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Les processus de gestion et d'aménagements au Sahel, et en particulier à Tougou, constituent à l'heure du dérèglement climatique et de la dégradation très avancée des ressources naturelles, une priorité on ne peut plus majeure. Ceci explique d'ailleurs tout l'intérêt de plus en plus grandissant du nombre des études qui portent sur des thématiques relatives aux techniques de conservation des eaux et des sols (CES) vues que celles-ci, ont pour objectifs la protection des terres, la lutte contre l'érosion, la mobilisation et la maitrise des eaux de ruissellements ainsi que l'amélioration de la production agricole et semblent être les seules solutions du moment. Ces objectifs, font largement appel aux connaissances et aux méthodes de l'hydrologie. L'un des défis de l'hydrologie face aux enjeux climatiques de ces dernières années réside non seulement dans la mise au point de modèles de simulation du comportement des bassins versants afin d'établir des prévisions sur les effets probables d'événement climatiques exceptionnels ou non, mais également dans la meilleure planification de l'aménagement et de la gestion des territoires. La problématique de ce travail de recherche repose sur le développement d'un outil qui soit capable d'une part de modéliser en continue les paramètres du bilan hydrologique, tout en les estimant et d'autre part qui soit en mesure de montrer les différents chemins suivis par l'eau ruisselée sur le versant au travers d'une analyse spatiale sous SAGA-GIS. La tentative de réponse à ces questionnements a nécessité, l'adaptation de la méthode SCS-CN empirique au contexte sahélien où les processus hortoniens prédominent, puis sa transcription dans un algorithme python en vue de son automatisation et de son interaction avec les SIG. Dans la perspective de la connaissance en temps réel de la situation hydrologique d'un bassin versant dans son intégralité, l'analyse spatiale et comportementale du bassin versant (BV) a conduit à le diviser en trois classes d'occupation de sols supposées homogènes. La stratégie globale employée, consistait à évaluer ou à simuler grâce au modèle SCS-CN modifié, les caractéristiques CN, lamax, Smax, lnf et Lr du fonctionnement hydrologique d'abord au niveau de chacune des unités texturales (Parcelles homogènes), puis ensuite au niveau de chacune des trois classes d'occupation de sols (Etats de surface cultivés, dégradés, et avec croûte de dessiccation), pour enfin parvenir à les étendre à l'ensemble du BV. Au nombre des différents résultats obtenus et discutés, il faut retenir sur le plan de la modélisation proprement dite, le fait que le modèle ait apporté la preuve d'un fonctionnement satisfaisant en ce sens, qu'il simule en moyenne par rapport au volume moyen ruisselé observé, le volume d'eau ruisselé à plus de 82% sur les états de surface cultivés et à environ 99% sur les états de surfaces dégradés et nus, et sur le plan de l'analyse par classification hiérarchique ascendante, elle nous apprend que l'on pourrait s'affranchir de la limite que nous imposait les textures pour des classes d'occupation beaucoup plus grande. Enfin, le dernier volet des résultats concernant la construction du modèle hydrologique n'a été qu'à peine abordé, et se résume dans le présent travail à l'élaboration d'un protocole de routage dynamique fonction des cartes d'isochrones.
