.fr/1990STR13145.

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Les mecanismes et les bilans de l'erosion continentale et des transferts de matieres continent-ocean sont etudies a differentes echelles de temps (actuel, 100 ans, 500 ma) et d'espace (petits et grands bassins versants, continents). On analyse les variations de debits de 50 grands fleuves et on reconstitue les variations du drainage continental global pour les 100 dernieres annees et pour les 500 ma. On etablit les relations entre le drainage et la temperature globale de l'air. On correle la charge en suspension des fleuves avec le debit du ruissellement superficiel estime par decoupage des hydrogrammes et par analyse spectrale. On presente les bilans de l'erosion mecanique et chimique calcules sur les differents bassins etudies en europe, en afrique et en amerique du sud. Les bilans d'erosion chimique fournissent le flux de co#2 atmospherique consomme par l'alteration des roches. On reconstitue les variations de ce flux au cours des 100 dernieres annees. L'etude des differents facteurs de l'erosion (variables hydroclimatiques et etats de surface) permet d'etablir des regressions multiples entre ces facteurs et les transports fluviaux dissous et particulaires. Enfin, on reconstitue les variations de l'erosion continentale au cours des 500 ma a partir des masses de sediments restant aujourd'hui et on compare ces variations avec les fluctuations de drainage calculees

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Waibel, Michael Scott. "Model Analysis of the Hydrologic Response to Climate Change in the Upper Deschutes Basin, Oregon". PDXScholar, 2010. https://pdxscholar.library.pdx.edu/open_access_etds/45.

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Considerable interest lies in understanding the hydrologic response to climate change in the upper Deschutes Basin, particularly as it relates to groundwater fed streams. Much of the precipitation occurring in the recharge zone falls as snow. Consequently, the timing of runoff and recharge depend on accumulation and melting of the snowpack. Numerical modeling can provide insights into evolving hydrologic system response for resource management consideration. A daily mass and energy balance model known as the Deep Percolation Model (DPM) was developed for the basin in the 1990s. This model uses spatially distributed data and is driven with daily climate data to calculate both daily and monthly mass and energy balance for the major components of the hydrologic budget across the basin. Previously historical daily climate data from weather stations in the basin was used to drive the model. Now we use the University of Washington Climate Impact Group's 1/16th degree daily downscaled climate data to drive the DPM for forecasting until the end of the 21st century. The downscaled climate data is comprised from the mean of eight GCM simulations well suited to the Pacific Northwest. Furthermore, there are low emission and high emission scenarios associated with each ensemble member leading to two distinct means. For the entire basin progressing into the 21st century, output from the DPM using both emission scenarios as a forcing show changes in the timing of runoff and recharge as well as significant reductions in snowpack. Although the DPM calculated amounts of recharge and runoff varies between the emission scenario of the ensemble under consideration, all model output shows loss of the spring snowmelt runoff / recharge peak as time progresses. The response of the groundwater system to changing in the time and amount of recharge varies spatially. Short flow paths in the upper part of the basin are potentially more sensitive to the change in seasonality. However, geologic controls on the system cause this signal to attenuate as it propagates into the lower portions of the basin. This scale-dependent variation to the response of the groundwater system to changes in seasonality and magnitude of recharge is explored by applying DPM calculated recharge to an existing regional groundwater flow model.

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Saadi, Mohamed. "Représentation de l’urbanisation dans la modélisation hydrologique à l’échelle du bassin versant". Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2020. http://www.theses.fr/2020SORUS374.

