ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORÊTS N° attribué par la bibliothèque |_|_|_|_|_|_|_|_|_|_| THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’ENGREF Spécialité: Sciences de l'Eau préparée dans l’Unité de Recherche Hydrosystèmes et Bioprocédés Cemagref, Antony dans le cadre de l’Ecole Doctorale Géosciences et Ressources Naturelles présentée et soutenue publiquement par Marie BOURQUI
le 4 avril 2008 à l'Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et des Forêts Centre de Paris
Impact de la variabilité spatiale des pluies sur les performances des modèles hydrologiques
JURY Cyril Kao Président Cécile Loumagne Directeur de thèse Roger Moussa Co-Directeur de thèse François Anctil Rapporteur Gil Mahé Rapporteur Hervé Andrieu Examinateur Rémy Garçon Examinateur
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À Pierry
3 Remerciements
Remerciements
Cette thèse s'est déroulée au sein de l'équipe Hydrologie du Cemagref à Antony. Qui dit équipe dit évidemment que le chemin, du début où l'on ne sait pas trop ce qu'on va faire jusqu'à la rédaction finale, n'a pas été parcouru seule…
Je voudrais en premier lieu remercier Cécile Loumagne, ma directive de thèse, et Roger Moussa, mon co-directeur, de m'avoir fait confiance pour mener ces travaux. Je tiens aussi à exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes qui m'on fait l'honneur d'être membres de mon jury : Gil Mahé et François Anctil qui ont été de méticuleux et ...
ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORÊTS
N° attribué par la bibliothèque
|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|
THESE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l’ENGREF
Spécialité: Sciences de l'Eau
préparée dans l’Unité de Recherche Hydrosystèmes et Bioprocédés
Cemagref, Antony
dans le cadre de l’Ecole Doctorale Géosciences et Ressources Naturelles
présentée et soutenue publiquement par
Marie BOURQUI
le 4 avril 2008
à l'Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et des Forêts
Centre de Paris
Impact de la variabilité spatiale des pluies
sur les performances des modèles hydrologiques
JURY
Cyril Kao Président
Cécile Loumagne Directeur de thèse
Roger Moussa Co-Directeur de thèse
François Anctil Rapporteur
Gil Mahé Rapporteur
Hervé Andrieu Examinateur
Rémy Garçon Examinateur
2
À Pierry
3 Remerciements
Remerciements
Cette thèse s'est déroulée au sein de l'équipe Hydrologie du Cemagref à Antony. Qui dit
équipe dit évidemment que le chemin, du début où l'on ne sait pas trop ce qu'on va faire
jusqu'à la rédaction finale, n'a pas été parcouru seule…
Je voudrais en premier lieu remercier Cécile Loumagne, ma directive de thèse, et Roger
Moussa, mon co-directeur, de m'avoir fait confiance pour mener ces travaux. Je tiens aussi à
exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes qui m'on fait l'honneur d'être membres
de mon jury : Gil Mahé et François Anctil qui ont été de méticuleux et complémentaires
rapporteurs du manuscrit; Hervé Andrieu et Rémy Garçon (Arrêtes Rémy avec tes
300 mm !) pour leur rôle d'examinateur et enfin Cyril Kao pour avoir accepté de présider ce
jury. Je remercie également les personnes qui ont participé aux comités de suivi avec mes
encadrants : Pierre Ribstein, Jacques Lavabre et Gérard Dégoutte.
Je voudrais aussi exprimer ma profonde gratitude et mon immense estime à Charles Perrin,
qui a eu la délicate tâche de me suivre, de m'orienter, de m'épauler et de m'aider au quotidien
jusqu'au dernier point du manuscrit. Sans son investissement sans limites (enfin je les ai
cherchées, je n'ai pas trouvées) dans le suivi de mes travaux, le bilan de cette thèse aurait été
moins positif que ce qu'il est à ce jour !
Une spéciale dédicace pour Vazken Andréassian, chef de l'équipe du groupe hydrologie, mais
en fait bien plus qu'un chef d'équipe (conteur, chanteur, apiculteur, marieur, historien…).
Une pensée aussi pour Claude Michel, qui a désormais rendu son tablier, mais qui est
l'instigateur de presque toutes les méthodes utilisées dans l'équipe.
Je voudrais donc remercier sincèrement ces trois "mentors" de l'équipe pour m'avoir mis sur
les rails de la modélisation hydrologique et de m'en avoir fait comprendre toute la rigueur
nécessaire.
Le dernier chapitre de cette thèse n'aurait pu voir le jour sans l'aimable concours d'Eric
Martin et de Pere Quintina Segui de Météo-France à Toulouse, qui m'ont fourni les
simulations du modèle SIM. Je les en remercie vivement. Je ne voudrais pas non plus oublier
5 Remerciements
Gilles Bonnet qui m’a donné accès au cluster de Clermont-Ferrand et qui, avec l’assistance
de Lionel, m’a permis de gagner un temps inouï dans les calculs et l’organisation du travail.
Plus amplement maintenant, un grand merci à tous les membres permanents de l'équipe
Hydrologie (Marine pour l'animation de la rubrique people, Jean-Louis pour les bases SIG,
sans oublier Julien, Mamoutou, Pierre et Maria-Helena). Le même grand merci aux thésards
et ex-thésards de l'équipe: merci à Thib, pour son appui sur les méthodes multi-modèle et
aussi son soutien "piscicologique" et son aide à redémarrer la machine quand la motivation
venait à manquer et aussi ravie qu’il soit devenu un excellent compagnon de ski de rando
"social" ; à Nico, grand gestionnaire des données Safran et collecteur de données
hydrologiques mais aussi adepte des "boundaries conditions" ; à Lionel, pour son appui
technique informatique ; à Audrey, pour m'avoir supportée en tant que colocataire du
bureau ; à Jean Luc, pour son soutien à coup de baklavas et aussi à Claudia, Nanée et Ludo.
