A field application of physically-based erosion and sediment transport model for hillslope response

Une application sur le terrain d'un modèle d'érosion et de transport de sédiments à base physique pour la réponse du versant

¹ Korea University, Department of Environmental Engineering, Sejong 339-700, Korea,
jyyoon@korea.ac.kr
² Korea University, Program in Environmental Technology and Policy, Sejong 339-700, Korea
³ Istanbul Technical University, Department of Civil Engineering, 34469 Maslak, Istanbul, Turkey
⁴ University of California, Hydrologic Research Laboratory, Department of Civil and Environmental Engineering, Davis, California 95616 USA

Abstract

A physically based erosion and sediment transport component is developed for hillslope-scale hydrologic model. In so doing, this study aims to apply the modeling approach that takes the rill and interrill connection into account to reflect more realistic hillslope configuration. Erosion and sediment transport modeling at such a fine resolution is rare and seldom verified especially at field scale. For interrill areas, it uses the kinematic wave equation for flow. For sediment, the one-dimensional width-averaged sediment mass conservation equation is used, which was derived from its two-dimensional form by performing local-scale averaging. Rills are conceptualized as micro channels with rectangular cross sections. Flow in rill is accordingly modeled by cross-sectionally averaged kinematic wave equation. Sediment transport formulation within a rill uses the continuity equation in one-dimensional form. By considering the connection between the rills and interrill areas, the model was calibrated and validated using field data set collected from a hillslope section in Northern California. The calibration produced r2 and NSE values of 0.92 and 0.89, respectively; while validation results produced 0.82 for the r2 and 0.66 for the NSE. It is found from the simulations that the model performed well both in calibration and validation and promises to be a useful erosion and sediment transport model for hillslope response.

Résumé

Pour un modèle hydrologique de versant, un sous-modèle d'érosion et de transport de sédiments à base physique est développé. Cette étude vise à appliquer une approche de modélisation qui tient compte des liens entre les ruisseaux et leurs interfluves afin de refléter une configuration de versant plus réaliste. La modélisation de l'érosion et du transport de sédiments à une résolution spatiale aussi fine est rare et peu souvent vérifiée, surtout à l'échelle du terrain. Pour les zones d'interfluves, le modèle utilise l'équation d'onde cinématique pour l'écoulement. Pour les sédiments, c'est l'équation unidimensionnelle de conservation de la masse de sédiments moyennée sur la largeur qui est utilisée, elle a été dérivée de sa forme bidimensionnelle en effectuant une moyenne à l'échelle locale. Les ruisseauxs sont conceptualisés comme des micro-canaux ayant des sections rectangulaires. L'écoulement dans le ruisseau est par conséquent modélisé par l'équation d'onde cinématique moyennée en section transversale. La fformulation du transport de sédiments dans un ruisseau utilise l'équation de continuité sous forme unidimensionnelle. En considérant le lien entre les ruisseaux et les zones d'interfluves, le modèle a été étalonné et validé en utilisant un ensemble de données de terrain, recueillies à partir d'une section de versant dans le nord de la Californie. L'étalonnage a donné des valeurs de r2 et de NSE de 0.92 et 0.89, respectivement, tandis que les résultats de validation ont donné 0.82 pour le r2 et 0.66 pour le NSE. Si l'on se base sur les simulations, le modèle a été performant à la fois pour l'étalonnage et pour la validation et pourrait certainement être un modèle d'érosion et de transport de sédiments utile pour étudier la réponse du versant.