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Afin de déterminer l'impact hydrologique de l'étalement urbain à venir, la modélisation hydrologique est très utile car elle permet de traduire les scénarios d'urbanisation en scénarios hydrologiques en tenant compte de la variabilité climatique. Malgré la diversité actuelle des modèles hydrologiques applicables sur les bassins urbanisés, ces modèles sont en général développés sur un nombre limité de bassins versants, ce qui pose la question de leur robustesse. L'objectif de cette thèse est de chercher une structure de modèle hydrologique capable de reproduire la relation pluie-débit pour un large échantillon de bassins versants urbanisés, situés en France et aux États-Unis, et caractérisés par différents niveaux d'étalement urbain. Pour ce faire, nous sommes partis d'une structure de modèle conceptuel (GR4H), fonctionnant au pas de temps horaire mais non dédiée aux bassins versants urbanisés. Pour arriver à nos objectifs, nous avons considéré quatre étapes : (1) la collecte et la préparation d'un large échantillon de données pour plus de 2000 bassins versants situés en France et aux États-Unis. L'analyse de la variabilité des coefficients de ruissellement de 852 bassins nord-américains a montré une dépendance non seulement au taux moyen d'imperméabilité totale (TIA), mais aussi aux conditions d'humidité du sol quel que soit le niveau d'étalement urbain du bassin versant ; (2) le test de la structure de départ sur les bassins fortement urbanisés. Cette étape a montré l'aptitude des paramètres du modèle GR4H à traduire les spécificités du comportement hydrologique en contexte urbanisé ; (3) la régionalisation des paramètres de la structure de départ GR4H pour les lier à la fraction du couvert urbain. Les relations de régression obtenues ont été performantes mais peu sensibles à la caractérisation du couvert urbain ; (4) la modification pas-à-pas de la structure de GR4H en rajoutant le ruissellement sur les surfaces imperméables, et en variant le partage entre écoulement rapide et écoulement lent en fonction de chaque bassin. L'évaluation de ces modifications sur 273 bassins versants urbanisés a indiqué une amélioration de la simulation des écoulements surtout lors des périodes sèches et des périodes de crue. Les paramètres rajoutés ont montré une forte dépendance au taux moyen d'imperméabilité totale. Les travaux de cette thèse montrent un exemple de démarche constructive de développement de modèle hydrologique, par laquelle nous avons réussi à améliorer la représentation de l'urbanisation au sein du modèle tout en obtenant de meilleurs résultats en comparant avec des séries observées. Un effort de régionalisation de la nouvelle structure en exploitant des mesures de fragmentation du paysage urbain permettra une étude d'impact de différents schémas d'urbanisation future sur la réponse hydrologique
In order to determine the hydrological impact of future urban development, hydrological modeling is very useful because it allows obtaining hydrological scenarios from urbanization scenarios by considering climate variability. Despite the current diversity of applicable hydrological models to urbanized catchments, those models were generally tested on few catchments, which raises the question of their robustness. The objective of this thesis is to look for a hydrological model structure that is able to reproduce the rainfall-runoff relationship for a large sample of urbanized catchments, located in France and the United States, and characterized by a wide variety of urban sprawl. To do so, we started from an hourly conceptual model structure (GR4H) which was not specifically developed nor tested on highly urbanized catchments. We followed four steps: (1) The collection and preparation of a large sample of data for more than 2000 catchments located in France and the United States. The analysis of the variability of event runoff ratio for 852 US catchments showed the dependence of catchment response not only on mean total impervious area (TIA), but also on antecedent soil moisture conditions regardless of the level of urban sprawl in the catchment; (2) The test of the starting model structure on highly urbanized catchments. This step showed the ability of GR4H parameters to reflect the behavioral specificities of urbanized catchments; (3) The regionalization of GR4H parameters in order to relate them to the fraction of urban cover in the catchment. The obtained regression relationships performed well but showed weak sensitivity to change in the fraction of urban cover, which impeded their use for scenario prediction; (4) The step-by-step modification of the GR4H model structure by including excess rainfall on impervious surfaces, and by varying the partitioning between quick flow and slow flow depending on each catchment. The evaluation of these modifications on 273 urbanized catchments indicated an improvement in reproducing the observed flows in comparison to the original structure, especially during dry and flooding periods. The added parameters showed a strong dependence on the mean total impervious area. This thesis work illustrates a constructive modeling approach by which we have succeeded in both (1) improving the representation of urbanization within the model and (2) obtaining better simulation of catchment response. An effort of regionalizing the new model structure using measures of urban landscape fragmentation will allow to better estimate the impact of different urban planning schemes on the hydrological behavior at the catchment scale

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Freedman, Vicky Lynn 1963. "Erosion parameter identification in overland flow areas: Application of a global and local search algorithm". Thesis, The University of Arizona, 1996. http://hdl.handle.net/10150/278533.

