Structural calibration of an semi-distributed hydrological model of the Liard River basin

Abstract

The development of hydrological models that produce practically useful and physically defensible results is an ongoing challenge in hydrology. This challenge is further compounded in large, spatially variable basins with sparse data, where a detailed understanding of a basin’s hydrological response may be limited. This study presents an iterative and stepwise calibration strategy for model structure and parameters for a hydrological model of the 275,000 km² Liard River basin in northern Canada. The calibration procedure was optimized to exploit and represent available data at 29 stream gauges and included the use of multiple data sources to constrain model calibration and improve model function. A flexible modelling framework was used to allow the explicit inclusion of locally varied model structure within the calibration procedure. The final model exhibits strong performance in both calibration and validation, and represents significantly different hydrological responses in different portions of the basin well. The calibration procedure helped to identify differences in hydrological processes within the basin which have not been considered by other models of the Liard. The ability to modify model structure in order to account for different hydrological regimes in different parts of the basin is demonstrated to improve model performance locally and globally.

RÉSUMÉ

Le développement de modèles hydrologiques qui produisent des résultats utiles en pratique et physiquement soutenables est un défi courant en hydrologie. Ce défi est amplifié dans les grands bassins versants spatialement variés, dotés de données limitées, où la compréhension détaillée de la réponse hydrologique du bassin est souvent limitée. Cette étude présente une stratégie d'étalonnage itératif et progressif pour développer la structure et les paramètres d'un modèle hydrologique du bassin versant de la rivière Liard, d'une superficie de 275 000 km2, situé au nord du Canada. La procédure d'étalonnage a été optimisée pour représenter les données disponibles à 29 jauges de flux de cours d’eau, et a inclut l'utilisation de plusieurs sources de données pour contraindre l'étalonnage du modèle et améliorer sa fonction. Un cadre de modélisation flexible a été utilisé pour permettre la représentation explicite d'une structure de modèle localement variée dans la procédure d'étalonnage. Le modèle final présente de fortes performances à la fois en étalonnage et en validation. Il représente bien des réponses hydrologiques très différentes dans différentes régions du bassin. La procédure d'étalonnage a permis d'identifier les divers processus hydrologiques dans le bassin qui n'ont pas été intégrés par d'autres modèles du Liard. La capacité de modifier la structure du modèle afin de représenter des régimes hydrologiques distincts dans différentes parties du bassin versant a été démontrée pour améliorer les performances du modèle localement et en entier.

Keywords:

• Hydrological model
• flexible model structure
• calibration

Acknowledgements

We would like to thank Shawne Kokelj, Anna Coles, and Ryan Connon from the Government of the Northwest Territories and Jennifer Nafziger from the Government of Alberta for providing information and knowledge related to this project.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Additional information

Funding

This work was funded by NSERC and Canadian Northern Water Futures grant.