Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Modèle hydrologique global“

Evaluer le pouvoir prédictif d’un modèle pluie-débit est crucial en hydrologie de surface car cela permet de borner les limites de son utilisation en extrapolation, autrement dit dans des conditions hydro-météorologiques et géographiques différentes de celles de la phase d’apprentissage du modèle. En outre, ce pouvoir prédictif est susceptible d’être dépendant de la connaissance climatique des bassins et de la complexité de la relation pluie-débit. Pour tester la réaction d’un modèle hydrologique empirique à la stratégie d’échantillonnage de ses variables d’entrée climatiques, une étude de sensibilité a été appliquée au modèle hydrologique global GR4J. Celui-ci a fait l’objet d’un calage dynamique en utilisant une information climatique d’origine et de densité spatiale variables pour le calcul de ses entrées atmosphériques (précipitations et évapotranspiration potentielle). Les hydrogrammes journaliers calculés après recalage ont été comparés aux hydrogrammes journaliers observés sur un échantillon de 148 bassins faisant l’objet d’un suivi hydrométrique dans la partie française du bassin Rhin-Meuse. Les résultats de l’analyse montrent que le modèle GR4J réagit fortement au changement d’entrées de précipitations (précipitations au poste vs précipitations distribuées) en améliorant la définition des paramètres et en identifiant mieux le comportement hydrologique du bassin modélisé en conditions jaugées comme en conditions non jaugées. A l’inverse, le modèle GR4J montre une insensibilité au changement de densité spatiale du réseau de postes météorologiques utilisé pour calculer l’évapotranspiration potentielle prescrite au modèle et ne tire donc pas partie d’une concentration de postes pour simuler les débits en conditions jaugées comme en conditions non jaugées.

Des recherches ont été menées dans la Sierra Madre Occidentale du Mexique afin de déterminer l'impact des modifications physiques du milieu (surpâturage et déboisement) sur le fonctionnement hydrodynamique des bassins. L'étude des régimes hydrologiques des deux principaux cours d'eau (le río Ramos avec un bassin de 7.100 km2 et le Sextin de 4.700 km2) composant le haut Nazas montre une variation possible du régime hydrologique qui pourrait être liée aux dégradations de l'espace. Cette modification du régime n'est pas visible dans les tendances annuelles des pluies et des écoulements. De ce fait, d'autres indicateurs sont utilisés dans la recherche de tendances. En utilisant des algorithmes ordinaires et un modèle global simple (le modèle Nazas) nous testons et proposons ici trois indicateurs du régime hydrologique: 1. la comparaison entre les coefficients d'écoulement de base et de crue montre une possible diminution de l'écoulement de base; 2. Les temps de réponse des bassins montrent une probable diminution. Cela signifie que la transformation de la pluie en débit pourrait devenir de plus en plus rapide 3. le degré de participation de l'humidité préalable du milieu montre une possible diminution des temps de ressuyage du sol. Si les résultats sont peu significatifs statistiquement dans cette zone, tous les indicateurs montrent une possible modification du régime hydrologique. L'enjeu est de taille ; la sierra approvisionne en eau plus du quart de la superficie du Mexique. Les modifications du régime hydrologique pourraient avoir des conséquences graves sur le développement.

Sur le bassin versant de la rivière Saint-Charles, il est nécessaire de mieux gérer l’eau, d’un point de vue quantitatif et qualitatif. Or la prise de décisions peut être aidée par la modélisation hydrologique. Ce travail porte sur la mise en place du modèle semi-distribué de qualité de l’eau SWAT (« soil and water assessment tool ») sur ce bassin versant urbain et relativement montagneux, et sur l’évaluation de sa capacité à simuler les débits. Cette première approche est comparée à deux autres, reposant pour l’une sur l’utilisation du modèle hydrologique global GR4J, et pour l’autre sur l’emploi d’un réseau de neurones. La quantité d’eau issue de la fonte de la neige, calculée ici par le module de fonte de SWAT, a été renseignée à ces deux autres modèles. Ce bassin présente par ailleurs de réelles difficultés pour ce type de modélisation, liées essentiellement au manque de données : quasi-absence d’information spatiale sur les précipitations et absence d’étude pédologique détaillée. Les résultats, globalement satisfaisants, montrent toutefois que la performance hydrologique résultant des trois approches est limitée par ces manques : celle utilisant SWAT davantage que les deux autres. Dans ce cas, les lacunes ne permettent pas d’utiliser le plein potentiel du modèle SWAT, dont la structure plus lourde devient un inconvénient dès que les données sont disponibles en quantité et en qualité insuffisantes pour en justifier l’exploitation, en opposition à GR4J et au réseau de neurones. Il semble donc incontournable, considérant l’importance stratégique du bassin versant de la rivière Saint-Charles pour l’approvisionnement en eau potable et le support aux activités récréatives et touristiques, que l’effort d’observation de ce territoire soit accru, afin d’y augmenter notamment les données climatologiques et pédologiques disponibles.

