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Elaboration et validation d'informations pluviométriques et géomorphologiques pour la modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés. Encadrants.

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1 Elaboration et validation d'informations pluviométriques et géomorphologiques pour la modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés. Encadrants : Charles Obled et Isabella Zin Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 1

2 Plan de la présentation 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés 2) Les précipitations fournies par SAFRAN 3) Modélisation hydrologique par Topmodel 4) Conclusions et perspectives 1-1) Démarche employée 1-2) Entrée du modèle : réflexion sur le réseau de mesure du massif de Belledonne Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 2

3 Plan de la présentation 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés 2) Les précipitations fournies par SAFRAN 3) Modélisation hydrologique par Topmodel 4) Conclusions et perspectives 2-1) Présentation sommaire de SAFRAN 2-2) Pertinence des données SAFRAN pour notre étude 2-3) Conclusion sur leur utilisation dans notre contexte Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 2 1-1) Démarche employée 1-2) Entrée du modèle : réflexion sur le réseau de mesure du massif de Belledonne

4 Plan de la présentation 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés 2) Les précipitations fournies par SAFRAN 3) Modélisation hydrologique par Topmodel 4) Conclusions et perspectives 3-1) Présentation du modèle 3-2) Calage du modèle sur un bassin jaugé : le Sonnant d'Uriage 3-3) Extension à un bassin non jaugé : le Vorz Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 2 2-1) Présentation sommaire de SAFRAN 2-2) Pertinence des données SAFRAN pour notre étude 2-3) Conclusion sur leur utilisation dans notre contexte 1-1) Démarche employée 1-2) Entrée du modèle : réflexion sur le réseau de mesure du massif de Belledonne

5 Plan de la présentation 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés 2) Les précipitations fournies par SAFRAN 3) Modélisation hydrologique par Topmodel 4) Conclusions et perspectives 1-1) Démarche employée 1-2) Entrée du modèle : réflexion sur le réseau de mesure du massif de Belledonne 3-1) Présentation du modèle 3-2) Calage du modèle sur un bassin jaugé : le Sonnant d'Uriage 3-3) Extension à un bassin non jaugé : le Vorz 2-1) Présentation sommaire de SAFRAN 2-2) Pertinence des données SAFRAN pour notre étude 2-3) Conclusion sur l'utilisation de SAFRAN en hydrologie Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 2

6 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 3 Décennie de l'AISH sur la Prévision en Bassin Non jaugé (Programme PUB) (Sivapalan et al. 2003) Prediction on ungauged basins Bassin jaugé Bassin non jaugé Mesure hydrométrique Démarche : ( Hundecha et al. 2007)

7 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 3 Bassin jaugé Bassin non jaugé Mesure hydrométrique Décennie de l'AISH sur la Prévision en Bassin Non jaugé (Programme PUB) (Sivapalan et al. 2003) Prediction on ungauged basins Détermination de paramètres caractéristiques du bassin jaugé Démarche : ( Hundecha et al. 2007) Modélisation hydrologique d'un bassin jaugé (représentatif d'un certain environnement)

8 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 3 Bassin jaugé Bassin non jaugé Mesure hydrométrique Décennie de l'AISH sur la Prévision en Bassin Non jaugé (Programme PUB) (Sivapalan et al. 2003) Prediction on ungauged basins Détermination de paramètres caractéristiques du bassin jaugé Régionalisation : extension des paramètres aux bassin non jaugés voisins et modélisation hydrologique Démarche : ( Hundecha et al. 2007) Modélisation hydrologique d'un bassin jaugé (représentatif d'un certain environnement)

9 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 3 Bassin jaugé Bassin non jaugé Mesure hydrométrique Modélisation hydrologique d'un bassin jaugé (représentatif d'un certain environnement) Détermination de paramètres caractéristiques du bassin jaugé Régionalisation : extension des paramètres aux bassin non jaugés voisins et modélisation hydrologique Estimation de l'entrée Pluie (SAFRAN) Test sur des évènements significatifs Démarche : ( Hundecha et al. 2007) Décennie de l'AISH sur la Prévision en Bassin Non jaugé (Programme PUB) (Sivapalan et al. 2003) Prediction on ungauged basins

10 MNT + paramètres Pluie Simulation de débits Modèle hydrologique Fonctionnement d'un modèle hydrologique (exemple retenu TOPMODEL) 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 4

