Improving the Capabilities of 2d Shallow Water Models for Hydrological Applications

Abstract

[Abstract] The adoption of fully distributed models, especially those based on the 2D shallow water equations (2D-SWE), is becoming a common approach in rainfall-runoff simulations at the basin scale. These models have a great potential since they effectively capture the interactions of hydrological processes and their spatial variability. However, their use in practical applications is limited due to the substantial computational resources they necessitate for numerical solving, owing to their greater complexity, and the lack of well-established calculation methodologies. The objective of this thesis is to enhance the capabilities of hydrological models based on the 2D shallow water equations by optimizing the calculation and calibration processes, and validating their calculation methodology. Using Iber as a recognized 2D-SWE model, this research concluded a mesh resolution threshold from which the model provides comparable outflow results, validated the accurate representation of anthropogenic alterations of the river channel, and successfully employed two data assimilation approaches, even creating a new framework for parameter calibration. The findings presented hold significant applicability and potential for transfer to other 2D-SWE models.

[Resumen] La adopción de modelos distribuidos, especialmente aquellos basados en las ecuaciones de aguas someras 2D (2D-SWE), está convirtiéndose en una práctica común para simular la transformación lluvia-escorrentía a escala de cuenca. Estos modelos tienen un gran potencial al capturar de manera efectiva las interacciones de procesos hidrológicos y su variabilidad espacial. Sin embargo, su uso en aplicaciones prácticas queda limitado por el coste computacional derivado de su complejidad y la falta de metodologías de cálculo bien establecidas. El objetivo de esta tesis es mejorar los modelos hidrológicos basados en las ecuaciones de aguas someras 2D, optimizando procesos de cálculo y calibración, y validando la metodología de cálculo. Utilizando Iber como modelo de referencia, esta investigación estableció un umbral de resolución de malla a partir del cual se obtienen resultados análogos de caudal de salida, validó la precisión en la representación numérica de alteraciones antropogénicas y aplicó con éxito dos enfoques de asimilación de datos, incluso desarrollando una herramienta para la calibración de parámetros. Los hallazgos presentados tienen una gran aplicabilidad y potencial para ser incorporados a otros modelos 2D-SWE.

[Resumo] A adopción de modelos distribuídos, especialmente aqueles baseados nas ecuacións de augas superficiais 2D (2D-SWE), está a se converter nunha práctica común para simular a transformación choiva-escorredura a escala de conca. Estes modelos teñen un gran potencial ao capturar de maneira efectiva as interaccións de procesos hidrolóxicos e a súa variabilidade espacial. Con todo, o seu uso en aplicacións prácticas queda limitado polo custo de computación derivado da súa complexidade e a falta de metodoloxías de cálculo ben establecidas. O obxectivo desta tese é mellorar os modelos hidrolóxicos baseados nas ecuacións de augas superficiais 2D, optimizando procesos de cálculo e calibración, e validando a metodoloxía de cálculo. Utilizando Iber como modelo de referencia, esta investigación estableceu un limiar de resolución de malla a partir do cal se obteñen resultados análogos de caudal de saída, validou a precisión na representación numérica de alteracións antropoxénicas e aplicou con éxito dous enfoques de asimilación de datos, incluso desenvolvendo unha ferramenta para a calibración de parámetros. Os achados presentados teñen unha gran aplicabilidade e potencial para ser incorporados a outros modelos 2D-SWE.