Le débit des rivières et la recharge des nappes dans la région de Marrakech sont étroitement liés à la dynamique hydrologique dans le Haut-Atlas. Pour anticiper les effets du changement climatique dans cette région où la demande en eau est croissante, il est essentiel de mieux connaitre la contribution respective de la fonte de la neige et des pluies au débit des oueds de montagne. Cette étude vise à modéliser les débits de l'oued Rheraya dans le Haut-Atlas marocain (225 km², altitudes comprises entre 1030 m et 4165 m) en prenant en compte la composante nivale. Pour cela, le modèle conceptuel global GR4J est appliqué sur la période 1989-2009 en y adjoignant le module CemaNeige qui simule la dynamique de la composante neigeuse de manière semi-distribuée. Ces travaux permettent d'affiner la caractérisation du régime hydrologique du bassin. La fraction enneigée simulée se révèle corrélée avec celle extraite du produit neige MODIS durant la période 2000-2009 (R2 = 0,64). De plus, l'équivalent en eau de la neige simulé est cohérent avec celui mesuré par une station automatique durant la période 2004-2006 (R2 = 0,81). Enfin, nous obtenons une simulation des débits qui reproduit bien la très forte variabilité saisonnière et interannuelle. Le Nash relativement faible par rapport aux standards habituels (0,45) peut s'expliquer par la faible qualité des mesures de débit (régime d'oued à lit instable). En conclusion, le régime hydrologique de l'oued Rheraya est pluvio-nival avec une distribution des débits unimodale dont le maximum en avril coïncide avec la fonte des neiges. C'est à ce moment que les populations en aval sont les plus vulnérables au déficit de débit car les cultures irriguées entrent en période de croissance.

Dans le cadre d'une collaboration entre le CENID-RASPA (Centro National de Investigación Disciplinaria - Relación Agua, Suelo, Planta y Atmosfera, México) et l'IRD (anciennement ORSTOM, France), sept petites retenues du ranch Atotonilco, ranch d'élevage extensif situé au Nord-Mexique dans une zone semi-aride montagneuse, ont été équipées pour l'enregistrement en continu des niveaux d'eau (1996-1998). Des pluviomètres et pluviographes ont été installés sur leurs bassins versants (0,15 à 4,10 km2) et répartis sur toute la surface du ranch (450 km2). Par ailleurs, une soixantaine de petits barrages équipent ce ranch. En période pluvieuse ils complètent l'alimentation en eau du bétail, assurée principalement par des forages. L'objectif général de l'étude menée par le CENID-RASPA est d'analyser quel est et quel pourrait être le rôle de ces petits barrages dans l'alimentation en eau du ranch. À l'échelle des bassins versants, l'analyse des relations entre la hauteur de pluie et la lame ruisselée montre que la prise en compte de l'intensité de pluie est nécessaire pour expliquer le ruissellement. Dans ce but, un modèle hydrologique global conceptuel a été défini utilisant les notions : - d'intensité de pluie limite du ruissellement (IL), - d'indice des pluies antérieures (IK) - de pluie utile (PUIL), somme des pluies dont l'intensité, pour une même averse, dépasse la valeur limite IL. Les averses sans ruissellement et avec un faible ruissellement servent à définir la relation entre IL et IK. Deux paramètres définissent les relations hydro-pluviométriques : le coefficient de croissance parabolique E et le paramètre de position F, associé à l'origine des ruissellements. Le paramètre de position F varie en fonction de l'indice des pluies antérieures et tend à s'annuler pour une forte valeur de IK. Le paramètre E varie peu pour un même bassin, sauf lorsque deux averses sont espacées de moins de 24 heures et lorsque le couvert végétal herbeux est très dégradé. Dans ces deux cas, le coefficient E est nettement plus élevé, parfois trop élevé pour l'utilisation d'une relation parabolique. Les relations ainsi définies ont été utilisées pour calculer de longues séries d'apports journaliers dans les petits barrages du ranch Atotonilco (ESTRADA AVALOS, 1999).

