Low-Flows in Deterministic Modelling: A Brief Review

Abstract

Deterministic hydrological models are limited in their ability to model low-flows, but as they are increasingly being used for low-flow studies, a review is timely if they are to be used for this purpose. The representations of the physical processes that govern low-flows are described for a selection of models developed and/or used in Canada. The models vary in the extent to which they incorporate low-flow processes, such as drawdown of storage in lakes, stream channels and wetlands, riparian evapotranspiration, freeze-up and bank storage. The representation of groundwater in the models is not physically-based and the hydrologic models must be coupled with distributed groundwater models to answer questions about groundwater withdrawals. Most models have not been rigorously tested for low-flow simulations. Considerable work remains to be done, especially in the adequate representation of low-flow processes, and in evaluation of models for low-flow studies by using low-flow specific evaluation criteria.Résumé : Les modèles hydrologiques déterministes sont limités dans leur capacité de modéliser les basses eaux. Cependant, étant donné que ces modèles sont de plus en plus employés pour les études sur les étiages, un examen s'impose s'ils doivent servir à cette fin. Les représentations des processus physiques qui régissent les basses eaux sont décrites pour une gamme de modèles élaborés et/ou utilisés au Canada. Les modèles varient quant au degré suivant lequel ils incorporent les processus de basses eaux, par exemple la diminution de l'emmagasinement dans les lacs, les chenaux de cours d'eau et les milieux humides, de l'évapotranspiration riveraine, de l'englacement et de l'emmagasinement dans les berges. La représentation des eaux souterraines dans les modèles n'est pas basée sur des critères physiques et les modèles hydrologiques doivent être couplés avec des modèles répartis d'eau souterraine pour apporter des réponses aux questions entourant les prélèvements d'eau souterraine. La plupart des modèles n'ont pas été testés rigoureusement pour les simulations des basses eaux. Il reste encore pas mal de travail à accomplir, en particulier en ce qui concerne la représentation adéquate des processus d'étiage et l'évaluation des modèles pour les études sur les basses eaux à l'aide de critères d'évaluation propres aux basses eaux. 182Canadian Water Resources Journal/Revue canadienne des ressources hydriques

Trends in timing of low stream flows in Canada: impact of autocorrelation and long‐term persistence

“…They concluded that it was difficult to quantify this impact because of a lack of understanding of the relationship between flow and fish populations as well as spatio-temporal stream biota respond to habitat changes. Useful information on characteristics and variability of low flows can also be found in Davison and van der Kamp (2008), Ouarda et al (2008), Whitfield (2008), Smakhtin (2001) and Barnett et al (2005).…”

Comparison of direct statistical and indirect statistical-deterministic frameworks in downscaling river low-flow indices

“…A hydrological model integrates these physical factors that interact with climate and influence the movement of water (e.g., infiltration, evaporation etc.). Modelling of low flows using deterministic hydrological models is greatly determined by the extent to which low flow processes such as evapotranspiration, freeze-up, drawdown of storage in lakes, stream channels and wetlands are incorporated (Davison and Kamp 2008). These processes operate over a wide range of spatial and temporal scales.…”

“…Therefore, representing the associated processes with constant (e.g., melt rate during a rain period) or monthly varying (e.g., rainfall intensity versus percent effectiveness evapotranspiration index (PETI), monthly PETI, monthly percent effective melt rate) values may limit the ability of SSARR to represent low flow governing processes. In a review by Davison and Kamp (2008) on low flows in deterministic modelling, six hydrological models (HBV, WATFLOOD, UBCWM, GAWSER, HYDROTEL, VIC, CRHM) were reviewed in terms of their ability to model low flows. As with the SSARR model, it was concluded that considerable work remains to be done in the adequate representation of low flow processes and in the evaluation of both lumped and distributed models.…”

Facteurs de variabilité spatiale des caractéristiques des débits minimums annuels des rivières Wallonnes (Belgique)

“…Ces travaux se sont intéressés à plusieurs aspects dont l'analyse des facteurs et processus de genèse des débits minimums, ainsi que l'élaboration des indices pour définir les caractéristiques des débits minimums annuels (DRACUP et al, 1980;GURNELL, 1993;GUSTARD et IRVING, 1994;HOPKINSON et YOUNG, 1998;SMAKHTIN, 2001;YUNUS et al, 2003). Par ailleurs, plusieurs autres études se sont intéressées à l'estimation, à la prédiction et à la modélisation des débits minimums annuels (ABI-ZEID et BOBÉE, 1999;DAVISON et VAN DER KAMP, 2008;HEJAZI et MOGLEN, 2006;ONOZ et BAYAZIT, 2002;OUARDA et al, 2008;YUREKLI et OZTURK, 2003), afin de pouvoir définir les normes des débits réservés qui ont une importance capitale pour la protection de l'intégrité écologique des habitats aquatiques (ANNEAR et CONDOR, 1984;MUNSON et DELFINO, 2007;PETTS, 1995;SCATENA, 2004;VISMARA et al, 2001). C'est dans ce contexte que de nombreuses études ont été réalisées pour analyser les effets d'activités anthropiques (barrages hydroélectriques en particulier) sur les débits minimums (ASSANI et al, 2005;HU et al, 2008;MAGILLAN et NISLOW, 2001PYRON et NEUMANN, 2008;YANG et al, 2008).…”