Discretization approach for large-scale sediment modeling : calibration strategies based on hydro-sediment variability at a range of spatial scales

Abstract

The lack of observed data and calibration strategies, scale variability, and difficulties in representing heterogeneity of sediment-processes contribute to the usual challenges in achieving satisfactory results in hydro-sedimentological modeling, particularly when using the MUSLE equation for large-scale applications. As a consequence, we investigated five major topics: (1) a sediment-process-based parameterization technique (Hydro-sedimentological Response Unit map - HRUSed); (2) the quality of hydrological modeling with different process-focused parameterizations; (3) a calibration strategy based on the sediment discretization approach for hydro-sedimentological modeling; (4) the use of suspended sediment concentration (SSC) versus suspended sediment discharge (SSD) data for calibration; and (5) trade-offs between increasing the spatial resolution of a large-scale model and using the proposed HRUSed discretization. The current study demonstrated (1) the HRUSed map for South America and (2) a similar performance of large-scale hydrological modeling using a hydrological or hydro-sedimentological discretization approach. (3) The HRUSed discretization approach produced better hydro-sedimentological modeling results. (4) We improved the model’s performance for HRUSed (SSC and SSD results) and for HRU (Hydrological Response Unit map) only for SSD results. (5) Only more detailed spatial discretization has failed to improve process representation. However, increased spatial discretization with a process-parameterization approach focused on hydro-sedimentological dynamics improved model performance.

A falta de dados observados e estratégias de calibração, a variabilidade de escalas e as dificuldades em representar a heterogeneidade dos processos de erosão e sedimentação contribuem para os desafios usuais na obtenção de resultados satisfatórios na modelagem hidrossedimentológica, particularmente quando se usa a equação MUSLE para aplicações em larga escala. Como consequência, investigamos cinco tópicos principais: (1) uma técnica de parametrização baseada em processos de produção de sedimentos (mapa da unidade de resposta hidrossedimentológica - HRUSed); (2) a qualidade da modelagem hidrológica com diferentes parametrizações focadas nos processos; (3) uma estratégia de calibração baseada na abordagem de discretização focada em sedimentos para modelagem hidrossedimentológica; (4) o uso de dados de concentração de sedimentos em suspensão (CSS) versus descarga de sedimentos em suspensão (DSS) para calibração; e (5) trade-offs entre aumentar a resolução espacial de um modelo de grande escala e usar a discretização HRUSed proposta. O presente estudo demonstrou: (1) o mapa HRUSed para a América do Sul e (2) um desempenho semelhante de modelagem hidrológica em larga escala usando uma abordagem de discretização hidrológica ou hidrossedimentológica; (3) A abordagem de discretização HRUSed produziu melhores resultados de modelagem hidrossedimentológica; (4) Melhoramos o desempenho do modelo para HRUSed (resultados CSS e DSS) e para HRU (mapa de unidades de resposta hidrológica) apenas para resultados de DSS; e (5) adotar apenas uma discretização espacial mais detalhada falhou em melhorar a representação dos processos. No entanto, o aumento da discretização espacial com uma abordagem de parametrização de processos focada na dinâmica hidrossedimentológica melhorou o desempenho do modelo.