La modélisation pluie-débit et les modèles hydrologiques sont devenus des outils indis - pensables permettant la prise de décision pour toutes les études et recherches dans le domaine de l’estimation et de la gestion des ressources en eau. L’approche envisagée dans ce contexte consiste à utiliser des modèles climatiques et hydrologiques basés sur une série de données hydropluviométriques, mesurées au niveau de la station de djebel Chouachi afin de simuler la réaction du bassin versant de l’oued Boukiou (Tafna, Algérie) aux sollicitations principalement pluviométriques. Pour ce faire, nous avons appliqué deux modèles hydrologiques, le GR (génie rural) et le Gardénia (modèle global à réservoirs pour la simulation de débits et de niveaux aquifères) au pas de temps journalier afin de tester leur réaction aux données du bassin et de comparer leur performance à simuler les phénomènes hydrologiques qui caractérisent le bassin de Boukiou. Les résultats obtenus indiquent que les deux modèles semblent bien adaptés aux données de l’oued Boukiou. Leur optimisation a été obtenue pour des valeurs élevées des critères de qualité (critère de Nash supérieur à 80 % et coefficient de corrélation de plus de 90 % pour les deux modèles). Toutefois, le modèle à réservoirs Gardénia paraît plus performant que celui du génie rural (GR) pour le bassin versant de l’oued Boukiou. Le modèle Gardénia utilise plus de paramètres hydrologiques et est plus facile à caler que le GR.

Dans le milieu aride et semi-aride tunisien, les aménagements de conservation des eaux et du sol jouent un rôle important dans la collecte et le stockage sur les versants des eaux de ruissellement. Cependant l'impact de ces aménagements sur les écoulements reste mal connu. Pour évaluer l'impact de banquettes à rétention totale à l'échelle d'un bassin versant situé au centre de la Tunisie, en zone semi-aride, nous nous proposons dans cet article d'utiliser le modèle géomorphologique H2U, fonction de transfert basée sur la répartition des chemins de l'eau à la surface du bassin. Pour la reconstitution des crues, ce modèle a été couplé à une fonction de production qui définit la pluie nette (lame ruisselée) à partir de la hauteur précipitée sur le bassin versant. Entre juillet 96 et juillet 97, le bassin versant d'El Gouazine (18,1 km2) a été aménagé en banquettes à rétention totale. La longueur moyenne de ces banquettes est d'environ 100 m pour une hauteur moyenne de 1,50 m. L'écartement moyen entre les banquettes est de 25 m. La superficie aménagée sur le bassin versant est de 783 hectares, soit 43 % de sa superficie. Cet aménagement a intéressé principalement les terres de culture et une partie des parcours dégradés transformés à cette occasion en terres de culture. Dès lors, sur ce bassin, les eaux de ruissellement sont interceptées par ces levées de terre et elles n'atteignent l'oued principal qu'après avoir rempli les fossés créés en amont des banquettes. Avant l'aménagement en banquettes, le coefficient de ruissellement global du bassin versant était de l'ordre de 7 à 8 % pour les hauteurs de pluie inférieures à 20 mm et compris entre 20 et 30% pour les hauteurs de pluie supérieures à 20 mm. Les pluies d'automne (septembre - octobre) présentaient les coefficients de ruissellement les plus forts car elles sont caractérisées par des intensités très élevées et les sols ne sont pas encore couverts par les végétations naturelles et cultivées. Ils présentent alors des croûtes de battance qui limitent l'infiltration des eaux de ruissellement. Le calage du modèle H2U (fonctions de transfert et de production associée) sur 12 crues avant aménagement a fourni une pluie d'imbibition initiale de 10 mm, une intensité limite pour l'apparition de ruissellement de 3,6 mm.h-1, un coefficient de ruissellement efficace de 42 % et un temps moyen de parcours de l'ordre de 40 minutes. Le modèle a été par la suite validé pour la crue du 20 septembre 1995. Les critères d'ajustement sont bons pour le calage et pour la validation. Le critère de Nash appliqué aux débits ruisselés est de 0,62 à 0,96 pour le calage et de 0,96 pour la validation. Après l'aménagement, les pluies enregistrées n'ont engendré qu'un faible ruissellement : un coefficient de ruissellement compris entre 1 à 3% pour les pluies de 30 à 50 mm, un coefficient de ruissellement de 9% pour une pluie de 80 mm (24 septembre 1998). L'utilisation du modèle H2U nous a permis d'évaluer l'impact des banquettes en comparant directement les crues observées avec aménagement et les crues reconstituées par le modèle sans aménagement. Ainsi la pluie du 24 septembre 1998, de fréquence décennale, a-t-elle engendré un ruissellement 4 fois plus faible avec l'aménagement en banquettes, un débit maximum 8 fois plus faible et un temps de réponse 4 fois plus fort. Malgré son extension limitée à 43 % de la surface du bassin d'El Gouazine, l'aménagement anti-érosif en banquettes joue donc un rôle très important sur la rétention des eaux de ruissellement, au point de limiter considérablement, de 50 à 80 %, les apports dans la retenue du petit barrage collinaire. Il convient donc de trouver, pour chaque bassin versant de la dorsale tunisienne, une solution optimale à l'aménagement des terres cultivées sur les versants tout en conservant des apports suffisants aux lacs collinaires pour subvenir aux besoins en eau des cultures irriguées. Pour caler le modèle H2U et sa fonction de production sur des bassins versants aménagés, une meilleure analyse du fonctionnement hydrologique d'un système de banquettes en cascade semble donc nécessaire.