CE MEMOIRE PRESENTE UN MODELE HYDROLOGIQUE A DISCRETISATION SPATIALE QUI PERMET DE SIMULER LES ECOULEMENTS DE SURFACE SUR UN BASSIN VERSANT QUI COMPORTE DES OUVRAGES HYDRAULIQUES DU TYPE RETENUES D'EAU, AMENAGEMENTS HYDRAULIQUES ET HYDRO-AGRICOLES, PRISES OU REJETS EN RIVIERES. IL S'APPLIQUE AUX CONDITIONS HYDRO-CLIMATIQUES DE LA ZONE SOUDANO-SAHELIENNE. CETTE MODELISATION MET L'ACCENT SUR LES CARACTERISTIQUES SPECIFIQUES DE CERTAINES COMPOSANTES DU CYCLE HYDROLOGIQUE QUI S'AVERENT ETRE DES PLUS INFLUENTES AU NIVEAU DE CETTE REGION. CE SONT EN PARTICULIER LES ECOULEMENTS PROPRES AUX DIFFERENTS TYPES DE SOL ET LEUR COUVERTURE EN MILIEUX RURAL ET URBAIN, LES PLUIES QUI SONT VARIABLES DANS LE TEMPS ET L'ESPACE, LES EAUX D'INFILTRATION, L'EVAPOTRANSPIRATION, LES RUISSELLEMENTS SUPERFICIELS. DEUX SCHEMAS CONCEPTUELS DE CALCUL DU BILAN HYDRIQUE SONT UTILISES POUR DISTINGUER L'ETAT DE L'IMPORTANCE DE LA COUVERTURE VEGETALE AVEC UNE POSSIBILITE DE REPRISE A LA NAPPE DONT L'UN PRIVILEGIANT LE RUISSELLEMENT SUR UN SOL NU OU A FAIBLE VEGETATION, L'AUTRE L'INFILTRATION ET L'EVAPOTRANSPIRATION SUR UN SOL TRES COUVERT. LA VARIABILITE SPATIO-TEMPORELLE DE LA PLUIE S'INTEGRE EN TENTANT DE MIEUX REPRESENTER SUR L'AIRE D'INFLUENCE DES POSTES PLUVIOMETRIQUES, L'ESTIMATION DE LA PLUIE MOYENNE JOURNALIERE. LE MODELE AINSI DEVELOPPE A ETE BAPTISE MODBAM (MODELE DE BASSIN AMENAGE) ET TESTE SUR LE BASSIN VERSANT DU MASSILI (BURKINA FASO) QUI A UNE SUPERFICIE DE 2612 KM#2
CETTE ETUDE EST CONSACREE A LA MODELISATION HYDROLOGIQUE DISTRIBUEE D'UN BASSIN VERSANT NIVO-PLUVIAL DES ALPES FRANCAISES. ELLE EST PRESENTEE EN 3 PARTIES : DANS LA PREMIERE PARTIE, SONT PRESENTES LE BASSIN VERSANT DE RECHERCHE EXPERIMENTALE DE SARENNES ET LES OUTILS NUMERIQUES UTILISES POUR SIMULER LES DEBITS. CETTE MODELISATION EST REALISEE PAR L'INTERMEDIAIRE DU COUPLAGE D'UNE CHAINE DE MODELISATION DU MANTEAU NEIGEUX, ELABOREE PAR LE CENTRE D'ETUDE DE LA NEIGE (SAFRAN-CROCUS), AVEC UN MODELE HYDROLOGIQUE CONCEPTUEL A BASE TOPOGRAPHIQUE (TOPMODEL). ELLE EST REALISEE EN 3 ETAPES QUI FONT L'OBJET DE LA SECONDE PARTIE ET PERMETTENT L'ETUDE DE LA SENSIBILITE DU MODELE HYDROLOGIQUE A LA VARIABILITE SPATIALE DE LA LAME D'EAU DE FONTE FOURNIE PAR CROCUS. UNE PREMIERE MODELISATION DE REFERENCE EST FAITE AVEC UNE VERSION GLOBALE DE TOPMODEL ACCEPTANT UNE ENTREE MOYENNE UNIFORME. PUIS LA COMPLEXITE DU MODELE EST PROGRESSIVEMENT DEVELOPPEE (TOPBAND) D'ABORD PAR UNE PREMIERE SPATIALISATION DE L'ENTREE PAR BANDES D'ALTITUDE. FINALEMENT, UN MODELE TOTALEMENT DISTRIBUE ET DYNAMIQUE (TOPODYN) PERMET DE TENIR COMPTE DE LA VARIABILITE SPATIALE DE L'ENTREE AVEC L'ALTITUDE ET L'ORIENTATION DES VERSANTS. LE RAPPORT COMPLEXITE/PERFORMANCE EST SOIGNEUSEMENT ANALYSE. ENFIN, LA TROISIEME PARTIE S'INTERESSE PLUS PARTICULIEREMENT AUX ENTREES : TOUT D'ABORD, UNE REDISTRIBUTION DE LA CHRONOLOGIE HORAIRE DE LA PLUIE SAFRAN NOUS PERMET D'AMELIORER NOS SIMULATIONS. PUIS UNE VALIDATION DU MANTEAU NEIGEUX SIMULE PAR CROCUS EST EFFECTUEE GRACE AU SUIVI DE LA FONTE NIVALE PAR PHOTOGRAPHIES TERRESTRES. UN TRAITEMENT D'IMAGE ADAPTE PERMET ENSUITE DE DETERMINER L'ENNEIGEMENT REEL. FINALEMENT, DANS LA PERSPECTIVE DE MODELISATIONS HYDROLOGIQUES SUR DES BASSINS BOISES, UN MODULE DE FONTE SOUS FORET EST PROPOSE POUR COMPLETER LA CHAINE SAFRAN-CROCUS EXISTANTE.
