Published February 2020
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Journal article
Variational estimation of effective channel and ungauged anabranching river discharge from multi-satellite water heights of different spatial sparsity
Contributors
Others:
- Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube) ; École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Les Hôpitaux Universitaires de Strasbourg (HUS)-Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE) ; Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie - CNRS Chimie (INC-CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie - CNRS Chimie (INC-CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique ; Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Institut National des Sciences Appliquées - Strasbourg (INSA Strasbourg) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
- Risques, Ecosystèmes, Vulnérabilité, Environnement, Résilience (RECOVER) ; Aix Marseille Université (AMU)-Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement (INRAE)
- Institut de Mathématiques de Toulouse UMR5219 (IMT) ; Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg (ENGEES)
- Hydrosciences Montpellier (HSM) ; Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Littoral, Environment: MOdels and Numerics (LEMON) ; Centre Inria d'Université Côte d'Azur (CRISAM) ; Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (IMAG) ; Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Hydrosciences Montpellier (HSM) ; Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Laboratoire d'études en Géophysique et océanographie spatiales (LEGOS) ; Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP) ; Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Description
Multi-satellite sensing of continental water surfaces (WS) represents an un precedented and increasing potential for studying ungauged hydrological and hydraulic processes from their signatures, especially on complex flow zones such as anabranching rivers. However the estimation of discharge from WS observations only is a very challenging, ill-posed, inverse problem due to unknown bathymetry and friction in ungauged rivers, measurements nature, quality and spatio-temporal resolutions regarding the flow (model) scales. This paper proposes an effective 1D hydraulic modelling approach of sufficient complexity to describe anabranching river flows from sparse multisatellite observations using the HiVDI inverse method presented in Larnier et al. (2019) with an augmented control vector including a spatially distributed friction law depending on the flow depth h. It is shown on 71 km of the Xingu River (anabranching, Amazon basin) with altimetric water height timeseries that a fairly accurate upstream discharge hydrograph and effective patterns of channel bathymetry and friction can be inferred simultaneously. The coherence between the sparse observation grid and the fine hydraulic model grid is ensured in the optimization process by imposing a piecewise linear bathymetry profile , which is consistent with the hydraulic visibility ofWS signatures (Garambois et al., 2017; Montazem et al., 2019). The discharge hydrograph Q(t) at observation times and effective bathymetry-friction patterns are retrieved from 8 years of satellite altimetry (ENVISAT) at 6 virtual stations (VS) along flow. Next, the potential of the forthcoming SWOT data, dense in space, is highlighted by inferring a discharge hydrograph and dense patterns of effective river bathymetry and friction; a physically consistent scaling of friction by reaches enables to consider more dense bathymetry controls. Finally a numerical analysis shows: (i) the importance of an unbiased prior information in the inference of a triplet from WS observations; (ii) the clear signatures of river bottom slope break in low flows and width variations in high flows, through the analysis of the friction slope term, which is consistent with the findings of Montazem et al. (2019) from WS curvature analysis.
Abstract
International audienceAdditional details
Identifiers
- URL
- https://hal.science/hal-03012617
- URN
- urn:oai:HAL:hal-03012617v1
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