Suburban catchment modelling Database analysis and system coupling - - PowerPoint PPT Presentation

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Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Suburban catchment modelling Database analysis and system coupling Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Herv ANDRIEU Laboratoire Central de Ponts et Chausses Page 1 EGU May /2010 Bordeaux - 25 au 27

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Suburban catchment modelling

Database analysis and system coupling

EGU May /2010

Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU Laboratoire Central de Ponts et Chaussées

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Overview

  • Purpose and Context
  • Production
  • Transfer Function
  • Future Work
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São Paulo, Brazil 27 /12/ 2009

Unplanned urban development

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Project Assessing the Vulnerability of Peri-Urban Rivers ANR- AVuPUR 2008-2010

1) Database creation 2) Water cycle detailed description 3) Hydrological modelling, adapted to suburban areas 4) Evaluation of the impacts generated by land cover evolution and climate changes

  • 2 sites:

L’Yzeron (Lyon) La Chézine (Nantes)

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Water level monitoring station at the outlet

= Pluviometer = Hydrometric Station

Length: 15 km Surface: 29 km²

Chézine River Basin

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Production

Base models

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ISBA- 3L: Noilhan et Planton, 1989; Boone, 2000

Vertical exchanges

diffusion Rn H G Er Eg Wg W2 W3 drainage ruissellement Tg Meteorological forcing: precipitation, wind, radiation… LE T2 T3

Topmodel Beven et Kirkby, 1979; Datin, 2000

Lateral exchanges

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Introduction of urban areas into the model

Impervious surfaces – Reduced infiltration, runoff increase Impermeable area: 18%

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Comparison between oberved hydrograph and first results of ISBA-Topmodel simulations

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 3 / 6 / 2 3 : 3 / 6 / 2 3 5 : 3 / 6 / 2 3 1 : 3 / 6 / 2 3 1 5 : 3 / 6 / 2 3 2 : 1 / 7 / 2 3 1 : 1 / 7 / 2 3 6 : 1 / 7 / 2 3 1 1 : 1 / 7 / 2 3 1 6 : 1 / 7 / 2 3 2 1 :

  • utflow (m3/s)

00,00 02,00 04,00 06,00 08,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 rainfall (mm/h) Rainfall (mm/h)

  • bserved flow

Simulation with urban runoff included

  • riginal (rural) simulation

Simulation of an event over the Chezine Basin

– Rainfall – Outlet flow – Result obtained with the original model – Simulation using the modified model

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Transfer function

  • Database analysis
  • Unit hydrograph extraction by FDTF
  • Geomorphological transfer function

Séminaire IRSTV 09/02/2010

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  • A single peak rainfall is often followed by 2
  • utflow peaks …
  • The Lag-time is usually close to 1h, but in

some events it is more than 6h…

Chezine 01/01/2007

1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 14:30 16:30 18:30 20:30 22:30 00:30 02:30 04:30

  • utlet flow (m3/s)

1 2 3 4 5 6 7 rainfall (mm)

1 h 6 Chezine 15/05/2001

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

  • u

tle f flo w (m 3 /s ) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 ra in fa ll (m m )

1h

21-22 March, 2001

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 1 9 : 2 1 : 2 3 : 1 : 3 : 5 : 7 : 9 : 1 1 :

Discharge (m

3/s)

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00

Rainfall(m m )

6h

Database analysis

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Hydrological response and initial soil moisture state

Flow coefficient Pre event discharge

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Fonction de transfert pour les évènements de Coefficient d'écoulement d'environ 0,15 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 20 40 60 80 100 120 pas de temps (15min) ruissellement

FT selon la DPFT du sous-groupe 1 (calé sur 10 évènements)

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Pas de temps (15 min)

Group 1 FDTF: R²=0,94 Group 3 FDTF: R²=0,82 FDTF: First Differenced Transfer Function

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DPFT: différence première de la fonction de transfert

Comparaison entre les DPFT selon le groupe de réponse hydrologique 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 2 4 6 8 10 12

heures

Groupe 3 Groupe 2 Groupe 1 Comparison between the FDTF for the 3 groups of events