11 MNT + paramètres Pluie Simulation de débits Modèle hydrologique Qualité de l'entrée Pluie : Précision temporelle : 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Temps de réponse : 1 h à 1 h 30 Pas de temps de travail : 15 à 30 minutes Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 4 Tp Tc Fonctionnement d'un modèle hydrologique (exemple retenu TOPMODEL)

12 MNT + paramètres Pluie Simulation de débits Modèle hydrologique Qualité de l'entrée Pluie : Précision spatiale Précision temporelle : 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Temps de réponse : 1 h à 1 h 30 Pas de temps de travail : 15 à 30 minutes Validité des précipitations : (Berne et al. 2004) 5 à 7 km pour nos pas de temps Effet orographique ? Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 4 Fonctionnement d'un modèle hydrologique (exemple retenu TOPMODEL)

13 Breda Domenon Vorz Merdaret Sonnant 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Réseau de mesure hydrométéorologique sur le massif de Belledonne Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 5 Belledonne

14 Breda Domenon Vorz Merdaret Sonnant St Pierre de Chartreuse Chamrousse Ste Marie de Cuines Pluviographes METEO FRANCE Le Versoud 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 5 Belledonne Réseau de mesure hydrométéorologique sur le massif de Belledonne

15 Breda Domenon Vorz Merdaret Sonnant St Pierre de Chartreuse Chamrousse Ste Marie de Cuines Le Rivier AllevardFont de France Pluviographes METEO FRANCE Pluviographes EDF Le Versoud 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 5 Belledonne Réseau de mesure hydrométéorologique sur le massif de Belledonne

16 Sonnant Pluviographes METEO FRANCE Pluviographes EDF SMH Pluviographe LTHE Limnigraphe LTHE Pont de Venon 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 5 Réseau de mesure hydrométéorologique sur le massif de Belledonne St Pierre de Chartreuse Le Versoud Breda Domenon Vorz Merdaret Chamrousse Ste Marie de Cuines Le Rivier AllevardFont de France Belledonne

17 Pluviographes METEO FRANCE Pluviographes EDF Pluviographe LTHE 1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés Zone approximative de représentativité des données pluies à pas de temps court (1/4h) Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 5 Réseau de mesure hydrométéorologique sur le massif de Belledonne Limnigraphe LTHE

18 2) Les précipitations fournies par SAFRAN Présentation de SAFRAN (Durand et al. 1993) Modèle : ARPEGE - AURELHY Mesures du réseau nivo-météo SAFRAN Données météorologiques Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 6 Système développé pour la prévision avalanche (SAFRAN-CROCUS-MEPRA) Température, humidité, rayonnement solaire, précipitations Selon le massif, l'orientation et l'altitude Au pas horaire

19 2) Les précipitations fournies par SAFRAN Présentation de SAFRAN (Durand et al. 1993) Modèle : ARPEGE - AURELHY Mesures du réseau nivo-météo SAFRAN Données météorologiques Remarques : Données des pluviomètres intégrées toutes les 24 h Désagrégation à l'heure avec la chronologie de l'humidité SAFRAN est dépendant des stations de mesures Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 6 Système développé pour la prévision avalanche (SAFRAN-CROCUS-MEPRA) Température, humidité, rayonnement solaire, précipitations Selon le massif, l'orientation et l'altitude Au pas horaire Mise à disposition des données : période

20 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 7 2) Les précipitations fournies par SAFRAN Comparaison des données SAFRAN et des données sol

21 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 7 2) Les précipitations fournies par SAFRAN En fond de vallée (pluviographe de SMH (200 m) -- SAFRAN 600m) En altitude (pluviographe du Rivier (1270 m) -- SAFRAN 1200m ) Pour différents pas de temps : 1h - 6h – 12h - 24h Pour différents niveau de précipitations : SAFRAN>0 OU Pluvio>0 SAFRAN>0 ET Pluvio>0 SAFRAN>Seuil ET Pluvio>Seuil Comparaison des données SAFRAN et des données sol

22 2) Les précipitations fournies par SAFRAN Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 8 Résultats des comparaisons SMH : ~ 200 mLe Rivier : ~ 1250 m Corrélation satisfaisante pour les pas de temps long (24h, 12h) Meilleurs résultats en altitude Globalement, corrélation... décevante Pas de temps mensuel, R² = 0,92 (Rivier) et R² = 0,81 (SMH) Pas de corrélations sur les évènements forts