Plusieurs modèles hydrologiques ont été développés au cours des dernières décennies. Un modèle hydrologique devrait être capable de représenter tous les bassins versants. Les performances des modèles dépendent des caractéristiques du bassin versant étudié; aucun modèle ne convient à toutes les tâches de modélisation. Cette thèse de doctorat a pour but de proposer une méthode de sélection de modèles parmi un grand nombre de candidats. Elle prend en compte : l'identification d'une banque de modèles performants pour des conditions climatiques différentes et la sélection de modèles appropriés selon les conditions climatiques du bassin versant (aride, tempéré ou continentale) et les objectifs de modélisation (débits élevés, moyens ou faibles). La recherche est basée sur 1446 modèles construits en utilisant l‘approche multistructure empirique (Ensemble Multistructure Framework, EMF) et 100 bassins versants états-uniens aux conditions climatiques diversifiées. L'objectif de cette étude est de valoriser les approches flexibles afin d'identifier des modèles performants pour une diversité de climats. La sélection des modèles est ainsi basée sur les performances individuelles de 1446 modèles en les comparant avec un modèle de référence (GR4J). Sur la base de cette étude, une banque de 80 modèles diversifiés, issus des 1446 modèles initiaux, a été proposée pour d‘autres applications. Pour évaluer l'impact du climat et de la métrique sur la performance du modèle, les 80 modèles présélectionnés ont été évalués sur les trois types de climat et sur les trois objectifs de modélisation. Cette étude propose au final quatre nouveaux modèles hydrologiques conceptuels, adaptés à des conditions climatiques et hydrologiques spécifiques. La modélisation hydrologique demeure imparfaite en raison d'un grand nombre d'incertitudes liées notamment à la description de la transformation pluie-débit par les structures du modèle hydrologique. L'approche multimodèle est une solution alternative, parce que la combinaison de modèles existants peut mener à de meilleurs résultats par rapport aux modèles individuels. La diversité des structures des modèles constitue souvent un des premiers principes du fonctionnement d‘un multimodèle de manière à compenser les erreurs et à améliorer les performances. Les 80 modèles présélectionnés et l'algorithme Backward Greedy Selection (BGS) sont ainsi utilisés afin de sélectionner l‘ensemble des modèles à combiner. Les tests ont été effectués sur six critères (MCRPS, KGEsqrt, Mlogs, NRD, PIT et RDmse). Les résultats montrent que l'optimisation par MCRPS est la plus intéressante.