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Two optimization algorithms and two objective functions were applied to determine erosion parameters for a physically-based, event-oriented model designed to simulate the processes of sedimentation for small watersheds. Three different flow-induced erosion equations were also tested with the four optimization procedures to examine the predictive capabilities of the equations. Synthetic error-free data as well as data contaminated with correlated and random error provided the means for determining the effectiveness of the four optimization procedures studied. After selecting the most effective optimization procedure and flow-induced erosion equation, the model was tested using sediment data from rainfall simulator plots and a small experimental watershed. The results from the rainfall simulator studies indicated that a structural problem may exist within the model. The agreement between simulated and observed responses for the watershed events studied indicated that the model was capable of describing sedimentation processes when they occurred on a larger scale.

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Grogan, Danielle Sarah. "Global and regional assessments of unsustainable groundwater use in irrigated agriculture". Thesis, University of New Hampshire, 2016. http://pqdtopen.proquest.com/#viewpdf?dispub=10117670.

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Groundwater is an essential input to agriculture world-wide, but it is clear that current rates of groundwater use are unsustainable in the long term. This dissertation assesses both current use of groundwater for country- to global-scale agriculture, and looks at the future of groundwater. The focus is on 1) quantifying food directly produced as a result of groundwater use across spatially-varying agricultural systems, 2) projecting future groundwater demands with consideration of climate change and human decision-making, and 3) understanding the system dynamics of groundwater re-use through surface water systems. All three are addressed using a process-based model designed to simulate both natural and human-impacted water systems.

Irrigation can significantly increase crop production. Chapter 1 combines a hydrology model (WBM) with a crop model to quantify current crop production that is directly attributed to groundwater irrigation in China. Unsustainably-sourced groundwater — defined as groundwater extracted in excess of recharge — accounted for a quarter of China’s crop production, and had significant spatial variability. Climate variability and groundwater demand magnified one another in hot and dry years, causing increased irrigation demand at the same time as limited surface water supplies.

Human decisions about water resource management can impact both the demand and sustainability of groundwater use. Chapter 2 takes an interdisciplinary approach to projecting India’s future (to 2050) groundwater demands, combining hydrology and econometric modeling. The econometric model projects how humans make decisions to expand or contract the irrigated land area of crops in response to climate change. Even in areas with precipitation increases, human decisions to expand irrigated areas led to increasing demands for groundwater. We additionally assessed the potential impact of a large water infrastructure project to alleviate groundwater demands in India, and found that maximum alleviation (up to 16%) was dependent upon the storage volume and location of new reservoirs.

One proposed method for reducing the world’s demand for groundwater is to increase the efficiency of agricultural water use. However, these same inefficiencies cause a portion of extracted groundwater to enter surface water systems; it can then be reused, creating a complex system in which groundwater demand does not linearly decline with increased water use efficiency. Chapter 3 quantifies the amount of groundwater that enters surface water systems, the number of times this water is reused for agriculture, and the minimum amount of groundwater required by current agricultural systems in the hypothetical scenario of perfect irrigation efficiency.

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Al, Nazer Safaa. "Sur la modélisation du transport réactif dans les réserves d’eaux potables". Thesis, Littoral, 2020. http://www.theses.fr/2020DUNK0566.

