Regional calibration of a watershed model

As watershed models become increasingly sophisticated and useful, there is a need to extend their applicability to locations where they cannot be calibrated or validated. A new methodology for the regionalization of a watershed model is introduced and evaluated. The approach involves calibration of a watershed model to many sites in a region, concurrently. Previous research that has sought to relate the parameters of monthly water balance models to physical drainage basin characteristics in a region has met with limited success. Previous studies have taken the two-step approach: (a) estimation of watershed model parameters at each site, followed by (b) attempts to relate model parameters to drainage basin characteristics. Instead of treating these two steps as independent, both steps are implemented concurrently. All watershed models in a region are calibrated simultaneously, with the dual objective of reproducing the behaviour of observed monthly streamflows and, additionally, to obtain good relationships between watershed model parameters and basin characteristics. The approach is evaluated using 33 basins in the southeastern region of the United States by comparing simulations using the regional models for three catchments which were not used to develop the regional regression equations. Although the regional calibration approach led to nearly perfect regional relationships between watershed model parameters and basin characteristics, these "improved" regional relationships did not result in improvements in the ability to model streamflow at ungauged sites. This experiment reveals that improvements in regional relationships between watershed model parameters and basin characteristics will not necessarily lead to improvements in the ability to calibrate a watershed model at an ungauged site. Calage régional d'un modèle de bassin hydrologique Résumé Les modèles de bassins hydrologiques devenant de plus en plus complexes et utiles, il est désormais nécessaire que leur application soit étendue à des régions où il est difficile de les caler et de les valider. Cet article présente et évalue une nouvelle méthode de régionalisation de modèle qui réalise un calage simultané sur de nombreux sites d'une même région. Les recherches antérieures, qui essayaient d'associer les éléments d'un bilan hydrologique mensuel à des caractéristiques physiques du bassin de drainage correspondant, n'ont connu qu'un succès limité. Ces recherches utilisaient une approche en deux temps: (a) les paramètres du modèle étaient estimés pour chaque site d'étude, puis (b) on tentait de relier ces paramètres aux caractéristiques physiques du bassin. Au lieu de réaliser ces deux étapes indépendamment l'une de l'autre, nous les traitons simultanément. Nous calons en parallèle tous les modèles de bassin de toute une région avec pour double objectif de reproduire le comportement du débit mensuel et d'obtenir une bonne relation entre les paramètres du bilan hydrologique et les caractéristiques des bassins. Cette approche a été validée sur 33 bassins du sud-est des Etats-Unis en étudiant les simulations utilisant l'approche régionale de trois bassins qui n'avaient pas été utilisés pour l'établissement des équations régionales de régression. Notre méthode montre une relation presque parfaite entre les paramètres du modèle et les caractéristiques du bassin. L'utilisation de ces relations régionales "améliorées" n'a pas cependant pas permis d'améliorer notre capacité de création d'un modèle permettant d'évaluer les débits aux sites pour lesquels nous ne disposons pas de mesures physiques. Notre recherche souligne donc combien il est difficile de donner un sens physique aux paramètres d'un bassin hydrologique issus d'un calage. Open for discussion until 1 April 2001 690 W. Fernandez et al.