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Geomorphological transfer function

Topography: DEM

Unit Hydrograph for group 1 Impervious pixels distance distribution group 1

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trivière tversant + trivière tversant tversant Hayami Convolution Modified routing, by the introduction of diffusion effects

t e

L Ct Ct L D CL

D L t K

2 3 ) 2 ( 4

) ( 2 ) (

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − −

= π

Simple transfer Analytical Solution of the diffusion wave equation Noyau de Hayami

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Comparison between FDTF and simulation with the modified transfer function

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Future Work

Integrate the transfer function presented into the coupled system Introduce drainage network effects Verify model transposability by testing it in other river basins Simulate the hydrological impact under the predicted scenarios: land use evolution and new climate conditions

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Acknowledgements

ANR- funding the project AVuPUR Katia Chancibault and Hervé Andrieu (LCPC) Isabelle Braud (Cemagref Lyon)

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Couplage ISBA-Topodyn , Bouilloud et al 2009

Sch Sché éma de surface ma de surface ISBA (500m, 5min) ISBA (500m, 5min) Mod Modè èle hydrologique le hydrologique Topmodel (20m,15min) Topmodel (20m,15min)

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Urban zones incorporation

2) Urban Drainage

– Artificial pathways

  • Gironàs, 2007

– Topurban

  • Valeo, 1998;
  • Priou, 2005

– Urban hydrology

  • Morena, 2004;
  • Rodriguez, 1999

– Interactions between ground water and sewer network

  • Le Delliou, 2009
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Routage

DPFT Fonction de transfert géo-morphologique

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Pertes sur surfaces urbaines: 1.5, 2 et 2.5mm.

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Pertes sur surfaces urbaines: 1.5, 2 et 2.5mm.

groupe 2 Détermination du coefficient de ruisselement en zone rurale Pert es urbaines:1,5mm; Pert es rurales:3mm Coef urbain= 33%; Coef rural = 4% Coef urbain= 40%; Coef rural = 2% y = 0,09x - 0,25 R2 = 0,80 y = 0,09x - 0,33 R2 = 0,76 y = 0,10x - 0,41 R2 = 0,71

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 pluie (m m ) hauteur d'eau à l'exutoire (m m )

Pert es Urbaines 2mm; Pert es Rurales: 4 mm Coef urbain= 33%; Coef rural = 5% Coef urbain= 40%; Coef rural = 3% Pert es Urbaines 2,5mm; Pert es Rurales: 5 mm Coef urbain= 33%; Coef rural = 5% Coef urbain= 40%; Coef rural = 3%

Groupe 3 Déterm ination du coefficient de ruissellem ent de forts évènem ents pluvieux

y = 0,20x - 0,33 R2 = 0,69 y = 0,19x - 0,25 R2 = 0,70 y = 0,20x - 0,41 R2 = 0,69 1 2 3 4 5 6 7 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Pluie (mm) Haut eur à l'exut oire (m m ) Pertes urbaines:1,5mm; Pertes rurales:3mm Pertes Urbaines 2mm; Pertes Rurales: 4 mm Coef urbain= 33%; Coef rural = 23% Coef urbain= 40%; Coef rural = 22% Coef urbain= 50%; Coef rural = 19% Pertes Urbaines 2,5mm; Pertes Rurales: 5 mm Coef urbain= 40%; Coef rural = 23% Coef urbain= 50%; Coef rural = 21%

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  • Traitement des données pluie et débit

Coeff= Volumed 'eau ruisselé Volumed 'eau précipité

v

Contexte Analyse Modélisation

Coefficient d’écoulement

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Localisation des pixels ruraux contributifs

Indice topographique

  • Quels sont les pixels qui sont saturés ?

L’ indice topographique classifie les pixels entre eux par rapport à leur propension de se saturer ) tan ln(

i i i

a β λ =

(Beven & Kirkby, 1979)

ai = surface spécifique

(l’aire contributive / côté d’un pixel)

βi = pente locale

i

Outlet

x A

Aire drainé en amont