| Titre : | Quels modèles pluie-débit globaux au pas de temps horaire ? Développements empiriques et comparaison de modèles sur un large échantillon de bassins versants |
| Auteurs : | T. Mathevet ; CEMAGREF ANTONY HBAN ; ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL DES EAUX ET DES FORETS |
| Type de document : | thèse/mémoire |
| Année de publication : | 2005 |
| Format : | 463 p. |
| Note générale : |
Sigle : CEMAGREF Sigle : HBAN Sigle : ENGREF |
| Langues: | = Français |
| Catégories : | |
| Résumé : |
La simulation et la prévision des débits à l'échelle du bassin versant est un exercice délicat, d'autant plus difficile que le temps de réponse d'un bassin versant est court. Il existe aujourd'hui un très grand nombre de modèles hydrologiques globaux qui, selon leurs auteurs, sont efficaces. Dans la pratique, face à cette diversité, l'étude comparée des meilleurs modèles existants sur un vaste échantillon de bassins versants s'est révélée indispensable pour discriminer leurs performances respectives. Curieusement, ce travail exhaustif de comparaison n'avait jamais été effectué auparavant au pas de temps horaire alors que rien ne garantissait la validité à ce pas de temps, des conclusions obtenues à un pas de temps supérieur, le pas de temps journalier. Le premier travail fut de montrer l'intérêt d'utiliser un large échantillon de bassins versants pour classer de façon relativement fiable les performances de modèles pluie-débit. Ce faisant, il a été proposé une autre formulation du critère de Nash et Sutcliffe [1970] (NS), appelée C2M, mieux adaptée aux grands échantillons de bassins versants, lorsque certains bassins apparemment difficiles à modéliser n'en sont pas expurgés. En effet, ces bassins difficiles engendrent des valeurs exceptionnellement basses pour le critère de NS interdisant toute signification au calcul d'une moyenne. De plus, pour que la comparaison ne soit pas biaisée par la méthode de calage nécessairement simple qui a été employée, sa capacité à optimiser efficacement les paramètres a été confrontée et démontrée, par rapport aux meilleures méthodes développées dans la dernière décennie. C'est dans ce cadre rigoureux qu'a été effectuée l'étude des performances de 20 structures de modèles au pas de temps horaire, selon une procédure de calage-contrôle. Pour cela, un échantillon de 313 bassins versants très variés, situés dans des pays aussi contrastés que la France, les Etats- Unis, l'Australie, la Slovénie et l'Espagne. Deux structures sont apparues comme les plus efficaces : GR4H et MORDOR6. Ces structures ont été analysées, modifiées, simplifiées, complexifiées, pour mieux comprendre, parmi les nombreux ingrédients possibles de modèles pluie-débit, lesquels semblaient rejetés par les données et lesquels semblaient, au contraire, justifiés par elles. Cette démarche empirique et comparative a débouché sur deux modèles respectivement à 4 et 6 paramètres qui semblent avoir les meilleures structures pour reproduire la transformation de la pluie en débit à l'échelle d'un bassin et au pas de temps horaire. Un travail reste à faire pour extraire de cette dualité un modèle qui pourrait les surclasser tous les deux. On a mis en évidence tout l'intérêt qu'il y a à relier les meilleurs modèles issus de l'étude de la transformation pluie-débit à différents pas de temps. Cette analyse conduite avec la structure à 4 paramètres permis d'élaborer une variante commune, également efficace aux pas de temps horaire et journalier. Cette structure s'est révélée tellement bien adaptée aux deux pas de temps qu'une prédétermination robuste des paramètres du modèle horaire a été possible à partir de son seul calage au pas de temps journalier. Ces travaux ne mettent certainement pas un point final à la quête du meilleur modèle au pas de temps horaire, mais ont permis de déblayer considérablement le terrain et de permettre de futures avancées dans les meilleures conditions possible. The simulation and forecast of flows at the catchment scale is an all the more difficult modelling exercise as the response time of the catchment is short. A large number of empirical or conceptual models exist today and prove to be efficient in an operational context. Given this diversity of models, the intercomparison of various models on large samples of basins appears to be a good mean to assess their performances. However an exhaustive comparative assessment has never been carried out at the hourly time step and nothing guarantees at short time steps the validity of conclusions obtained at a daily time step. So to determine the best performing models at the hourly time step, we placed our research in an empirical framework of model development and intercomparison. We first showed the usefulness of using large samples of basins to compare the performances of rainfall-runoff models with good reliability. Then we proposed a new formulation of the Nash and Sutcliffe [1970] criterion, called C2M, better suited for such large samples. We also confirmed that the local step-by-step' optimization method we used was equally effective to identify model parameters with different levels of complexity. We assessed the performances of twenty structures of rainfall-runoff models at the hourly time-step, using a split-sample test procedure on a sample of 313 basins situated in France, the United-States, Australia, Slovenia and Spain. Two structures appeared to be the most successful. These structures (four and six free parameters respectively) are the results of empirical developments and were built by gradually complexifying or simplifying existing structures. The empirical development and intercomparison of models showed that four to six parameters are necessary to represent the rainfall-runoff transformation at the hourly time-step. The value of testing models at several time steps was also demonstrated. We proposed a new model structure with four free parameters that performs equally well at the daily and hourly time-steps. We developed a robust method to estimate model parameters at the hourly time-step, using the calibrated parameters at the daily time step. Last, we proposed strategies to account for the spatial heterogeneity of rainfall that provide significant improvements in model efficiency. |
| Diplôme : | Doctorat spécialité Sciences de l'eau, ENGREF Paris |
Exemplaires (1)
| Centre | Localisation | Section | Cote | Statut | Disponibilité | Département |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Jouy-en-Josas Antony | Antony | Thèses/Mémoires | TH848 | Empruntable | Disponible pour le prêt |
