Sensitivity analyses of a physically based water catchment model

Climate change can be easily considered as the “Millennium Challenge” of human race. The impact of this worldwide phenomenon is becoming clearer over time: rise of sea levels, water cycle modification, extreme weather events and ocean acidification. Climate change will lead to transformations in water-resources availability, increase of frequency and intensity of floods, droughts, and amplification of warming through water vapor feedback. The area analysed in this project is located in the Upper-Rhine French department, where previous studies have been conducted during the VulNAR project, showing that the impact on groundwater levels is limited, but that the river discharge will be significantly affected. The aim of this project is to improve the understanding of water cycle by scientifically analysing river discharge behaviour and water availability in the Vosges mountains. The hydrological model used is NIM, Normally Integrated Model, developed by LHyGeS researchers. To understand the complex parameters’ interdependencies defining hydrologic systems, a Sensitivity Analysis approach has been applied, which comprehends both Local and Global Sensitivity Analysis. From the former, a selection of the most influential parameters will be provided. The latter has been carried out by means of Monte Carlo simulations, together with Polynomial Chaos expansion surrogate model to reduce the required computational time. Finally, the computation of variance based Sobol indices allowed to say that the key parameter turns out to be, unanimously, the hydraulic conductivity for both surface and subsurface flows.

Il cambiamento climatico può essere facilmente considerato come la "Sfida del Millennio" della razza umana. L'impatto di questo fenomeno sta diventando sempre più evidente nel tempo: innalzamento del livello del mare, modificazione del ciclo dell'acqua e acidificazione degli oceani. Il cambiamento climatico modificherà la disponibilità di risorse idriche, porterà all'aumento della frequenza e dell'intensità delle inondazioni, alla siccità e all'amplificazione del riscaldamento attraverso il feedback del vapore acqueo. L'area analizzata si trova nel dipartimento francese dell'Alto Reno, dove precedentemente sono stati condotti studi in merito durante il progetto VulNAR, dimostrando che l'impatto sui livelli delle acque sotterranee è limitato, ma che la portata dei fiumi sarà significativamente influenzata. L'obiettivo di questo progetto consiste nel migliorare la comprensione del ciclo dell'acqua, analizzando scientificamente il comportamento della portata dei fiumi e la disponibilità di acqua nelle montagne dei Vosgi. Il modello idrologico utilizzato in questo progetto è NIM, Normally Integrated Model, sviluppato dai ricercatori del laboratorio “LHyGeS” di Strasburgo. Per comprendere le complesse interdipendenze tra i parametri che costituiscono i sistemi idrologici, è stato utilizzato un approccio di “Sensitivity Analysis”, basato su l'analisi della Sensibilità Locale e Globale. Dalla prima verranno definiti i parametri dalla maggiore influenza sull’output del modello. La seconda sarà svolta per mezzo del metodo delle simulazioni di Monte Carlo, per poi creare un modello surrogato, tramite Espansioni del Caos Polinomiali, necessari per ridurre il tempo computazionale richiesto dal modello. Infine, dal calcolo di indici di Sobol basati sulla varianza, si otterrà un’analisi quantitativa dei parametri in gioco, evidenziando come la conduttanza idraulica rappresenta il parametro chiave sia per i flussi superficiali che per i flussi sotterranei.