Comparison of hydrological modelling R packages

DoctoralR packages are increasingly being used for hydrological studies as the R programming languageis open source and easily operable. The R packages containing hydrological models are part of theavailable packages indented for hydrology. However, it was noticed that there has never been anyanalysis about these specific packages despite their growing number.In this report, a general overview was first made so as to show the overall characteristics of someR packages containing rainfall-runoff models that were found in the package repositories. Ten hydrological modelling R packages were then selected for more thorough assessments. The package models were examined in terms of modelling “philosophy”, i.e. the represented hydrological processes, the applied spatial distribution, the requirements to use the models and the ability of the packages to make available a variety of outputs. The packages were then assessed regarding their usability through some analyses of their technical features, ease of use and R design. Seven packages were finally used torun some of their models on two different catchments. The report contains a framework that shouldenable any newcomer to use seven hydrological modelling R packages on specific catchments in orderto simulate time series of streamflow values.Results showed that the packages contain models with very different conceptions of hydrologicalmodelling. Indeed, the models range from very simplified conceptualization bases to very complexrepresentations of runoff generation mechanisms. Therefore, they do not involve the same inputsor parameters in order to be operated. Making use of the different models thus requires a completeunderstanding of the models and of the package specificities that are not always made obvious by thepackages documentation. The simulations that were performed on two catchments seemed to indicatethe importance of using the package models under suitable conditions so as to obtain reliable results.It is perceived that the outcomes of this study could ease the required preliminary steps to choose anduse an R package for hydrological modelling.Le logiciel R est de plus en plus utilisé en hydrologie, car il s’agit d’un langage de programmation libre, facile d’accès et qu’il propose désormais de nombreux packages relatifs à ce domaine, notamment des packages propres à la modélisation. Cependant, on peut regretter que, malgré leur nombre croissant, aucune analyse de la spécificité de ces packages n’a encore été réalisée. Dans ce rapport, nous avons porté notre attention sur les packages R qui proposent des modèles pluie–débit, et nous avons pris le soin de décrire les caractéristiques générales de ces derniers. Dix d’entre eux ont ensuite été sélectionnés pour des évaluations plus approfondies. Les modèles qu’ils contiennent ont été analysés du point de vue du modélisateur, c’est-à-dire en s’intéressant spécifiquement aux processus hydrologiques représentés, à la manière dont la distribution spatiale est réalisée et aux données nécessaires à leur utilisation. Nous avons également étudié les caractéristiques techniques des packages, leur facilité d’utilisation et la manière dont ils ont été implémentés pour le langage R. Sept packages ont finalement été choisis pour réaliser des tests de simulation de leurs modèles sur deux bassins versants différents. Le présent rapport contient un ensemble de scripts R qui devrait aider les novices à utiliser ces sept packages R, afin de simuler des chroniques de débit sur des bassins versants qui leurs sont propres. Les résultats ont montré que les packages proposent des modèles hydrologiques de conceptions très différentes (de représentations conceptuelle et spatiale très simplifiées, à des structures plus complexes pouvant représenter des mécanismes de génération du ruissellement). Par conséquent, ils ne requièrent pas les mêmes données d’entrée et n’ont pas les mêmes paramètres. L’utilisation approfondie des différents modèles nécessite une compréhension profonde de leurs spécificités et de la manière dont ils ont été implémentés dans les packages, ce qui n’est pas toujours aisé si l’on ne se réfère qu’à la documentation proposée par ces derniers. Les simulations effectuées sur deux bassins versants d’exemple semblent montrer qu’il est important d’utiliser les modèles dans des conditions appropriées afin d’obtenir des résultats fiables. Nous pensons que ce travail pourrait aider les modélisateurs novices à choisir le package le plus adapté à leurs questions scientifiques et à leurs données