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Cette thèse est consacrée à l’étude du transport réactif dans les réserves en eaux. Elle est structurée en deux parties distinctes : la première porte sur l’élaboration de solveurs chimiques et la seconde sur l’étude mathématique d’une classe de modèles décrivant des écoulements en eaux peu profondes en interaction avec les eaux de surface.Dans la première partie du travail, on s’intéresse à la résolution numérique des équilibres thermodynamiques qui conduisent à des systèmes non linéaires complexes et très mal conditionnés. Dans ce travail, on combine une formulation particulière du système d’équilibre chimique, appelée la méthode des fractions continues positives, avec deux méthodes numériques itératives, la méthode d’Accélération d’Anderson et des méthodes d’extrapolation vectorielle, à savoir les méthodes MPE (minimal polynomial extrapolation) et RRE (reduced rank extrapolation). Le principal avantage de ces approches est d’éviter de former la matrice jacobienne et donc d’éviter les problèmes liés aux mauvais conditionnements de la matrice. Des tests numériques sont faits, notamment sur le cas test de l’acide gallique et sur le cas test 1D de référence du benchmark MoMas. Ces essais illustrent la grande efficacité de cette approche par rapport aux résolutions classiques résultant de la méthode de Newton-Raphson. Dans la seconde partie de la thèse, on introduit et étudie des modèles de type Richards-Dupuit pour décrire les écoulements dans des aquifères peu profonds. L’idée est de coupler les deux types d’écoulements principaux présents dans l’aquifère : celui de la partie insaturée avec celui de la partie saturée. Le premier est décrit par le problème classique de Richards dans la frange capillaire supérieure.Le second résulte de l’approximation de Dupuit après intégration verticale des lois de conservation entre le fond de l’aquifère et l’interface de saturation. Le modèle final consiste en un système fortement couplé d’edp de type parabolique qui sont définies sur un domaine dépendant du temps. Nous montrons comment la prise en compte de la faible compressibilité du fluide permet d’éliminer la dégénérescence présente dans la dérivée temporelle de l’équation de Richards. Puis nous utilisons le cadre général des équations paraboliques dans des domaines non cylindriques introduit par Lions pour donner un résultat d’existence global en temps. Nous présentons l’analyse mathématique du premier modèle qui correspond au cas isotrope et non conservatif. Puis nous généralisons l’étude au cas anisotrope et conservatif
This thesis is devoted to the study of reactive transport in water reserves. It is structured in two distinct parts : the first deals with the development of chemical solvers and the second with the mathematical study of a class of models describing flows in shallow water interacting with the surface water. In the first part of the work, we focus on the numerical resolution of thermodynamic equilibria which lead to complex and very badly conditioned nonlinear systems. In this work, we combine aparticular formulation of the chemical equilibrium system, called the method of positive continuous fractions, with two iterative numerical methods, the Anderson Acceleration method and vector extrapolation methods, namely the MPE (minimal polynomial extrapolation) and RRE (reduced rank extrapolation) methods.The main advantage of these approaches is to avoid forming the Jacobian matrix and thus to avoid problems linked to bad conditioning of the matrix. Numerical tests are performed, especially on the test case of gallic acid and on the reference 1D case of the MoMas benchmark. These tests illustrate the great efficiency of this approach compared to classical solutions resulting from the Newton-Raphson method. In the second part of the thesis, we introduce and study Richards-Dupuit type models to describe flows in shallow aquifers. The idea is to couple the two main types of flows in the aquifer : that of the unsaturated part with that of the saturated part. The first is described by the classic Richardsproblem in the upper capillary fringe. The second results from Dupuit’s approximation after vertical integration of the conservation laws between the bottom of the aquifer and the saturation interface. The final model consists of a strongly coupled system of parabolic type pde which are defined on a time dependent domain. We show how taking into account the low compressibility of the fluid makes it possible to eliminate the degeneration in the time derivative term of the Richards equation.Then we use the general framework of parabolic equations in non-cylindrical domains introduced by Lions to give a global existence result in time. We present the mathematical analysis of the first model which corresponds to the isotropic and non-conservative case. Then we generalize the study to the anisotropic and conservative case

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Weiß, Martina [Verfasser]. "Modelling of Global Change Impacts on Hydrology with focus on Europe and Africa / Martina Weiß". Kassel : Kassel University Press, 2009. http://d-nb.info/1011571692/34.

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Goundoul, N'golona. "Etude de la relation "averses-crues" : application d'un modèle global et essais de mise au point d'un modèle distribué sur le bassin versant du Bam-Bam (Tchad)". Avignon, 1992. http://www.theses.fr/1992AVIG1001.

