Modelling study of the effects of terrace cultivation and artificial drainage on hillslope hydrologic response / Implementation of the geomorphic instantaneous unit hydrograph for distributed flow routing on hill slopes with optimal and non-optimal channel networks
Modélisation de l’impact des terrasses agricoles et du réseau d’écoulement artificial sur la réponse hydrologique des versants
Résumé
Terrace cultivation and artificial drainage were implemented on Mediterranean hillslopes to increase arable land surface and for better water management. Degradation of terraces and channels can lead to an increase in flood risk, erosion and crop damage. To improve our understanding of their effect on hillslope hydrologic response, this thesis compares different modelling approaches. We first simulated the hydrologic response of a Mediterranean catchment (0.91 km2) with terrace cultivation and artificial drainage using a physically-based, fully distributed storm flow model for agricultural catchments. Simulation performance is impressive for some storms, even though the model does not account for terraces. In order to model the effects of terrace cultivation and artificial drainage on hillslope hydrologic response explicitly, we subsequently developed a new distributed model with only geometric and flow velocity parameters, using a linear response time distribution combined with the hillslope geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Simulations on virtual hillslopes and catchments with a non-optimal channel network (non-OCN) suggest that (i) hydrologic response is faster and attains higher peak flows for longer interface lengths between agricultural fields and drainage channels; (ii) overland flow velocity has greater influence on peak flow than channel flow velocity; and (iii) the combined effect of increased drainage density and introduction of terrace cultivation is enhanced peak flow at the outlet, and a reduction of peak flow from upstream terraces.
L’aménagement des versants méditerranéens en terrasses et en fossés avait pour but d’augmenter la surface agricole et de permettre une meilleure gestion de l’eau. La dégradation des terrasses et des fossés peut conduire à une augmentation des risques d’inondation, d’érosion et de maintien des cultures. Pour améliorer la connaissance de l’impact réel sur la réponse hydrologique des versants, cette thèse suit différentes approches de modélisation. D’abord la réponse hydrologique d’un bassin versant méditerranéen (0.91 km2) avec des terrasses et des fossés aménagés est simulée à l’aide d’un modèle distribué, événementiel, à base physique, adapté aux bassins versants agricoles. La performance est très satisfaisante pour certains événements simulés, même si le modèle ne tient pas compte des terrasses. Afin de modéliser l’impact des terrasses agricoles et de l’écoulement artificiel, nous avons conçu un nouveau modèle distribué et parcimonieux qui utilise une distribution linéaire du temps de réponse, combiné avec l’hydrogramme unitaire instantané géomorphologique. Les simulations sur des versants et bassins virtuels avec un réseau non-optimal de drainage (non-OCN) montrent que (i) pour de longues interfaces entre une parcelle et un cours d’eau la réponse hydrologique est plus rapide et le débit de pointe plus élevé ; (ii) la vitesse du ruissellement de surface a un plus grand impact sur le débit de pointe que la vitesse d’écoulement dans les fossés ; et (iii) la densité de drainage accrue combinée avec la création de terrasses résulte en un débit de pointe plus élevé en aval et moins élevé en amont.
Terrasbouw en kunstmatige afvoer worden toegepast op mediterrane hellingen om het landbouwoppervlak te vergroten en om waterbeheer te verbeteren. De degradatie van terrassen en afvoerkanalen leidt onvermijdelijk tot een toename van overstromingsrisico, erosie en gewasschade. Om beter te begrijpen welk effect ze hebben op de hydrologische respons van hellingen vergelijken we in dit proefschrift verschillende modelleermethoden. Allereerst simuleerden we de hydrologische respons van een mediterraan afwateringsreservoir (0.91 km2) met terrasbouw en kunstmatige afvoer met behulp van een fysisch-gebaseerd en volledig gedistribueerd model voor afvoer van stormwater in agrarische stroomgebieden. Een aantal stormen kan met grote nauwkeurigheid gesimuleerd worden zonder expliciet rekening te houden met de aanwezigheid van terrassen. Om de effecten van terrasbouw en kunstmatige afvoer op de hydrologische response van hellingen expliciet te modelleren, hebben we vervolgens een nieuw gedistribueerd model ontwikkeld met enkel parameters voor geometrie en stroomsnelheid, aan de hand van een lineaire verdeling van de reactietijd in combinatie met het geomorfologisch ogenblikkelijk eenheidshydrogram. Simulaties op virtuele hellingen en afwateringsreservoirs met een niet-optimaal afvoersysteem (non-OCN) suggereren dat (i) hydrologische reactietijden korter en piekafvoeren hoger zijn voor een langer grensvlak tussen landbouwpercelen en afvoerkanalen; (ii) dat de snelheid van oppervlakkige afstroming een grotere invloed heeft op piekafvoer dan stroomsnelheid in het afvoersysteem; en (iii) dat een grotere afvoerdichtheid in combinatie met terrasbouw leidt tot hogere piekafvoer aan het uitstroompunt en lagere piekafvoer ter hoogte van de terrassen.