LES FORTES CRUES DES PETITS BASSINS SAHELIENS SE CARACTERISENT PAR UNE PREPONDERANCE DU RUISSELLEMENT SUPERFICIEL PAR RAPPORT AUX AUTRES TYPES D'ECOULEMENTS (ECOULEMENT RETARDE, ECOULEMENT DE BASE). CETTE CARACTERISTIQUE PEUT S'EXPLIQUER PAR L'HOMOGENEITE DES FORMES DES FORTES PLUIES, MAIS AUSSI PAR L'ABSENCE DE NAPPE SOUTERRAINE PROCHE DE LA SURFACE ET PAR LES PARTICULARITES DES ORGANISATIONS PELLICULAIRES DE L'HORIZON SUPERFICIEL DU SOL. CES DIFFERENTS FACTEURS FONT DU SAHEL UNE REGION IDEALE POUR L'APPLICATION DU CONCEPT D'HYDROGRAMME UNITAIRE, AVEC COMME OBJECTIF L'ANALYSE ET LA PREDETERMINATION DES FORTES CRUES. PLUSIEURS MODELES FONDES SUR LA TECHNIQUE DE L'HYDROGRAMME UNITAIRE SONT PRESENTES. ILS SE DIFFERENCIENT PAR L'EXPRESSION ANALYTIQUE DE LA FONCTION DE PRODUCTION ET PAR LA METHODE D'IDENTIFICATION DE LA FONCTION DE TRANSFERT. CES MODELES SONT APPLIQUES AUX DONNEES DE HUIT PETITS BASSINS VERSANTS DE SUPERFICIE INFERIEURE A 100 KM#2. CETTE APPLICATION PERMET DE DELIMITER LE DOMAINE DE VALIDITE DE CE TYPE DE MODELISATION. UNE METHODE DE PREDETERMINATION DE CRUES SUR DES BASSINS NON JAUGES EST PROPOSEE. LES HYPOTHESES DE BASE DE CETTE METHODE SONT CONFIRMEES PAR DES RESULTATS DE LA MODELISATION
Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte des recherches actuelles en hydrologie consacrées à l'amélioration des performances des modèles hydrologiques à l'aide des connaissances acquises par l'approche expérimentale. Le bassin versant de l'Yzeron (A=147,3 km2), situé à l'Ouest de l'agglomération lyonnaise, constitue le terrain d'étude. Après un état de l'art concernant les processus hydrologiques de génèse des écoulements et la modélisation hydrologique distribuée, le modèle WISTOO a été implémenté sur le bassin de l'Yzeron. Ce premier travail de modélisation a soulevé les différents problèmes, déjà évoqués dans la littérature, d'une modélisation hydrologique distribuée. Il a montré qu'une connaissance sur le comportement hydrologique de la région d'étude est nécessaire. Dans la deuxième partie de ce travail et à l'aide d'une analyse spatiale, utilisant les différentes couches thématiques disponibles, trois sous-bassins versants supposés représentatifs de caractéristiques dominantes liées aux écoulements ont été sélectionnés. Ensuite, une approche expérimentale a été menée, sur ces entités spatiales, à deux échelles : celle du sous-bassin versant (analyse pluie-débit et traçage géochimique) et celle du versant (suivi du niveau piézométrique). L'application du traçage géochimique a permis d'émettre des hypothèses sur le comportement hydrologique de ces entités. Pour une approche à plus petite échelle, une série de piézomètres a été installée sur deux versants ce qui a permis un suivi temporel du niveau piézométrique lors de quelques événements averse-crue. L'association des deux techniques (traçage géochimique et suivi à l'échelle du versant) ainsi que les analyses pluie-débit globales nous ont permis d'apporter quelques éléments de compréhension sur les processus hydrologiques dominants associés aux bassins représentatifs du bassin de l'Yzeron. Une première tentative d'intégration de cette connaissance dans le calage du modèle distribué constitue le dernier chapitre de la thèse
Ce travail de thèse consiste à développer un modèle hydrologique spécifique aux bassins versants urbains capable de représenter de manière distribuée les processus physiques importants en milieu urbain et pourtant souvent négligés dans les modèles classiques, tels que l'évapotranspiration, l'infiltration directe d'eau du sol dans les réseaux ou l'évolution temporelle du niveau de saturation dans le sol. Le modèle URBS (Urban Runoff Branching Structure) est basé sur les informations disponibles dans les Banques de Données Urbaines, à l'échelle de l'Elément Hydrologique basé sur la parcelle cadastrale. L'étude de sensibilité du modèle aux paramètres d'entrée montre l'influence d'un paramètre d'infiltration directe dans les réseaux et de la conductivité hydraulique à saturation du sol. Le modèle est appliqué à plusieurs bassins urbains afin de tester la pertinence des résultats. Les bassins versants de Rezé (4.6 ha) et des Gohards (178 ha) permettent d'évaluer les débits simulés à l'exutoire ainsi que les niveaux de saturation simulés par comparaison aux mesures correspondantes. Les possibilités d'application du modèle URBS sont nombreuses, notamment pour contribuer au développement d'un outil d'aide à l'aménagement des bassins urbains, par exemple en représentant l'influence des techniques alternatives en assainissement pluvial à l'échelle des bassins versants. Le modèle URBS permettant de prendre en considération la distribution spatiale des précipitations, des images radar à résolution spatiale très fine (250 m) sont exploitées pour illustrer l'influence de la variabilité spatiale des précipitations sur la réponse hydrologique de bassins versants urbains réels et fictifs. Une approche théorique permet de quantifier la variabilité des hydrogrammes en fonction d'une caractérisation statistique de la variabilité des précipitations.