23 2) Les précipitations fournies par SAFRAN Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 9 Influence de l'altitude et l'orientation Vision quasi-unitaire du massif Orientation pas prise en compte 1,5 % des pluies différentes d'une orientation à l'autre Altitude influençant uniquement les volumes 1 % des heures de pluie où : P>0 au sommet et P=0 dans la vallée 1h24h PLUVIO

24 2) Les précipitations fournies par SAFRAN Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 9 Influence de l'altitude et l'orientation 1,5 % des pluies différentes d'une orientation à l'autre Altitude influençant uniquement les volumes 1h24h SAFRAN Vision quasi-unitaire du massif Orientation pas prise en compte 1 % des heures de pluie où : P>0 au sommet et P=0 dans la vallée

25 2) Les précipitations fournies par SAFRAN Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 9 Influence de l'altitude et l'orientation Conclusion sur les données SAFRAN Données non adaptées à l'hydrologie des crues des petits bassins Précision temporelle et spatiale insuffisante Vision quasi-unitaire du massif Orientation pas prise en compte 1,5 % des pluies différentes d'une orientation à l'autre Altitude influençant uniquement les volumes Qualité probablement suffisante pour l'étude de la ressource en eau MAIS Utilisation des données stations 1 % des heures de pluie où : P>0 au sommet et P=0 dans la vallée

26 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 10 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Présentation de TOPMODEL (Beven et Kirby 1979) Privilégie le ruissellement sur les zones saturées contributives AiAi Indice topographique Capacité de collecte Capacité d'évacuation

27 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 10 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Présentation de TOPMODEL (Beven et Kirby 1979) Privilégie le ruissellement sur les zones saturées contributives AiAi Indice topographique Modélisation réalisée en deux modules : Prélèvement en surface : 2 paramètres Inter et SRMax Transfert dans le sol : 2 paramètres K 0 et M Conductivité hydraulique du sol Capacité d'évacuation Capacité de collecte

28 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 10 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Présentation de TOPMODEL (Beven et Kirby 1979) Privilégie le ruissellement sur les zones saturées contributives AiAi Indice topographique Modélisation réalisée en deux modules : Ecoulement vers l'exutoire : Ruissellement : Fonction de Transfert Contribution de la nappe : Isochrones Prélèvement en surface : 2 paramètres Inter et SRMax Transfert dans le sol : 2 paramètres K 0 et M Conductivité hydraulique du sol Capacité de collecte Capacité d'évacuation

29 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 11 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Détermination de la fonction de transfert Méthode de la DPFT (Duband et al. 1993) Inversion itérative du système : FT.P=Q Sensible à la qualité des données Pluies- Débits Applicable uniquement aux bassins jaugés

30 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 11 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Détermination de la fonction de transfert Méthode géomorphologique Méthode de la DPFT (Duband et al. 1993) Sensible à la qualité des données Pluies- Débits Basé sur le calcul du temps de transfert de l'eau sur le MNT Applicable uniquement aux bassins jaugés Nécessite 5 paramètres Applicable aux bassins non jaugés (avec transferts des paramètres) Inversion itérative du système : FT.P=Q

31 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 12 Calage du modèle sur un bassin jaugé : le Sonnant d'Uriage Particularité du bassin : Surface modérée : 20,2 km² Hypsométrie moins haute : Alti med = 673 m (Autres bassins 1285 m) Alti max = 1830 m (Autres bassins 2540 m) Légèrement urbanisé Le seul bassin jaugé Gières Uriage

32 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 12 Particularité du bassin : Surface modérée : 20,2 km² Hypsométrie moins haute : Alti med = 673 m (Autres bassins 1285 m) Alti max = 1830 m (Autres bassins 2540 m) Légèrement urbanisé Le seul bassin jaugé Données disponibles : Pluviographe de Saint Martin d'Hères (210 m – pas sur le bassin) Station hydrométrique du pont de Venon (ENSHMG – nombreuses lacunes) Gières Uriage Calage du modèle sur un bassin jaugé : le Sonnant d'Uriage

33 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 12 Particularité du bassin : Surface modérée : 20,2 km² Hypsométrie moins haute : Alti med = 673 m (Autres bassins 1285 m) Alti max = 1830 m (Autres bassins 2540 m) Légèrement urbanisé Le seul bassin jaugé Données disponibles : Pluviographe de Saint Martin d'Hères (210 m – pas sur le bassin) Station hydrométrique du pont de Venon (ENSHMG – nombreuses lacunes) Sélections des évènements Evénements peu intenses Influence de la neige ? Gières Uriage Calage du modèle sur un bassin jaugé : le Sonnant d'Uriage