Je ne veux pas non plus oublier les stagiaires de l'équipe Seb, Bastien, Golnoush, Blandine et
les nombreux autres…
Je voudrais remercier aussi les membres des autres équipes de l'unité HBAN du Cemagref
d'Antony avec qui nous partageons les locaux pour leur accueil et leur gentillesse. En
particulier, les écotoxo-pisci-épurateurs Yannick, Seb, Antoine, Vivien, Fred, Bastien et les
autres pour l'animation pleine d'entrain autour de la machine à café et ailleurs. Ceux du
deuxième sont aussi méritants notamment Béné (rédac’ en chef RLP et courageuse et
rigoureuse relectrice du manuscrit de cette thèse), Yves, François et Julien pour leur bonne
humeur quasi permanente. Merci aussi à Sophie et Valérie pour la gestion de "choc" des
affaires administratives, toujours avec le sourire !
Au Cemagref, bien sûr, on travaille dur mais c'est parce que l'on a l'occasion de se détendre !
Merci donc au participants quasi-infatigables de l'activité frisbee avec une dédicace pour
François son précurseur. Merci aussi à ceux qui ont instauré les parcelles de jardin car biner
les tomates et planter les salades en fin d'après midi après avoir débuguer un fortran, ça fait
du bien ! Merci également à tous les apprentis apiculteurs dont j'ai fait partie et notamment à
Vazken qui a fait des pieds et des mains pour installer les ruches sur le centre. Merci aussi à
Evelyne et Laura de la billetterie ASSCR, leurs places de spectacles m'ont permis de
découvrir d'innombrables lieux culturels parisiens.
6 Remerciements
Une dédicace aux membres encore actifs (ils se reconnaîtront !) du Club International
d'Hydrologie Sociale, ainsi qu'au bar-restaurant chez Mamane pour son couscous excellent
et son accueil extrêmement chaleureux tout au long de mes trois années et quelque de thèse.
Bon, il y a Paris, il y a la thèse, mais on garde toujours ses origines… Je voulais faire donc
un petit coucou à la famille, aux "coupines" et "coupins" souvent très loin de la "grande
ville". Ils n'ont pas pu faire grand-chose pour moi pour la thèse proprement dite mais ils ont
été là au bon moment. Je voudrais particulièrement les remercier d'avoir fait le déplacement
jusqu'a la capitale pour la soutenance et de s'être occupé de l'organisation de l'énoooorme pot
de thèse : Emilie, Sophie(s), Céline, Cécile, Laurent, mon frère (digne représentant de
Florence, d'Adèle et du dernier à naître), Christian, les tontons, les cousins, Pierre et
Blanche, la famille Stolzenberg et mes infatigables mère et grand-mère.
Sans oublier évidemment Geoffroy que je remercie du "fond du cœur" pour avoir mis sa
"griffe" dans le graphisme du PPT.
Le chapitre thèse est terminé, comme dirait Vazken, la suite est écrite, mais je n'ai pas encore
trouvé où !
Bonne lecture
7 Résumé
Résumé
La variabilité spatiale des précipitations est souvent considérée comme une importante
source d'erreurs en modélisation hydrologique. Est-ce une idée reçue ? La lecture des
nombreuses études publiées sur la question n'apporte en tout cas aujourd'hui pas de
conclusions claires.
L'objectif de cette thèse est d'analyser l'impact de la variabilité spatiale des pluies sur les
performances des modèles hydrologiques. Dans ce travail, nous avons cherché à dépasser les
limites des études existantes (faible nombre de cas) et à parvenir à des conclusions aussi
générales que possible en utilisant environ 200 bassins français, plusieurs modèles
hydrologiques et deux pas de temps (horaire et journalier). L'essentiel du travail s'est
concentré sur des modèles hydrologiques globaux qui ont été modifiés pour prendre en
compte la variabilité spatiale des pluies. Nous avons cherché à quantifier les gains de
performance rendus possibles par une prise en compte de cette variabilité. Dans ce travail, la
variabilité des pluies a été évaluée sur la base du réseau de postes pluviométriques au sol.
Deux approches ont été explorées :
o La première consiste à introduire dans la structure du modèle global un indice de
variabilité de précipitations, permettant de moduler le fonctionnement du modèle en
fonction de l'hétérogénéité plus ou moins forte de la pluie sur le bassin.
o La seconde consiste à appliquer une approche multi-modèle : plusieurs modèles
fonctionnant en parallèle sont alimentés par des pluies différentes issues des postes
présents sur le bassin, leurs simulations étant combinées suivant différentes
stratégies d'agrégation.
Les résultats des nombreux tests réalisés indiquent que les gains de performances qui
peuvent être attendus par introduction d'information sur la variabilité des pluies sont, en
moyenne sur notre échantillon de bassins versants, très limités. Sur certains bassins, des
gains significatifs ont pu être obtenus, sans qu'il soit cependant possible d'identifier de
déterminants physiques ou climatiques communs aux bassins versants concernés.
Une analyse complémentaire sur la sensibilité d'un modèle distribué à la spatialisation des
pluies indique également l'influence limitée de la variabilité de la pluie sur les performances
du modèle, en moyenne sur l'échantillon de bassins.
Mots-clés : Hydrologie, Modélisation pluie-débit, Précipitations, Variabilité spatiale
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