Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Suburban catchment modelling Database analysis and system coupling Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU Laboratoire Central de Ponts et Chaussées Page 1 EGU May /2010
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Overview • Purpose and Context • Production • Transfer Function • Future Work Page 2 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Page 3 Unplanned urban development São Paulo, Brazil 27 /12/ 2009 Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 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) Page 4 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Chézine River Basin Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Water level monitoring station at the outlet Length: 15 km Surface: 29 km² = Pluviometer = Hydrometric Station Page 5
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Production Base models Page 6 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Topmodel ISBA- 3L: Noilhan et Planton, 1989; Boone, 2000 Beven et Kirkby, 1979; Datin, Vertical exchanges 2000 Meteorological forcing: Lateral exchanges precipitation, wind, radiation… H Rn Er LE Eg ruissellement G Wg Tg W 2 T2 diffusion drainage W 3 T3 Page 7 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Introduction of urban areas into the model Impervious surfaces – Reduced infiltration, runoff increase Impermeable area: 18% Page 8 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Simulation of an event over the Chezine Basin – Rainfall Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 – Outlet flow – Result obtained with the original model – Simulation using the modified model Comparison between oberved hydrograph and first results of ISBA-Topmodel simulations 4,5 00,00 4 02,00 3,5 04,00 3 06,00 Rainfall (mm/h) outflow (m3/s) rainfall (mm/h) observed flow 2,5 08,00 Simulation with urban runoff included original (rural) simulation 2 10,00 1,5 12,00 1 14,00 0,5 16,00 0 18,00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 : : : : : : : : : : 0 5 0 5 0 1 6 1 6 1 0 0 1 1 2 0 0 1 1 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 / / / / / / / / / / 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 / / / / / / / / / / 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 0 0 0 0 0 Page 9 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Transfer function •Database analysis • Unit hydrograph extraction by FDTF • Geomorphological transfer function Page 10 Carina FURUSHO, Séminaire IRSTV 09/02/2010 Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Database analysis Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Chezine 15/05/2001 1 0,00 0,9 0,50 0,8 1,00 0,7 ) /s 3 1,50 • A single peak rainfall is often followed by 2 m ) (m 0,6 ll (m w f flo 0,5 2,00 outflow peaks … fa in tle 0,4 ra 2,50 u o 0,3 1h 3,00 0,2 • The Lag-time is usually close to 1h, but in 3,50 0,1 some events it is more than 6h… 0 4,00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 21-22 March, 2001 Chezine 01/01/2007 4 0,00 5 0 0,20 3,5 4,5 1 0,40 3 4 2 0,60 outlet flow (m3/s) 3 /s) 2,5 ) rainfall (mm) m Discharge (m 0,80 3,5 3 Rainfall(m 2 1,00 3 4 1,20 1,5 6h 1 2,5 5 1,40 h 6 1 1,60 2 6 0,5 1,80 1,5 7 0 2,00 14:30 16:30 18:30 20:30 22:30 00:30 02:30 04:30 1 2 2 0 0 0 0 0 1 9 1 3 1 3 5 7 9 1 : : : : : : : : : 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Page 11 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Hydrological response and initial soil moisture state Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Flow coefficient Pre event discharge Page 12 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
FDTF: First Differenced Transfer Function Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Group 3 Group 1 FDTF: R²=0,82 FDTF: R²=0,94 FT selon la DPFT du sous-groupe 1 (calé sur 10 évènements) Fonction de transfert pour les évènements de Coefficient d'écoulement d'environ 0,15 0,16 0,14 0,05 0,12 0,045 0,1 0,04 0,08 0,035 ruissellement 0,06 0,03 0,025 0,04 0,02 0,02 0,015 0 0,01 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0,005 Pas de temps (15 min) 0 0 20 40 60 80 100 120 Page 13 pas de temps (15min) Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Comparaison entre les DPFT selon le groupe de réponse hydrologique DPFT: différence première de la fonction de transfert Comparison between the FDTF for the 3 groups of events 0,4 0,35 Groupe 3 0,3 Groupe 2 0,25 Groupe 1 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 2 4 6 8 10 12 heures Page 14
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Geomorphological transfer function Topography: DEM Impervious pixels distance distribution group 1 Unit Hydrograph for group 1 Page 15 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Modified routing, by the Simple transfer introduction of diffusion effects Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Analytical Solution of the diffusion wave equation t versant t versant Noyau de Hayami ⎡ ⎤ CL L Ct − − ⎢ ( 2 ) ⎥ e ⎣ ⎦ Hayami L 4 D Ct L = t rivière K ( t ) π 3 2 ( D ) t 2 Convolution t versant + t rivière Page 16
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Comparison between FDTF and simulation with the modified transfer function Page 17 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 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 Page 18 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Acknowledgements ANR- funding the project AVuPUR Katia Chancibault and Hervé Andrieu (LCPC) Isabelle Braud (Cemagref Lyon) Page 19 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Couplage ISBA-Topodyn , Bouilloud et al 2009 Modè Mod èle hydrologique le hydrologique Sché éma de surface ma de surface Sch Topmodel (20m,15min) Topmodel (20m,15min) ISBA (500m, 5min) ISBA (500m, 5min) Page 20 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 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 Page 21 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Routage DPFT Fonction de transfert géo-morphologique Page 22 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Pertes sur surfaces urbaines: 1.5, 2 et 2.5mm. Page 23 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 Pertes sur surfaces urbaines: 1.5, 2 et 2.5mm. groupe 2 Détermination du coefficient de ruisselement en zone rurale Groupe 3 Déterm ination du coefficient de ruissellem ent de forts évènem ents pluvieux Pert es urbaines:1,5mm; Pert es rurales:3mm Coef urbain= 33%; Coef rural = 4% Coef urbain= 40%; Coef rural = 2% Pertes urbaines:1,5mm; Pertes rurales:3mm Pert es Urbaines 2mm; Pert es Rurales: 4 mm Pertes Urbaines 2mm; Pertes Rurales: 4 mm Coef urbain= 33%; Coef rural = 23% Coef urbain= 33%; Coef rural = 5% Coef urbain= 40%; Coef rural = 3% Coef urbain= 40%; Coef rural = 22% Pert es Urbaines 2,5mm; Pert es Rurales: 5 mm Coef urbain= 50%; Coef rural = 19% Pertes Urbaines 2,5mm; Pertes Rurales: 5 mm Coef urbain= 33%; Coef rural = 5% Coef urbain= 40%; Coef rural = 23% Coef urbain= 40%; Coef rural = 3% Coef urbain= 50%; Coef rural = 21% 2,50 7 hauteur d'eau à l'exutoire (m m ) y = 0,09x - 0,25 6 R 2 = 0,80 2,00 y = 0,19x - 0,25 Haut eur à l'exut oire (m m ) R 2 = 0,70 5 y = 0,09x - 0,33 y = 0,20x - 0,33 R 2 = 0,76 1,50 R 2 = 0,69 4 y = 0,20x - 0,41 R 2 = 0,69 3 1,00 2 0,50 1 y = 0,10x - 0,41 R 2 = 0,71 0,00 0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Pluie (mm) pluie (m m ) Page 24 Carina FURUSHO, Katia CHANCIBAULT, Hervé ANDRIEU
Contexte Analyse Modélisation v Bordeaux - 25 au 27 NOVEBRE 2009 � Traitement des données pluie et débit Coefficient d’écoulement Coeff= Volume d 'eau ruisselé Volume d 'eau précipité Page 25
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