Résumé La littérature scientifique de la dernière décennie contient un grand nombre de travaux qui détaillent le développement des méthodes de « désagrégation » (downscaling) de l’échelle globale à l’échelle hydrologique pour tenter d’estimer les impacts du changement global sur la disponibilité et la distribution des ressources en eau. Cet article présente une revue et une synthèse des méthodologies de « désagrégation climatique » présentées dans la littérature afin de simuler les réponses régionales au changement global du climat. L’accent est mis sur les avancées récentes et sur les problèmes reliés à l’application pratique des modèles dans les études d’impact. L’article présente également une discussion des avantages et limites des différentes approches, ainsi que quelques suggestions pour l’étude future des impacts du changement global sur les ressources en eau.

Pour étudier les distributions de fréquences des variables hydrologiques (pluies et débits) au pas de temps horaire, une méthodologie associant un générateur de chroniques de pluies horaires et un modèle conceptuel global de transformation de la pluie en débit a été développée. Sur une période de simulation donnée, la méthode génère une collection de scénarios de crues vraisemblables utilisée en prédétermination des risques hydrologiques. Les distributions de fréquences des variables hydrologiques sont construites empiriquement à partir des événements de pluies et de crues générés. L'extrapolation des distributions de fréquences des variables hydrologiques vers les fréquences rares se fait de façon empirique en augmentant la période de simulation, et non plus sur l'ajustement direct des distributions observées. Le principe de cette méthode (appelée SHYPRE : Simulation d'HYdrogrammes pour la PREdétermination) est donc d'utiliser les observations pour décrire le phénomène, afin de le reproduire statistiquement et de s'affranchir ainsi du manque d'observation. Son utilisation permet une estimation originale des quantiles de crues de fréquences courantes à rares et présente l'intérêt d'obtenir une information temporelle complète sur ces crues. De plus, on montre que l'approche fournit une estimation de quantiles de crues bien plus robuste que les ajustements statistiques des distributions observées, même pour les événements de fréquences courantes. Cette robustesse provient d'une meilleure prise en compte de l'information pluviométrique et de la stabilité de la paramétrisation du modèle pluie-débit.

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
In order to determine the hydrological impact of future urban development, hydrological modeling is very useful because it allows obtaining hydrological scenarios from urbanization scenarios by considering climate variability. Despite the current diversity of applicable hydrological models to urbanized catchments, those models were generally tested on few catchments, which raises the question of their robustness. The objective of this thesis is to look for a hydrological model structure that is able to reproduce the rainfall-runoff relationship for a large sample of urbanized catchments, located in France and the United States, and characterized by a wide variety of urban sprawl. To do so, we started from an hourly conceptual model structure (GR4H) which was not specifically developed nor tested on highly urbanized catchments. We followed four steps: (1) The collection and preparation of a large sample of data for more than 2000 catchments located in France and the United States. The analysis of the variability of event runoff ratio for 852 US catchments showed the dependence of catchment response not only on mean total impervious area (TIA), but also on antecedent soil moisture conditions regardless of the level of urban sprawl in the catchment; (2) The test of the starting model structure on highly urbanized catchments. This step showed the ability of GR4H parameters to reflect the behavioral specificities of urbanized catchments; (3) The regionalization of GR4H parameters in order to relate them to the fraction of urban cover in the catchment. The obtained regression relationships performed well but showed weak sensitivity to change in the fraction of urban cover, which impeded their use for scenario prediction; (4) The step-by-step modification of the GR4H model structure by including excess rainfall on impervious surfaces, and by varying the partitioning between quick flow and slow flow depending on each catchment. The evaluation of these modifications on 273 urbanized catchments indicated an improvement in reproducing the observed flows in comparison to the original structure, especially during dry and flooding periods. The added parameters showed a strong dependence on the mean total impervious area. This thesis work illustrates a constructive modeling approach by which we have succeeded in both (1) improving the representation of urbanization within the model and (2) obtaining better simulation of catchment response. An effort of regionalizing the new model structure using measures of urban landscape fragmentation will allow to better estimate the impact of different urban planning schemes on the hydrological behavior at the catchment scale

