A review of the current state of process-based and data-driven modelling guidelines for Lake Erie managers and watershed modellers

• Published in: Environmental reviews Vol. 29; no. 4; pp. 443 - 490
• Main Authors: Neumann, Alex, Dong, Feifei, Shimoda, Yuko, Arnillas, Carlos Alberto, Javed, Aisha, Yang, Cindy, Zamaria, Sophia, Mandal, Sohom, Wellen, Christopher, Paredes, Diana, Feisthauer, Natalie, Blukacz-Richards, E. Agnes, Yerubandi, Ram Rao, Arhonditsis, George B.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 1840 Woodward Drive, Suite 1, Ottawa, ON K2C 0P7 Canadian Science Publishing 01.12.2021; NRC Research Press
• Subjects: adaptive management implementation; agricultural management; analyse d’incertitude; basins; best management practices; climate; ensemble de modèles; Environmental aspects; Eutrophication; groundwater; Hydrologic cycle; lac Érié; Lake Erie; Management; meilleures pratiques de gestion; mise en œuvre de la gestion adaptative; model ensemble; nonlinear models; phosphorus; plant growth; REVIEW; Runoff; sediment transport; sediments; soil; solutes; uncertainty analysis; Water; Water cycle; Water resource management; watersheds; North America; Lake Erie
• ISSN: 1181-8700; 1208-6053; 1208-6053
• DOI: 10.1139/er-2020-0070

Elevated phosphorus (P) loading from the watersheds draining into Lake Erie, particularly from agricultural (53%) and urban (43%) sources, is identified as one of the main drivers of the severe eutrophication. In this study, we present a comprehensive evaluation of 11 process-based models to characterize the water cycle as well as nutrient fate and transport within a watershed context, and to find a robust and replicable way to optimize the modelling strategy for the Lake Erie watershed. Our primary objective is to review the conceptual/technical strengths and weaknesses of the individual models for reproducing surface runoff, groundwater, sediment transport, nutrient cycling, and channel routing, and to collectively guide the management of the Lake Erie Basin. Our analysis suggested that the available models either opted for simpler approximations of the multifaceted, nonlinear dynamics of nutrient fate and transport, and instead placed more emphasis on the advanced representation of the water cycle or, introduced a greater degree of biogeochemical complexity but simplified their strategies to recreate the roles of critical hydrological processes. Notwithstanding its overparameterization problem, the MIKE SHE model provides the most comprehensive 3D representation of the interplay between surface and subsurface hydrological processes with a fully dynamic description, whereby we can recreate the solute transport that infiltrates from the surface to the unsaturated soil layer and subsequently percolates into the saturated layer. Likewise, the physically based submodels designed to represent the sediment detachment and erosion/removal processes (DWSM, HBVINCA, HSPF, HYPE, and MIKE SHE), offer a distinct alternative to USLE-type empirical strategies. The ability to explicitly simulate the daily plant growth (SWAT and APEX) coupled with a dynamic representation of soil P processes can be critical when evaluating the long-term watershed responses to various agricultural management strategies. Drawing parallels with the (sub)surface and sediment erosion processes, a more complicated physically based approach, e.g., the dynamic wave model provided by MIKE SHE (coupled with MIKE URBAN or MIKE HYDRO) and SWMM may be more appropriate for realistically simulating the pressurized flow and backwater effects of water routing in both open channels and closed pipes. While our propositions seem to favor the consideration of complex models that may lack the commensurate knowledge to properly characterize the underlying processes, we contend this issue can be counterbalanced by the joint consideration of simpler empirical models under an ensemble framework, which can both constrain the plausible values of individual processes and validate macroscale patterns. Finally, our study discusses critical facets of the watershed modelling work in Lake Erie, such as the role of legacy P, the challenges in reproducing spring-freshet or event-flow conditions, and the dynamic characterization of water/nutrient cycles under the nonstationarity of a changing climate. La charge élevée de phosphore (P) provenant des bassins versants qui se déversent dans le lac Erié, en particulier du bassin versant de la rivière Maumee à prédominance agricole, est identifiée comme l’un des principaux facteurs de gravité de l’eutrophisation. Dans cette étude, les auteurs présentent une évaluation complète de onze modèles fondés sur les processus pour caractériser le cycle de l’eau, le devenir et le transport des nutriments dans un contexte de bassin versant, et pour trouver une façon robuste et reproductible d’optimiser la stratégie de modélisation pour le bassin versant du lac Erié. Leur objectif principal consiste à examiner les forces et les faiblesses conceptuelles ou techniques des différents modèles pour reproduire le ruissellement de surface, les eaux souterraines, le transport des sédiments, le cycle des nutriments, le tracé des canaux et pour guider collectivement la mise en oeuvre de la gestion adaptative dans le lac Erié. Leur analyse suggère que les modèles disponibles ont soit opté pour des approximations plus simples de la dynamique complexe et non linéaire du devenir et du transport des nutriments et ont plutôt mis l’accent sur la représentation avancée du cycle de l’eau, soit introduit un plus grand degré de complexité biogéochimique, mais ont simplifié leurs stratégies pour recréer le rôle des processus hydrologiques critiques. En dépit de son problème de surparamétrage, MIKE SHE fournit la représentation 3D la plus complète de l’interaction entre les processus hydrologiques de surface et de sous-surface avec une description pleinement dynamique, par laquelle il est possible de recréer le transport d’un soluté qui s’infiltre de la surface à la couche de sol non saturée et percole ensuite dans la couche saturée. De même, les sous-modèles fondés sur la physique conçus pour représenter le détachement des sédiments et les processus d’érosion/ablation (DWSM, HBV-INCA, HSPF, HYPE et MIKE SHE) offrent une option distincte aux stratégies empiriques de type USLE. La capacité de simuler explicitement la croissance quotidienne des plantes (SWAT et APEX) couplée à une représentation dynamique des processus de P du sol peut être critique lors de l’évaluation des réponses à long terme des bassins versants à diverses stratégies de gestion agricole. En établissant un parallèle avec les processus d’érosion (sub)surface et sédimentaire, une approche physique plus complexe, par exemple le modèle dynamique de vagues fourni par MIKE SHE (couplé à MIKE URBAN ou MIKE HYDRO) et SWMM, peut être plus appropriée pour simuler de manière réaliste les effets de l’écoulement sous pression et du reflux de l’eau dans les canaux ouverts et les conduites fermées. Alors que leurs propositions semblent favoriser la prise en compte de modèles complexes qui peuvent manquer de connaissances adéquates pour caractériser correctement les processus sous-jacents, ils soutiennent que ce problème peut être contrebalancé par la prise en compte conjointe de modèles empiriques plus simples, dans un cadre d’ensemble, qui peuvent à la fois contraindre les valeurs plausibles des processus individuels et valider les modèles à grande échelle. Enfin, cette étude aborde des aspects critiques du travail de modélisation des bassins versants du lac Erié, tels que le rôle du phosphore résiduel, les difficultés à reproduire les conditions de crue printanière ou d’écoulement, et la caractérisation dynamique des cycles de l’eau et des nutriments dans le contexte de non-stationnarité d’un climat changeant.