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Streszczenie:

D'une superficie de 1196 km2, le bassin versant du Bam-Bam est situé en région sahélienne et constitué de cinq bassins emboités de differentes tailles. L'étude de la dynamique des pluies sur le bassin, reflète les caractéristiques pluviométriques (homogénéite des formes, répartition spatiale) du Sahel en général. Un modèle hydrologique fondé sur la technique de l'hydrogramme unitaire est appliqué à chacun des bassins, avec comme objectif l'analyse et la prédétermination des crues. Les résultats satisfaisants obtenus en approche globale, confirment dans une certaine mesure, la préponderance du ruissellement rapide par rapport aux autres types d'écoulements (écoulement retardé, écoulement de base). La tentative d'approche distribuée révèle l'importance d'un autre type d'écoulement que le ruissellement rapide pour les bassins de superficie superieure à 100 km2. Nous suggérons une démarche tenant compte d'autres facteurs (géomorphologiques, pédologiques) en vue d'une amélioration probable de la modélisation hydrologique dans le Sahel
The Bam-Bam catchment area is about 1196 km2. It is located in the sahelian region and its comprised by five jointed watersheds of different surfaces. The dynamic study of mrainfalls reflects the characteristics of precipitation (homogeneity of form, spatial distribution) in the sahelian region in general. A hydrological model based on the unit hydrograph technique is used with aim of analysing and predetermining the floods for each sub-watershed. The resulds obtained by a humped model approach show the predominance of surface runoff in comparison with the other types of runoff (base runoff, delayed runoff). An attempt using a distributed model shows that, for the watersheds greater than 100 km2, direct runoff is not predominant. In order to improve modelisation in the sahelian region, we suggest the application of a process which takes into account other factors (geomorphogical, pedological)

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Singh, Raj Shekhar. "Hyper-Resolution Global Land Surface Model at Regional-to-Local Scales with observed Groundwater data assimilation". Thesis, University of California, Berkeley, 2015. http://pqdtopen.proquest.com/#viewpdf?dispub=3686454.

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Streszczenie:

Modeling groundwater is challenging: it is not readily visible and is difficult to measure, with limited sets of observations available. Even though groundwater models can reproduce water table and head variations, considerable drift in modeled land surface states can nonetheless result from partially known geologic structure, errors in the input forcing fields, and imperfect Land Surface Model (LSM) parameterizations. These models frequently have biased results that are very different from observations. While many hydrologic groups are grappling with developing better models to resolve these issues, it is also possible to make models more robust through data assimilation of observation groundwater data. The goal of this project is to develop a methodology for high-resolution land surface model runs over large spatial region and improve hydrologic modeling through observation data assimilation, and then to apply this methodology to improve groundwater monitoring and banking.

The high-resolution LSM modeling in this dissertation shows that model physics performs well at these resolutions and actually leads to better modeling of water/energy budget terms. The overarching goal of assimilation methodology is to resolve the critical issue of how to improve groundwater modeling in LSMs that lack sub-surface parameterizations and also run them on global scales. To achieve this, the research in this dissertation has been divided into three parts. The first goal was to run a commonly used land surface model at hyper resolution (1 km or finer) and show that this improves the modeling results without breaking the model. The second goal was to develop an observation data assimilation methodology to improve the high-resolution model. The third was to show real-world applications of this methodology.

The need for improved accuracy is currently driving the development of hyper-resolution land surface models that can be implemented at a continental scale with resolutions of 1 km or finer. In Chapter 2, I describe our research incorporating fine-scale grid resolutions and surface data into the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Community Land Model (CLM v4.0) for simulations at 1 km, 25 km, and 100 km resolution using 1 km soil and topographic information. Multi-year model runs were performed over the southwestern United States, including the entire state of California and the Colorado River basin. Results show changes in the total amount of CLM-modeled water storage and in the spatial and temporal distributions of water in snow and soil reservoirs, as well as in surface fluxes and energy balance. We also demonstrate the critical scales at which important hydrological processes—such as snow water equivalent, soil moisture content, and runoff—begin to more accurately capture the magnitude of the land water balance for the entire domain. This proves that grid resolution itself is also a critical component of accurate model simulations, and of hydrologic budget closure. (Abstract shortened by UMI.)

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Rozprawy doktorskie na temat „Hydrologie globale”

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