Afin de déterminer l'impact hydrologique de l'étalement urbain à venir, la modélisation hydrologique est très utile car elle permet de traduire les scénarios d'urbanisation en scénarios hydrologiques en tenant compte de la variabilité climatique. Malgré la diversité actuelle des modèles hydrologiques applicables sur les bassins urbanisés, ces modèles sont en général développés sur un nombre limité de bassins versants, ce qui pose la question de leur robustesse. L'objectif de cette thèse est de chercher une structure de modèle hydrologique capable de reproduire la relation pluie-débit pour un large échantillon de bassins versants urbanisés, situés en France et aux États-Unis, et caractérisés par différents niveaux d'étalement urbain. Pour ce faire, nous sommes partis d'une structure de modèle conceptuel (GR4H), fonctionnant au pas de temps horaire mais non dédiée aux bassins versants urbanisés. Pour arriver à nos objectifs, nous avons considéré quatre étapes : (1) la collecte et la préparation d'un large échantillon de données pour plus de 2000 bassins versants situés en France et aux États-Unis. L'analyse de la variabilité des coefficients de ruissellement de 852 bassins nord-américains a montré une dépendance non seulement au taux moyen d'imperméabilité totale (TIA), mais aussi aux conditions d'humidité du sol quel que soit le niveau d'étalement urbain du bassin versant ; (2) le test de la structure de départ sur les bassins fortement urbanisés. Cette étape a montré l'aptitude des paramètres du modèle GR4H à traduire les spécificités du comportement hydrologique en contexte urbanisé ; (3) la régionalisation des paramètres de la structure de départ GR4H pour les lier à la fraction du couvert urbain. Les relations de régression obtenues ont été performantes mais peu sensibles à la caractérisation du couvert urbain ; (4) la modification pas-à-pas de la structure de GR4H en rajoutant le ruissellement sur les surfaces imperméables, et en variant le partage entre écoulement rapide et écoulement lent en fonction de chaque bassin. L'évaluation de ces modifications sur 273 bassins versants urbanisés a indiqué une amélioration de la simulation des écoulements surtout lors des périodes sèches et des périodes de crue. Les paramètres rajoutés ont montré une forte dépendance au taux moyen d'imperméabilité totale. Les travaux de cette thèse montrent un exemple de démarche constructive de développement de modèle hydrologique, par laquelle nous avons réussi à améliorer la représentation de l'urbanisation au sein du modèle tout en obtenant de meilleurs résultats en comparant avec des séries observées. Un effort de régionalisation de la nouvelle structure en exploitant des mesures de fragmentation du paysage urbain permettra une étude d'impact de différents schémas d'urbanisation future sur la réponse hydrologique.
