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Thibault MATHEVET Directeur de thèse : Claude MICHEL

Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ? Développements empiriques et intercomparaison de modèles sur un large échantillon de bassins versants. Thibault MATHEVET Directeur de thèse : Claude MICHEL Co-encadrants : Vazken ANDRÉASSIAN & Charles PERRIN

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Thibault MATHEVET Directeur de thèse : Claude MICHEL

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  1. Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ?Développements empiriques et intercomparaison de modèles sur un large échantillon de bassins versants Thibault MATHEVET Directeur de thèse : Claude MICHEL Co-encadrants : Vazken ANDRÉASSIAN & Charles PERRIN École Doctorale Géosciences et Ressources Naturelles UR Hydrosystèmes et Bioprocédés, Cemagref, Antony

  2. Augmentation du besoin de prévisions hydrologiques opérationnelles Intérêt particulier pour les bassins versants amonts Besoin de développer et de discriminer les modèles hydrologiques les plus efficaces à un pas de temps fin (horaire) Contexte Pont Romain de Vaison la Romaine L’Ouvèze, 585 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  3. Augmentation du besoin de prévisions hydrologiques opérationnelles Intérêt particulier pour les bassins versants amonts Besoin de développer et de discriminer les modèles hydrologiques les plus efficaces à un pas de temps fin (horaire) Contexte Pont Romain de Vaison la Romaine 22 Sept. 1992 L’Ouvèze, 585 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  4. L’objet d’étude : le bassin versant BASSIN VERSANT DEBIT PLUIE Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  5. La particularité des bassins versants réactifs Prévision et simulationdes crues La Goudèche à Saint Maurice de Ventalon, 10 km² Crue du 21/09/1992 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  6. La particularité des bassins versants réactifs Prévision et simulationdes crues La Goudèche à Saint Maurice de Ventalon, 10 km² Crue du 21/09/1992 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  7. Du bassin versant au modèle Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  8. Qualités requises Du bassin versant au modèle • Adéquation entre le besoin et la disponibilité des données • Efficacité • Robustesse • Généralité Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  9. Pluie ETR Débit Échanges souterrains Modélisation hydrologique empirique Données d’entrée et de sortie Approche systémique : Représenter le bassin versant dans son ensemble ETP Pluie Débit Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  10. Quelle validation d’un modèle hydrologique ? • Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu • La relation Pluie – Débit à l’échelle du bassin versant n’existe pas ! • Tous les modèles sont faux… Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  11. Quelle validation d’un modèle hydrologique ? • Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu • La relation Pluie – Débit à l’échelle du bassin versant n’existe pas ! • Tous les modèles sont faux… … mais certains le sont moins que d’autres ! • Approche empirique et comparative • Large échantillon de bassins versants M. SUGAWARA J.E NASH V. KLEMES R. LINSLEY S. BERGSTRÖM W. BOUGHTON C. MICHEL Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  12. Modélisation pluie-débit à différents pas de temps Pluie Annuel Mensuel Horaire Journalier Débit Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  13. Modélisation pluie-débit à différents pas de temps Pluie Annuel Mensuel Horaire Journalier 12 Débit Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  14. Modélisation pluie-débit à différents pas de temps Pluie Annuel Mensuel Horaire Journalier 30 12 Débit Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  15. Modélisation pluie-débit à différents pas de temps Pluie Annuel Mensuel Horaire Journalier 30 24 12 Débit Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  16. Modélisation pluie-débit à différents pas de temps Débit Annuel Mensuel Horaire Journalier Modèles ? Paramètres ? 1 2 4 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  17. Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ? Objet de la thèse : Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  18. Pluie ETR Débit Échanges souterrains Synthèse des travaux effectués Intérêt des grandséchantillons de BV C2M : Critère d’évaluation des performances Stratégie d’optimisation Méthodologie Valorisation de ladistribution temporellede la pluie Valorisation de ladistribution spatialede la pluie Prédétermination des paramètres Modélisation hydrologique Applications opérationnelles Intercomparaisonde modèles Développement demodèles Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions/ Oral Thèse T. MATHEVET

  19. Synthèse des travaux effectués Modélisation pluie-débit Pas de temps Journalier Pas de temps Horaire Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions/ Oral Thèse T. MATHEVET

  20. Synthèse des travaux effectués Modélisation pluie-débit Pas de temps Journalier Intercomparaison et développements empiriques de modèles pluie - débit Pas de temps Horaire 1 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions/ Oral Thèse T. MATHEVET

  21. Synthèse des travaux effectués Modélisation pluie-débit 2 Pas de temps Journalier Amélioration du modèle journalier Pas de temps Horaire Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions/ Oral Thèse T. MATHEVET

