Subwatershed-based lake and river routing products for hydrologic and land surface models applied over Canada

Abstract

Lakes and reservoirs have critical impacts on hydrological, biogeochemical, and ecological processes, and they should be an essential component of regional-scale hydrological and eco-hydrological models. This is particularly important in Canada with its tens of thousands of lakes. Past large-scale hydrologic modelling efforts tend to either ignore the impacts of all lakes or explicitly simulate the behaviour of only the largest lakes in a watershed. This research derives a suite of Pan-Canadian subwatershed-based lake and river routing GIS products at multiple spatial resolutions (average catchment size ranges from 60 to 306 km² while the number of lakes explicitly represented ranges from 11,000 to 87,000). These publicly available data products supply all the necessary hydrologic routing model inputs, including network topology, subwatershed geometry, channel characteristics (slope, length, roughness, and geometry), and lake characteristics (area, volume, and outlet description), and were derived primarily from the HydroLAKES, HydroBASINS and HydroSHEDS databases. All Water Survey of Canada streamflow gauging stations are used to define subwatershed outlets in the products. The routing product is used to inform a hydrologic routing model in the Raven hydrologic modelling framework. This is the first demonstration of Raven in routing-only mode. As a case study, the Hudson Bay drainage basin (∼40% of Canada) is simulated using GEM-Surf land surface model gridded runoff and recharge as inputs and includes more than 20,000 river reaches and more than 10,000 lakes explicitly represented at an hourly timestep. Uncalibrated streamflows compare reasonably well to measured streamflows at select locations. The sensitivity of the routing model prediction quality to the discretization level for represented lakes is evaluated and shows, for example, that ignoring multiple smaller lakes can have a significant impact on predictions.

RÉSUMÉ

Les lacs et réservoirs ont un effet important sur les processus hydrologiques, biogéochimiques et écologiques, et devraient être intégrés dans tout modèle hydrologique ou éco-hydrologique mis en place à des échelles régionales. Ceci est particulièrement vrai au Canada, qui comporte plusieurs dizaines de milliers de lacs. Pourtant, les efforts passés de modélisation hydrologique à grande échelle dans le pays ont tendance à ignorer les effets des lacs, ou à ne considérer que les plus importants. Cette étude propose une collection de produits SIG à différentes résolutions (La taille moyenne des bassins varie de 60 à 306 km2, et le nombre de lacs représentés de 11000 à 87000), contenant les propriétés fondamentales des lacs et rivières par sous-bassin, sur tout le domaine Pan-Canadien. Ces données sont disponibles gratuitement en ligne et contiennent les informations nécessaires à la mise en place de la plupart des modèles de routage, comme le réseau de drainage, la géométrie des sous-bassins versants, les propriétés des cours d’eau (pente, longueur, ruguosité, géométrie), et celles des lacs (aire, volume, type d’exutoire). Toutes ces informations proviennent essentiellement de deux sources: les bases de données HydroLAKES, HydroBASINS et HydroSHEDS. De plus, toutes les stations de jaugeage des relevés Hydrologiques du Canada ont été utilisées pour définir des exutoires de sous-bassins dans ces données. Les données de routage ont été utilisées pour mette en place la composante de routage du modèle Hydrologique Raven. C’est la première fois que la composante de routage du modèle Raven est utilisée de manière indépendante de la composante de surface. Le cas d’étude est le bassin de la Baie d’Hudson (∼40% du Canada), dont la composante de surface a été simulée avec le modèle GEM-Surf pour fournir les champs de ruissellement et de recharge en entrée au modèle de routage. En tout, ce bassin inclut plus de 20 000 segments de rivière et plus de 10 000 lacs, représentés explicitement dans le modèle de routage au pas de temps horaire. Les débits issus de cette simulation hydrologique non-calibrée se comparent de manière raisonable aux observations, aux endroits choisis. Enfin, la sensibilité du modèle de routage au niveau de détail dans la représentation des lacs et rivières a été étudiée, et montre par example qu’ignorer plusieurs lacs de petite taille peut avoir un effet important sur le débit simulé.

Keywords:

• Routing
• lakes
• pan-Canadian
• HydroSHEDS
• HydroLAKES

Acknowledgements

This research was undertaken thanks in part to funding from the Canada First Research Excellence Fund provided to the Lake Futures project of the Global Water Futures Project.  I would like to offer my special thanks to Professor Nandita Basu for her valuable and constructive suggestions on this research work. I also would like to thank Professor Bernhard Lehner for providing the publicly unavailable HydroSHEDS and HydroBASINS dataset above latitudes of 60ºN. The work was made possible by the facilities of the Shared Hierarchical Academic Research Computing Network (SHARCNET; www.sharcnet.ca) and Compute/Calcul Canada. The pan-Canadian routing product is publically available under Zenodo (Han et al. 2020).