Les bassins versants influencés par la présence de barrages-réservoirs constituent les objets d'étude de cette thèse. L'objectif principal est de mettre au point une méthode de prise en compte, au sein d'un modèle pluie-débit global, de l'impact de retenues d'eau artificielles sur le comportement hydrologique du bassin versant. Un tel outil, simple dans sa conception, doit permettre d'améliorer la simulation des débits de bassins versants influencés et d'évaluer l'impact de barrages-réservoirs sur le régime hydrologique des cours d'eau, en particulier lorsque l'on se place loin à l'aval de l'ouvrage. La démarche adoptée est empirique dans le sens où l'on a cherché, sur une base de données de 46 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis et au Brésil, à exploiter au mieux, dans la structure du modèle pluie-débit, une information simple sur les ouvrages, à savoir l'évolution temporelle des volumes stockés dans les retenues. La diversité des conditions hydro-climatiques présentes dans la base de données donne aux résultats obtenus un caractère assez général. Au cours de cette thèse, un grand nombre de solutions de prise en compte des barrages-réservoirs a été testé. Les résultats montrent que cette information sur les remplissages des ouvrages peut être utilement exploitée au sein d'une structure de modèle global pour améliorer la simulation des bassins influencés. Les solutions qui se sont révélées être les plus performantes n'engendrent pas de complexification de la structure initiale du modèle puisqu'aucun ajout de paramètre n'a été nécessaire. Des gains de performances significatifs ont été réalisés, en particulier sur la simulation des étiages. Il s'agit d'un résultat important de la thèse car il montre qu'il est possible de prendre explicitement en compte, dans un modèle pluie-débit global, les barrages-réservoirs présents sur le bassin versant. Nous avons ensuite essayé de comprendre le lien entre la méthode de prise en compte des barrages-réservoirs et certaines caractéristiques physiques des bassins versants et des ouvrages de stockage afin de tenter d'adapter la solution au bassin versant considéré. Les résultats de ces tests ont montré que ce lien est difficile à mettre en évidence et qu'à ce stade, une solution générique semble la plus efficace. La solution la plus performante a ensuite été évaluée sur un échantillon complémentaire de 31 bassins versants n'ayant pas servi à son développement. L'évaluation a confirmé l'intérêt de la méthode pour l'amélioration des simulations des débits mais a également montré sa sensibilité à la disponibilité des données de stockages ainsi qu'aux transferts interbassins inconnus.

