Quantifying the effects of subsurface heterogeneity on hillslope runoff using a stochastic approach

The role of heterogeneity and uncertainty in hydraulic conductivity on hillslope runoff production was evaluated using the fully integrated hydrologic model ParFlow. Simulations were generated using idealized high-resolution hillslopes configured both with a deep water table and a water table equal to the outlet to isolate surface and subsurface flow, respectively. Heterogeneous, correlated random fields were used to create spatial variability in the hydraulic conductivity. Ensembles, generated by multiple realizations of hydraulic conductivity, were used to evaluate how this uncertainty propagates to runoff. Ensemble averages were used to determine the effective runoff for a given hillslope as a function of rainfall rate and degree of subsurface heterogeneity. Cases where the water table is initialized at the outlet show runoff behavior with little sensitivity to variance in hydraulic conductivity. A technique is presented that explicitly interrogates individual realizations at every simulation timestep to partition overland and subsurface flow contributions. This hydrograph separation technique shows that the degree of heterogeneity can play a role in determining proportions of surface and subsurface flow, even when effective hillslope outflow is seen. This method is also used to evaluate current hydrograph separation techniques and demonstrates that recursive filters can accurately proportion overland and base-flow for certain cases.RésuméLe rôle de l’hétérogénéité de la perméabilité et de son incertitude dans la génération du ruissellement de versant a été évalué en utilisant le modèle hydrologique totalement intégré ParFlow. Des simulations ont été générées en utilisant des pentes idéalisées de haute résolution configurées aussi bien avec un niveau piézométrique de nappe libre profond qu’avec un niveau piézométrique égal à celui de l’exutoire, afin de distinguer respectivement écoulement de surface et écoulement de sub-surface. Des champs aléatoires corrélés hétérogènes ont été utilisés pour créer la variabilité spatiale de la perméabilité. Des ensembles, générés par de multiples réalisations du champ de perméabilité, ont été utilisés pour évaluer comment cette incertitude se propage au ruissellement. Des moyennes de ces ensembles ont été utilisées pour définir le ruissellement efficace pour un versant donné en fonction de l’intensité des précipitations et du degré d’hétérogénéité de la sub-surface. Les cas où la surface libre de la nappe est initialisée au niveau de l’exutoire montrent un comportement du ruissellement peu sensible vis-à-vis de la variance de la perméabilité. Une technique est présentée, qui analyse de manière explicite les réalisations individuelles à chaque pas de temps de calcul de la simulation, en vue de distinguer les contributions de l’écoulement de surface et de l’écoulement de sub-surface. Cette technique de décomposition de l’hydrogramme montre que le degré d’hétérogénéité peut jouer un rôle dans la détermination des proportions entre l’écoulement de surface et de sub-surface, même quand des venues d’eau sont constatées sur le versant. Cette méthode est aussi utilisée pour évaluer des techniques courantes de décomposition de l’hydrogramme et démontre que les filtres récursifs peuvent, dans certains cas, établir avec précision la proportion entre écoulement de surface et écoulement de base.ResumenSe evaluó el rol de la heterogeneidad y la incertidumbre en la conductividad hidráulica sobre la producción del escurrimiento usando el modelo hidrológico completamente integrado ParFlow. Las simulaciones fueron generadas utilizando faldeos idealizados de alta resolución configurados tanto con el nivel freático profundo como con el nivel freático igual a la salida para aislar el flujo superficial y subsuperficial, respectivamente. Se utilizaron campos aleatorios correlacionados heterogéneos para crear la variabilidad espacial en la conductividad hidráulica. Se utilizaron conjuntos generados por realizaciones múltiples de la conductividad hidráulica para evaluar como esta incertidumbre se propaga al escurrimiento. Se usaron los promedios de conjuntos para determinar el escurrimiento efectivo para un faldeo dado como una función del ritmo de la precipitación y el grado de heterogeneidad subsuperficial. Los casos donde el nivel freático es inicializado a la salida muestran un comportamiento del escurrimiento con una baja sensibilidad a la varianza en la conductividad hidráulica. Se presenta una técnica que interroga explícitamente las realizaciones individuales en cada paso de tiempo de la simulación para particionar las contribuciones del flujo sobre la superficie y subsuperficial. Esta técnica de separación del hidrograma muestra que el grado de heterogeneidad puede jugar un rol en determinar las proporciones del flujo superficial y subsuperficial, aún cuando el flujo efectivo de salida del faldeo está a la vista. Este método también es usado para evaluar las técnicas corrientes de separación de hidrogramas y demuestra que los filtros recursivos pueden definir con exactitud la proporción de flujo de superficie y flujo de base para ciertos casos.ResumoFoi avaliado o papel da heterogeneidade e da incerteza da condutividade hidráulica na escorrência produzida em vertentes, através da utilização do modelo hidrológico ParFlow. Foram geradas simulações utilizando vertentes ideais de alta resolução, incorporando um aquífero freático profundo, assim como uma superfície freática coincidente com a secção de medição no curso de água, de forma a permitir isolar, respectivamente, o escoamento superficial e subsuperficial. Campos aleatórios correlacionados heterogéneos foram utilizados para criar variabilidade espacial da condutividade hidráulica. Conjuntos gerados por múltiplas concepções da condutividade hidráulica foram utilizados para avaliar como esta incerteza se propaga na escorrência. Médias de conjunto foram usadas para determinar a escorrência eficaz para uma dada vertente, como uma função da taxa de precipitação e do grau de heterogeneidade do subsolo. Casos onde o aquífero freático é feito coincidir com a secção de medição no curso de água mostram um comportamento da escorrência pouco sensível à variação da condutividade hidráulica. É apresentada uma técnica que questiona explicitamente as realizações individuais em cada iteração da simulação, para separação das contribuições do escoamento superficial e subsuperficial. Esta técnica de separação do hidrograma mostra que o grau de heterogeneidade pode desempenhar um papel na determinação das proporções do escoamento superficial e do escoamento subsuperfícial, mesmo quando o escoamento eficaz da vertente é observado. Este método também é utilizado para avaliar técnicas de separação do hidrograma geral e demonstra que os filtros recursivos podem, para certos casos, relacionar com precisão o escoamento superficial e o escoamento de base.