D'une superficie de 1196 km2, le bassin versant du Bam-Bam est situé en région sahélienne et constitué de cinq bassins emboités de differentes tailles. L'étude de la dynamique des pluies sur le bassin, reflète les caractéristiques pluviométriques (homogénéite des formes, répartition spatiale) du Sahel en général. Un modèle hydrologique fondé sur la technique de l'hydrogramme unitaire est appliqué à chacun des bassins, avec comme objectif l'analyse et la prédétermination des crues. Les résultats satisfaisants obtenus en approche globale, confirment dans une certaine mesure, la préponderance du ruissellement rapide par rapport aux autres types d'écoulements (écoulement retardé, écoulement de base). La tentative d'approche distribuée révèle l'importance d'un autre type d'écoulement que le ruissellement rapide pour les bassins de superficie superieure à 100 km2. Nous suggérons une démarche tenant compte d'autres facteurs (géomorphologiques, pédologiques) en vue d'une amélioration probable de la modélisation hydrologique dans le Sahel
La description des processus de transformation des précipitations (pluie et neige) en débit dans un bassin versant passe par le choix d'un modèle hydrologique adéquat. Les modèles hydrologiques conceptuels servent à prédire les débits dans les rivières à l'aide de plusieurs paramètres, qui n'ont pas toujours une signification physique. Les débits doivent être déterminés par calibration. Le choix d'une tel modèle repose sur son efficacité, c'est-à-dire sa capacité à fournir des jeux de paramètres permettant au modèle de donner des simulations satisfaisantes. (Perrin, 2002). La validation est l'étape qui suit la calibration où on s'assure que le modèle peut faire des prédictions exactes et reproductibles en dehors de la période sur laquelle il a été calibré (Vogel, 2003). La méthode la plus courante pour valider un modèle hydrologique sur un bassin versant est d'ajuster les données simulées avec les mesures de terrain. La structure de modèle et leurs paramètres associés ne sont pas uniques. Il peut exister plusieurs représentations mathématiques, ce qui risque d'influencer la précision des résultats fournis par le modèle. Dans la plupart des applications de modèles hydrologiques, les réponses simulées du bassin versant, autres que le débit, restent internes (des variables d'état) au modèle. Ceci peut rendre discutable la validité de la description du modèle au processus interne du bassin versant. Il existe plusieurs méthodes pour valider un modèle hydrologique (Seibert, 1997) mais il n'existe pas encore de méthode ou de critère quantitatif définitif pour rejeter un modèle de bassin versant (Vogel & Sankarasubramanian, 2003). La méthode de covariance-variance proposée par Vogel offre une méthodologie quantitative pour accepter ou rejeter un modèle de bassin versant. L'objectif de cette étude est de s'assurer de la capacité du modèle à décrire les échanges dans un bassin versant. La méthode de covariance-variance est basée sur l'aptitude du modèle à représenter la covariance des données métrologiques avec les données de sortie (débit) sans passer par l'étape de calibration. La calibration du modèle génère une erreur inévitable (Vogel & Sankarasubramanian, 2003). Afin de vérifier la pertinence de la méthode de la covariance et sa fiabilité, nous l'avons appliquée sur 125 bassins hydrographiques québécois jaugés par le département de l'expertise hydraulique du Québec (DEHQ), en nous servant des modèles hydrologiques GR4J (Perrin, Michel, & Andréassian, Improvement of a parsimonious model for streamflow simulation, 2003) à quatre paramètres, qui est couplé avec le module de neige CemaNeige (Valery, 2010), HBV (Lindstrom, Johansson, Persson, Gardelin, & Bergstrom, 1997) à dix paramètres, MOHYSE (Fortin & Turcotte, 2007) à dix paramètres et HMETS (Martel, Demeester, & Brissette, HMETS- A simple and efficient model for flow forecasting, climate studies and teaching hydrological modelling, 2014) à vingt et un paramètres. Pour chaque bassin, une période de 16 ans située entre 1980 et 2015 a été sélectionnée. La démarche consiste à effectuer un grand nombre de simulations (Monte Carlo) et s'appuie sur les données observées disponibles (débits, précipitations, température...) afin d'explorer exhaustivement l'espace des valeurs acceptables de débits obtenues par les quatre modèles. Le but est de réussir à tirer l'information des données disponibles pour un bassin et d'en déduire la structure du modèle la plus adaptée. Nos résultats montrent que les modèle GR4J et HMETS ont pu établir une relation entre un ensemble de données simulées obtenues par la méthode de Monte-Carlo et l'observation pour tous les bassins, alors que les modèles hydrologiques MOHYSE et HBV n'ont pas pu établir cette relation pour la majorité des bassins versants étudiés. Ces deux derniers modèles ont représenté les bassins versants moins bien que les autres modèles.