L'hydrologie continentale s'intéresse à tous les aspects du cycle de l'eau des terres émergées et représente les flux de masse d'eau qui sont échangées. Que ce soit dans le sous-sol, au sein des lacs ou dans le brassage continu des torrents, l'eau et les processus hydrologiques associés entretiennent un lien direct avec la dynamique atmosphérique et la variabilité climatique. La représentation, à l'échelle globale, de ces processus hydrologiques s'appuie sur des techniques de modélisation qui, au CNRM, passent par un système couplé composé du modèle de surface ISBA et du modèle de routage en rivière CTRIP. Ces dernières années, les progrès réalisés sur les paramétrisations existantes et la représentation des nouveaux processus dans ISBA comme dans CTRIP ont abouti à une nette amélioration des performances de ce système pour des applications hydrologiques régionales ou globales couplées avec un modèle de climat. Dans la continuité de ces efforts, l'objectif principal de cette thèse est de développer une paramétrisation dynamique des lacs pour intégrer leur bilan de masse dans le modèle global CTRIP à 1/12°. Par ailleurs, le modèle développé, MLake, propose un diagnostic sur le marnage des lacs afin de permettre le suivi du niveau d'eau basé sur des mesures satellitaires. Bénéficiant d'un réseau de mesures dense et de forçages climatiques à haute résolution, le bassin versant du Rhône a été choisi pour évaluer localement MLake sur la période 1960-2016. Les résultats sur trois stations de jaugeages montrent une progression nette des performances de CTRIP dans la simulation des débits du Rhône aboutissant à un lissage des hydrographes qui se caractérise par un écrêtement des débits de crues et un soutien à l'étiage. Par ailleurs, la confrontation du diagnostic sur les niveaux d'eau du Léman avec des mesures locales révèle une capacité du modèle à suivre les cycle annuels et inter-annuels du marnage. Une deuxième évaluation s'est ensuite portée à l'échelle globale pour confirmer le comportement du modèle dans des conditions hydroclimatiques contrastées. Cette évaluation confirme la capacité du modèle à simuler des débits réalistes mais révèle la perturbation importante du cycle hydrologique naturel par l'anthropisation. Enfin les résultats préliminaires d'une simulation globale démontre l'intérêt d'utiliser MLake avec une amélioration systématique des scores dans les zones de grande densité lacustre. Ainsi, 45% des stations évaluées, principalement dans les régions arctiques, présentent une amélioration des scores statistiques. Enfin, cette étude engage une réflexion sur les perspectives d'améliorations du modèle, notamment la mise en place d'une bathymétrie de lac à l'échelle globale, en vue d'un couplage avec un modèle de climat et de l'utilisation des données de la future mission spatiale SWOT
The water cycle encompasses the main processes related to mass fluxes that influence the atmosphere and climate variability. More specifically, continental hydrology refers to the water transfer occurring at the land surface and sub-surface. Modelling is one of the main methods used for the representation of these processes at regional to global scales. The land surface model system used in this thesis is composed of the ISBA land surface model coupled to the river routing model TRIP that combines the CNRM’s latest developments for use in stand-alone hydrological applications or coupled to a climate model. This PhD is focused on the development and evaluation of lake mass-balance dynamics and water level diagnostics using a new non-calibrated model called MLake which has been incorporated into the 1/12° version of the CTRIP model. Simulated river flows forced by high resolution hydrometeorological forcings are evaluated for the Rhone river basin against in situ observations coming from three river gauges over the period 1960-2016. Results reveal the positive contribution of MLake in simulating Rhone discharge and in representing the lake buffer effects on peak discharge. Moreover, the evaluation of the simulated and observed water level variations show the ability of MLake to reproduce the natural seasonal and interannual cycles. Based on the same framework, a final evaluation was conducted in order to assess the value of the non-calibrated MLake model for global hydrological applications. The results confirmed the capability of the model to simulate realistic river discharges worldwide. At 45% of the river gauge stations, which are mostly located within regions of high lake density, the new model resulted in improved simulated river discharge. The results also highlighted the strong effect of anthropization on the alterations of river dynamics, and the need for a global representation of human-impacted flows in the model. This study has lead to several future perspectives, such as the incorporation of a parametrization of lake hypsometry for use at global scale. The implementation of such developments will improve the representation of vertical water dynamics and facilitate both the coupling of MLake within the CNRM earth system model framework and the future spatial mission SWOT for improved future global hydrological and water resource projections

La modélisation hydrologique Pluie - Débit compte parmi les outils incontournables pour prévoir les crues, car elle permet d'atteindre des horizons plus lointains que de nombreuses autres méthodes. Pour tenter d'améliorer la qualité des prévisions, les hydrologues ont proposé de nombreuses approches d'assimilation de données. Cette thèse s'intéresse à un modèle Pluie - Débit fonctionnant au pas de temps horaire. Elle propose une comparaison de nombreuses méthodes de mise-à-jour de ce modèle par l'assimilation de la donnée de débit observé à l'exutoire du bassin versant, dans le but de fournir des prévisions de crue à des horizons allant de quelques heures à quelques jours. Les mises-à-jour étudiées portent sur les paramètres du modèle, ses états et ses sorties. Certaines sont déterministes, d'autres probabilistes. Ce travail a permis de mettre en avant l'interaction qui existe entre la structure du modèle hydrologique et les mises-à-jour. Ces deux éléments se caractérisent par des dynamiques temporelles différentes. Nos résultats plaident pour que le modèle soit considéré comme un tout et non comme la juxtaposition d'un modèle hydrologique et d'une procédure de mise-à-jour. Il nous paraît préférable d'optimiser la structure et de caler le modèle en tenant compte des mises-à-jour qui seront appliquées. Le modèle donnant les meilleures prévisions associe une structure hydrologique très proche de celle obtenue au pas de temps journalier et deux mises-à-jour du modèle, l'une modifiant un état crucial du modèle, l'autre corrigeant ses sorties par un réseau de neurones artificiels. Cette combinaison a été évaluée à l'aide d'une sélection de critères de performance adaptés à l'objectif du modèle, sur un vaste ensemble de bassins versants français. Ses performances sont robustes et se comparent favorablement à d'autres modèles de prévision.

