River discharge estimation under uncertainty from synthetic SWOT-type observations using variational data assimilation

Estimation du débit des fleuves sous incertitudes à partir des données synthétiques SWOT en utilisant l'assimilation de données variationnelle

¹ Irstea, 361 rue Jean-François Breton, BP 5095, 34196 Montpellier, France,
hind.oubanas@irstea.fr, igor.gejadze@irstea.fr, pierre-olivier.malaterre@irstea.fr
² CLS, 11 rue Hermès, 31520 Ramonville Saint-Agne, France,
franck.mercier@cls.fr

Abstract

Variational data assimilation is used for discharge estimation for the Garonne River downstream reach, using the 1D full Saint-Venant hydraulic model SIC². Based on water surface elevation observations with the level of noise expected for the forthcoming Surface Water and Ocean Topography (SWOT) mission, discharge estimation problem under uncertainty in the bathymetry and the friction has been considered. Two observation sampling periods has been tested, with the purpose of investigating the influence of the temporal frequency of observations. We emphasize that the temporal sampling frequency should be consistent with the characteristic (travel) time of the dynamical system, in which case the discharge is successfully estimated (rRMSE = 4.6%). Larger temporal sampling intervals require complementary information given by a-priori information on discharge or combined in-situ and remote sensing data assimilation. Simultaneous estimation of discharge and the spatially distributed functions may lead to the equifinality issue. In this case, the estimates of the bathymetry and the friction only help to achieve a better estimation quality of discharge, but may not be usable for subsequent experiments.

Résumé

L'estimation du débit des fleuves sous incertitudes dans la bathymétrie et les frottements fluviaux a été étudiée en utilisant l'assimilation de données variationnelle combinée avec un modèle 1D, basé sur le système d'équations Saint-Venant complet. A partir des observations synthétiques du futur satellite Surface Water and Ocean Topography (SWOT), dont le lancement est prévu pour l'horizon 2021, l'estimation simultanée des variables d'intérêt (le débit, le niveau du lit du fleuve et le coefficient de frottement) a été réalisée. Cette étude a été menée le long du tronçon aval du fleuve Garonne, de 50 km de longueur et ayant un temps caractéristique de un jour. Deux fréquences d'observation ont été testées afin de souligner l'influence de la fréquence temporelle SWOT. Les résultats ont démontré l'importance de l'intervalle d'observation vis-à-vis du système dynamique considéré. En effet, ce dernier doit être consistant avec le temps caractéristique, dans quel cas, le débit est très bien estimé (rRMSE = 4.6%). Pour des intervalles plus grands, il serait nécessaire de compléter les observations par une information a priori et/ou combiner différentes sources d'observations par télédétection ou au sol. L'estimation simultanée des différentes variables peut être sujet au problème de l'équifinalité. Dans ce cas, l'estimation de la bathymétrie et des frottements permet d'atteindre une meilleure précision dans l'estimation du débit, mais ne pourrait peut-être pas servir d'information globale complètement pertinente sur la bathymétrie et les frottements du fleuve.