Simulation of the hydrological processes on reconstructed watersheds using system dynamics

Abstract

Reconstruction of disturbed watersheds is a common practice by the oil sands industry in northern Alberta, Canada. The reconstruction and restoration of the watershed hydrology are required as part of the reclamation mandated by Alberta Environment for mine closure. Assessment of the hydrological performance of the reconstructed watersheds is essential to ensure a sustainable reclamation strategy. A conceptual lumped system dynamics watershed (SDW) model is developed and calibrated in this study. The model, built within an object-based simulation environment, is capable of simulating the various hydrological processes in the reconstructed watersheds with good accuracy. STELLA Software is used as an object-based simulation environment that allows visual computations. The SDW model developed combines both physically-based and empirical formulations to replicate the hydrological system mathematically. The system dynamics approach along with the visual simulation environment help in developing a simulation-for-learning model, not only simulation for prediction. The model is successfully calibrated and validated; the results show that the SDW model is capable of simulating the various hydrological processes (soil moisture, evapotranspiration and runoff) with good accuracy. The SDW model can help in the assessment of the short- and long-term performances of the reconstructed watersheds, thus providing a useful decision-aid tool for the mining industry.

Résumé

Dans le Nord de l'Alberta au Canada, une des pratiques communes de l'industrie des sables bitumineux est de reconstruire les bassins versants perturbés. La régénération prescrite par Alberta Environment, lors de la fermeture des mines, exige une reconstruction ainsi qu'une remise en état complète de l'hydrologie des bassins versants. Il est essentiel d'évaluer la performance hydrologique des bassins versants reconstruits afin d'assurer la pérennité d'une stratégie de régénération. Dans cette étude, on développe et étalonne un modèle localisé et conceptuel de la dynamique du système du bassin versant (DSBV). Le modèle, construit au sein d'un environnement de simulation orienté objet, peut simuler avec une bonne précision les divers processus hydrologiques des bassins versants reconstruits. Le logiciel STELLA est utilisé comme environnement de simulation orienté objet qui permet des calculs visuels. Le modèle développé DSBV combine des formulations empiriques et à bases physiques afin de reproduire mathématiquement le système hydrologique. L'approche de la dynamique des systèmes associée à l'environnement de simulation visuelle aident au développement d'un modèle non seulement de simulation pour la prévision, mais aussi de simulation pour l'apprentissage. Le modèle DSBV est calé et validé avec succès; les résultats montrent qu'il est capable de simuler les différents processus hydrologiques (humidité du sol, évapotranspiration et écoulement) avec une bonne précision. Il peut également aider à l'évaluation des performances à court et à long termes des bassins versants reconstruits, et fournit donc un outil d'aide à la décision utile pour l'industrie minière.

Key words:

• watershed modelling
• system dynamics
• reconstructed watersheds

Mots clefs:

• modélisation de bassin versant
• dynamique des systèmes
• bassins versants reconstruits