La modelisation du phenomene pluie-debit donne lieu a des recherches tres actives dans le domaine de l'hydrologie. Elle est devenue une approche standard pour resoudre des problemes de ressources en eau, et recemment pour estimer l'impact d'une politique d'amenagement ou de protection de l'environnement. Les applications des donnees satellitaires a l'hydrologie constituent actuellement un domaine en plein developpement. Le modele integre couple avec les images satellitaires permet de simuler le comportement d'un bassin hydrologique, et d'evaluer, par la simulation, l'impact des modifications de l'occupation du sol. Le present travail a consiste a developper et a evaluer les outils necessaire a cette entreprise: methode de determination de la fonction de transfert, interface entre les donnees satellitaires et le modele integre, et application a la gestion des ressources en eau. La premiere partie de cette these examine les avantages et les inconvenients des approches de type hydrogramme unitaire. Le systeme hydrologique est caracterise globalement par une fonction de transfert et une fonction de production. Nous avons etudie la methode de dpft qui permet de determiner, pour un bassin hydrologique, ces deux fonctions a partir des donnees de pluie et de debit observes. La deuxieme partie de cette these a porte sur l'utilisation des donnees spot dans la modelisation hydrologique integree des ecoulements superficiels et souterrains. Le systeme hydrologique est decoupe en mailles carrees sur lesquelles sont discretisees les parametres hydrologiques. Les grandeurs hydrologiques sont liees par les lois phenomenologiques issues des mecanismes physiques qui regissent le mouvement de l'eau. Nous avons etudie les methodes pour ameliorer la determination de la signature spectrale des diverses classes d'occupation du sol en supprimant les effets de relief, et developpe une interface permettant l'utilisation des donnees satellitaires par le modele hydrologique integre. Nous avons construit les modeles integres du bassin de l'herault et de la region de campanie occidentale (italie). Plusieurs applications du modele integre utilisant les donnees satellitaires ont ete montrees: influence de l'occupation du sol sur le regime hydrologique, estimation des debits, des ages moyens des eaux, des risques d'erosion

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.
Many hydrologic models were developed in the last few decades. They should be capable of simulating all of the catchments but, in practice, their performance is dependent on the geology and climate, so no model structure is suitable for all modeling tasks. This doctoral thesis aims at proposing a model selection method, from a grand pool of candidates, which accounts for the identification of a pool of successful models in diversified climates conditions and the selection of appropriate models for the catchment climatic conditions (arid, humid, and continental) and modeling objectives (high, medium and low flows). It is based on 1446 models constructed using the Ensemble Multistructure Framework (EMF) and 100 climatically diversified American catchments. The focus of this study is to value flexible modeling approaches to identify successful models for a variety of climates. The model selection is first based on the individual performance of the 1446 models, comparing them to a reference model (GR4J). A pool of 80 diversified models is then identified for further investigation. To evaluate the impact of climate and metric on model performance, the 80 preselected models are evaluated on the three types of climates and three modeling objectives. At the end, four new lumped conceptual hydrologic models are tailored for specific climate and flow conditions. Hydrological modeling remains imperfect due to a large number of uncertainties, particularly related to the description of rainfall-flow transformation by hydrological model structures. The multimodel approach is an alternative solution, because the combination of existing models gives better results than individual ones. The diversity of model structures touches one of the first principles of the operation of a multimodel is the compensation of the errors to improve the performances. The 80 preselected models and the Backward Greedy Selection (BGS) algorithm are then used to select the models set to combine. Tests are performed on six optimizations (MCRPS, KGEsqrt, Mlogs, NRD, PIT and RDmse). Results show that, the optimization by the MCRPS is most interesting when compare to other criterions.

