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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.

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1 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 2 Contexte 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) Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET Pont Romain de Vaison la Romaine LOuvèze, 585 km²

3 3 Contexte Pont Romain de Vaison la Romaine 22 Sept LOuvèze, 585 km² 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) Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

4 4 Lobjet détude : le bassin versant PLUIE DEBIT BASSIN VERSANT Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

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

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

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

9 9 Modélisation hydrologique empirique Pluie Échanges souterrains ETR Débit Données dentrée et de sortie Approche systémique : Représenter le bassin versant dans son ensemble ETPPluieDébit Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

10 10 Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu La relation Pluie – Débit à léchelle du bassin versant nexiste pas ! Tous les modèles sont faux… Quelle validation dun modèle hydrologique ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

11 11 Quelle validation dun modèle hydrologique ? Approche empirique et comparative Large échantillon de bassins versants Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu La relation Pluie – Débit à léchelle du bassin versant nexiste pas ! Tous les modèles sont faux… … mais certains le sont moins que dautres ! J.E NASHV. KLEMES R. LINSLEYS. BERGSTRÖMW. BOUGHTONC. MICHEL M. SUGAWARA Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

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

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

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

16 16 Débit Modèles AnnuelMensuel Journalier Horaire 124 Modélisation pluie-débit à différents pas de temps Paramètres ? ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

18 18 Intercomparaison de modèles Développement de modèles Modélisation hydrologique Synthèse des travaux effectués Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET Pluie Échanges souterrains ETR Débit Méthodologie Applications opérationnelles C 2M : Critère dévaluation des performances Stratégie doptimisation Intérêt des grands échantillons de BV Valorisation de la distribution temporelle de la pluie Valorisation de la distribution spatiale de la pluie Prédétermination des paramètres

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

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

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

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

23 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 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 25 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET Pas de temps Journalier Pas de temps Horaire 1

26 26 Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire 313 Bassins Versants15 Modèles Procédure de Calage / Contrôle 4 à 10 paramètres libres 2093 périodes de calage / contrôle Méthode de calage locale Fonctions objectifs : NS(Q) et NS(Q 1/2 ) Intercomparaison des performances 2 fonctions objectifs : C 2M (Q) et C 2M (Q 1/2 ) Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

27 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 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 29 Développement dun modèle au pas de temps horaire Quelle démarche de développement dun modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

30 30 Développement dun modèle au pas de temps horaire Quelle démarche de développement dun modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? ? GR4J Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

31 31 Développement dun modèle au pas de temps horaire Quelle démarche de développement dun modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? MORDOR ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

32 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 33 Fonction de transfert Complexification progressive A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991; Nascimento, 1995; Perrin, 2000] Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

34 34 1.Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial 2.Complexification de la fonction de routage 3.Complexification de la fonction de Production Complexification progressive A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991; Nascimento, 1995; Perrin, 2000] Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

35 35 1.Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial 2.Complexification de la fonction de routage 3.Complexification de la fonction de Production A partir de GR4J [Edijatno et al., 1999; Perrin, 2000] Complexification progressive Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

36 36 A partir de GR4J [Edijatno et al., 1999; Perrin, 2000] Complexification progressive 1.Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial 2.Complexification de la fonction de routage 3.Complexification de la fonction de Production Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

37 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 38 Complexification progressive Comparaison des performances par bassins versants Comparaison des performances moyennes Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

40 40 De MORDOR10 à MORDOR6 : –Etude de sensibilité à grande échelle, –Mêmes performances, –Meilleure définition des vecteurs de paramètres. Identification dun optimum de la surface de réponse : –MORDOR10 : 15% des cas, –MORDOR6 : 60% des cas. Simplification progressive Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

42 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 43 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET Pas de temps Journalier Pas de temps Horaire 2

44 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 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 46 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 Vers une structure unique au pas de temps horaire et journalier ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

48 48 Débit Modèles AnnuelMensuel Journalier Horaire 124 Conclusions Paramètres ? ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

49 49 Débit Modèles AnnuelMensuel Journalier Horaire 124 Conclusions Paramètres 4 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

50 50 Conclusions Intérêt de questionner la structure dun 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 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

51 51 Perspectives Chaîne de modèles Stratégies de valorisation de linformation pluviométrique Stratégies de transfert des vecteurs de paramètres dun pas temps à un autre Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

52 52 MERCI ! De Leticia (Colombie) à Belem (Brésil) en passant par lAmazone

53 53 Prédétermination

54 54 Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km² La particularité des bassins versants réactifs Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions

55 55 La particularité des bassins versants réactifs Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions

56 56 La particularité des bassins versants réactifs Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions

57 57 Robustesse

58 58 Influence de la durée de la période de calage

59 59 Influence de la durée de la période de calage

60 60 Prédétermination des paramètres dun modèle au pas de temps horaire

61 61 Synthèse des travaux effectués Pré-détermination des paramètres dun modèle horaire Pas de temps Journalier Pas de temps Horaire 3 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Modélisation pluie-débit

62 62 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ? Peut on valoriser linformation journalière pour une simulation horaire ?

63 63 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ? Vecteurs de paramètres calés au pas de temps journalier 7 Stratégies de transferts au pas de temps horaire Évaluation des performances en calage Évaluation des performances en validation Pré-détermination des paramètres au pas de temps horaire

64 64 Première stratégie de transfert : –Régressions linéaires : X i (H) = a i.X i (J)+b i Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ?

65 65 Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ? Deuxième stratégie de transfert : –Transfert de régions de lespace des paramètres, Matrice de transition entre la région dun vecteur de paramètre horaire et les régions de son/ses vecteur(s) correspondant horaires –Exemple : X(J) R1 X(H) R1, p = 0.5 X(J) R1 X(H) R2, p = 0.25 X(J) R1 X(H) R29, p = 0.25 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions

66 66 Deuxième stratégie de transfert : –Vecteur composite –Multi-modèle Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ?

67 67 Performances en calage Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ?

68 68 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ? Performances en validation

69 69 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Est il possible de pré-déterminer les paramètres dun modèle horaire ? Performances en validation

70 70 Amélioration des simulations journalières en faisant tourner un modèle au pas de temps horaire

71 71 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions Pas de temps Journalier Pas de temps Horaire 2

72 72 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Quelle valorisation dune pluie horaire au pas de temps journalier ? Pluie et débit horaire

73 73 Quelle valorisation dune pluie horaire au pas de temps journalier ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Pluie et débit horaire Pluie et débit journalier

74 74 Quelle valorisation dune pluie horaire au pas de temps journalier ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Pluie et débit horaire Pluie et débit journalier Simulation journalière

75 75 Quelle valorisation dune pluie horaire au pas de temps journalier ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Pluie et débit horaire Pluie et débit journalier Simulation journalière Simulation horaire

76 76 Quelle valorisation dune pluie horaire au pas de temps journalier ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions Pluie, ETP Horaire Modèle Débit horaire Débit journalier o : pluie journalière // + : pluie horaire agrégation

77 77 Amélioration robuste et générale des performances des modèles ! Gain moyen de + 5 points au pas de temps journalier Quelle valorisation dune pluie horaire au pas de temps journalier ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions

78 78 SALLE DARCY Couloir éme étage


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