34 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 13 Détermination de la Fonction de Transfert Méthode de la DPFT Représentativité des pluies douteuse Fonction de Transfert très rapide Référence ? Appliqué au ¼ h

35 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 13 Ajustement sur la DPFT : Paramètres géomorphologiques non physiques Méthode géomorphologique FT retenue : V riv = 1 m/s V vers =0,2 m/s Tx de saturation = 5% Méthode de la DPFT Représentativité des pluies douteuse Fonction de Transfert très rapide Référence ? Appliqué au ¼ h Détermination de la Fonction de Transfert

36 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 14 Modélisation hydrologique du Sonnant d'Uriage Critères de Nash : Résultat de la modélisation : Calage : DPFT -> 0,838 Géomorpho -> 0,847 Validation : DPFT -> 0,828 Géomorpho -> 0,854 Résultats très variables d'un épisode à l'autre Meilleur sur les épisodes les plus forts

37 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 14 Modélisation hydrologique du Sonnant d'Uriage Critères de Nash : Résultat de la modélisation : Résultats très variables d'un épisode à l'autre Meilleur sur les épisodes les plus forts Sensibilité au choix de la FT : Faibles par rapport aux incertitudes sur les pluies Validation : DPFT -> 0,828 Géomorpho -> 0,854 Calage : DPFT -> 0,838 Géomorpho -> 0,847

38 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Extension à un bassin non jaugé : le Vorz Episode du août 2005 : Provoqué par un retour d'EST Le Rivier La Ferrière Revel La Pra Chamrousse Le Versoud Vorz Effet orographique très marqué Pluviographes candidats : Le Versoud (fond de vallée) Le Rivier (Versant EST) Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 15

39 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 15 Episode du août 2005 : Provoqué par un retour d'EST Le Rivier La Ferrière Revel La Pra Chamrousse Le Versoud Vorz Effet orographique très marqué Pluviographes candidats : Le Versoud (fond de vallée) Le Rivier (Versant EST) Comparaison des cumuls Utilisation des pluies au Rivier Le Rivier situé à l'altitude médiane du Vorz Extension à un bassin non jaugé : le Vorz

40 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 16 Résultat de l'extension au Vorz Débit de pointe obtenu : 25 m 3 /s Peu sensible à la FT retenue Correspond aux estimations de Ph. Belleudy (communication personnelle) Initialisation à 100 l/s

41 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 16 Résultat de l'extension au Vorz Extrêmement sensible à l'estimation de la pluie Nécessité absolue de réduire les incertitudes sur les pluies en entrée de modèle Débit de pointe obtenu : 25 m 3 /s Peu sensible à la FT retenue Correspond aux estimations de Ph. Belleudy (communication personnelle) Initialisation à 100 l/s

42 4) Conclusions et perspectives Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 17 Importance de l'entrée pluie dans la modélisation hydrologique Densification du réseau de mesure sur Belledonne Prise en compte de l'orientation pour les précipitations SAFRAN Conclusions et perspcetives

43 4) Conclusions et perspectives Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 17 Démarche intéressante pour appréhender les bassins non jaugés Robustesse des simulations vis à vis des FT sélectionnées Conclusions et perspcetives Importance de l'entrée pluie dans la modélisation hydrologique Densification du réseau de mesure sur Belledonne Prise en compte de l'orientation pour les précipitations SAFRAN Nécessité d'un second bassin jaugé pour pouvoir valider la démarche Mesure existante sur le Breda : bassin atypique de Belledonne

44 4) Conclusions et perspectives Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 17 Nécessité d'un second bassin jaugé pour pouvoir valider la démarche Mesure existante sur le Breda : bassin atypique de Belledonne Examiner l'influence de la neige Modélisation via la méthode du degré-jour Démarche intéressante pour appréhender les bassins non jaugés Robustesse des simulations vis à vis des FT sélectionnées Conclusions et perspcetives Importance de l'entrée pluie dans la modélisation hydrologique Densification du réseau de mesure sur Belledonne Prise en compte de l'orientation pour les précipitations SAFRAN

45 MERCI de votre ATTENTION Des Questions ? Vorz aout 2005 Domenon aout 2005


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