La présente recherche a consisté à étudier dans quelle mesure l'introduction de mesures directes de l'état hydrique du sol, non prises en compte jusqu'ici en simulation, permettait d'améliorer la prévision des débits sur un petit bassin versant. On constate que dans la plupart des modèles hydrologiques à réservoirs, une représentation imparfaite de la fonction de production à l'échelle du bassin, rend difficile la simulation des débits, notamment lors des périodes de transition. Nous avons donc comparé à l'aide d'un modèle très simple, appliqué au bassin de l'ORGEVAL, l'approche classique qui calcule à partir de méthodes indirectes l'état du réservoir sol et l'approche proposée qui remplace ces calculs par des masures de l'état hydrique du sol. La comparaison a mis en évidence aussi bien en simulation qu'en prévision, la supériorité de la deuxième approche, la première approche ne traduisant pas entièrement la réalité complexe des processus de transformation pluie-débit. Ces résultats montrent l'intérêt d'intégrer dans un modèle de prévision, un indice de l'état hydrique du sol mesuré ponctuellement et à pas de temps fin tout au long du cycle hydrologique.

Dans un but d'evaluation des ressources en eau dans les zones de transition et de foret de la cote d'ivoire, plusieurs modeles globaux pluie-debit sont testes. Ces modeles au pas de temps annuel, mensuel et journalier sont cales sur un ensemble de 90 stations-annees en foret et 54 en zone de transition, reparties en 27 bassins versants de 100 a 7000 km#2. L'analyse des differents calages fait ressortir une adequation satisfaisante du modele au pas de temps mensuel dans la restitution des hydrogrammes. Les modeles au pas de temps journalier ont conduit a des resultats de qualite diverse du fait, d'une part de problemes lies a la qualite des donnees journalieres, issues des reseaux de mesure et souvent entachees d'erreurs, et, d'autre part, des algorithmes eux-memes qui prennent insuffisamment en compte les differences de saturation du sol en saison seche et en saison des pluies. Ce travail permet neanmoins d'offrir un panel complet de methodes d'evaluation des ressources en eau, valide sur l'ensemble du territoire ivoirien

La modélisation hydrologique globale du CNRM repose sur le modèle de surface ISBA qui calcule un bilan hydrique sur des mailles allant typiquement de 20 à 500 km de côté et sur le modèle de routage TRIP qui permet de convertir le ruissellement quotidien en débit. A ces résolutions, la répartition sous maille des caractéristiques de la surface et des flux atmosphériques a un fort impact sur les bilans d'eau simulés. Plusieurs paramétrisations des effets sous maille originales ou préexistantes ont alors été testées avec succès en mode forcé à l'échelle régionale et globale. Néanmoins, la validation globale reste parfois problématique en raison des incertitudes liées aux précipitations, aux paramètres de surface et à la modélisation de certains processus tel la représentation des zones inondées dans TRIP. Ceci souligne donc l'intérêt des futures missions satellitaires pour mieux contraindre nos modélisations hydrologiques.

Les modèles hydrauliques sont couramment utilisés pour l'aménagement des rivières et la prévention des dommages liés aux inondations. Ces modèles calculent les hauteurs d'eau et débits sur un tronçon de rivière à partir de sa géométrie et des conditions aux limites du système: débit à l'amont du tronçon, débits d'apports latéraux provenant du bassin intermédiaire et hauteurs d'eau à l'aval. Lorsque le tronçon est long, les apports latéraux deviennent conséquents tout en demeurant rarement mesurés car provenant d'affluents secondaires. L'évaluation de ces apports constitue alors une étape essentielle dans la simulation des crues sous peine de fortes sous ou surestimations des variables hydrauliques. Cette thèse a pour objectif principal d'identifier une méthode de complexité minimale permettant de reconstituer ces apports. Nos travaux s'appuient sur un échantillon de 50 tronçons de rivière situés en France et aux Etats-Unis sur lesquels les apports latéraux ont été estimés à l'aide d'un modèle hydrologique semi-distribué connecté avec un modèle hydraulique simplifié.

Une méthode automatisée de découpage du bassin intermédiaire en sous-bassins a d'abord été élaborée afin de faciliter la construction du modèle hydrologique sur les 50 tronçons de rivière. Des tests de sensibilité ont été menés sur le nombre de sous-bassins, la nature uniforme ou distribuée des entrées de pluie et des paramètres du modèle hydrologique. Une configuration à 4 sous-bassins présentant des pluies et des paramètres uniformes s'est avérée la plus performante sur l'ensemble de l'échantillon.

Enfin, une méthode alternative de calcul des apports latéraux a été proposée utilisant une transposition du débit mesuré à l'amont et une combinaison avec le modèle hydrologique.