  22. Méthodologie 227 BV 70 BV + 12 BV Australie, + 2 BV Slovènie, + 2 BV Espagne Durée médiane des chroniques : 6 ans (de 3 à 33 ans) Superficie médiane : 85 km² (de <1 à 5000 km²) 313 Bassins versants Problématique /Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  23. Méthodologie • 15 Modèles pluie-débit conceptuels ou empiriques : • de 4 à 10 paramètres libres, • 14 structures testées par C. Perrin [2000], • 1 nouvelle structure testée : MORDOR [eDF]. • Procédure de Calage / Contrôle (Split Sample test) • 313 BV = 2093 périodes de calage et de contrôle Problématique /Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  24. Méthodologie • 15 Modèles pluie-débit conceptuels ou empiriques : • de 4 à 10 paramètres libres, • 14 structures testées par C. Perrin [2000], • 1 nouvelle structure testée : MORDOR [eDF]. • Procédure de Calage / Contrôle (Split Sample test) • 313 BV = 2093 périodes de calage et de contrôle • Synthèse de la distribution des performances Problématique /Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  25. Pas de temps Journalier Pas de temps Horaire 1 Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  26. Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire 313 Bassins Versants 15 Modèles 2093 périodes de calage / contrôle 4 à 10 paramètres libres Procédure deCalage / Contrôle Méthode de calage locale Fonctions objectifs : NS(Q) et NS(Q1/2) Intercomparaison des performances 2 fonctions objectifs : C2M(Q) et C2M (Q1/2) Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  27. Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  28. Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire Journalier Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  29. Quelle démarche de développement d’un modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? Développement d’un modèle au pas de temps horaire ? Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  30. Quelle démarche de développement d’un modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? Développement d’un modèle au pas de temps horaire ? GR4J Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  31. Quelle démarche de développement d’un modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? Développement d’un modèle au pas de temps horaire ? MORDOR Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  32. Complexification progressive A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991;Nascimento, 1995;Perrin, 2000] Fonction de production Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  33. Complexification progressive A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991;Nascimento, 1995;Perrin, 2000] Fonction de transfert Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  34. Complexification progressive A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991;Nascimento, 1995;Perrin, 2000] • Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial • Complexification de la fonction de routage • Complexification de la fonction de Production Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  35. Complexification progressive A partir de GR4J [Edijatno et al., 1999; Perrin, 2000] • Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial • Complexification de la fonction de routage • Complexification de la fonction de Production Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  36. Complexification progressive A partir de GR4J [Edijatno et al., 1999; Perrin, 2000] • Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial • Complexification de la fonction de routage • Complexification de la fonction de Production Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  37. Complexification progressive • Plus de 400 structures testées • GR4H, une structure plus simple que GR4J ? • GR4H et GR5H : gains substantiels de performances Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  38. Complexification progressive Comparaison des performancesmoyennes Comparaison des performancespar bassins versants Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  39. Simplification progressive • MORDOR : • 10 paramètres libres • 4 réservoirs • Performant, robuste • Interactions entre paramètres • Modèle sur-paramétré Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  40. Simplification progressive • De MORDOR10 à MORDOR6 : • Etude de sensibilité à grande échelle, • Mêmes performances, • Meilleure définition des vecteurs de paramètres. • Identification d’un optimum de la surface de réponse : • MORDOR10 : 15% des cas, • MORDOR6 : 60% des cas. Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  41. Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire MORDOR6 • 17 modèles (o) • GR4H (+), GR5H (*), MORDOR6 (x) • 4 à 6 paramètres au pas de temps horaire GR5H MORDOR GR4H GR3H GR4J Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  42. Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

  43. 2 Pas de temps Journalier Pas de temps Horaire Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  44. Intercomparaison de modèles au pas de temps journalier Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  45. Vers une structure unique au pas de temps horaire et journalier ? • Coefficient de percolation • Est ce que GR4H peut capter la transformation Pluie-Débit au pas de temps journalier ? Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  46. Vers une structure unique au pas de temps horaire et journalier ? • GR4X1 : • Au moins aussi bon que GR4J au pas de temps journalier, • Largement meilleur au pas de temps horaire • Validation indépendante : 429 BV de C. Perrin [2000] Vers une seule structure :GR4X1 Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H / de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  47. Conclusions Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H /de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  48. Conclusions Débit Annuel Mensuel Horaire Journalier Modèles ? Paramètres ? 1 2 4 Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H /de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  49. Conclusions Débit Annuel Mensuel Horaire Journalier Modèles Paramètres 1 2 4 4 Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H /de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

  50. Intérêt de questionner la structure d’un modèle à différents pas de temps Continuité de la structure GR aux pas de temps horaire et journalier Quels modèles pour le pas de temps horaire ? GR4X1, MORDOR6, WAGENINGEN, IHACRES Conclusions Problématique /Synthèse /Méthodologie /de J vers H /de H vers J / Conclusions /Oral Thèse T. MATHEVET

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