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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2) Les précipitations fournies par SAFRAN Présentation de SAFRAN (Durand et al. 1993) Système développé pour la prévision avalanche (SAFRAN-CROCUS-MEPRA) Données météorologiques Modèle : ARPEGE - AURELHY Température, humidité, rayonnement solaire, précipitations SAFRAN Mesures du réseau nivo-météo Selon le massif, l'orientation et l'altitude Au pas horaire 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 Mise à disposition des données : période 1995 - 2005 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 6

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

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

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

Influence de l'altitude et l'orientation 2) Les précipitations fournies par SAFRAN 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 1h 24h PLUVIO 1 % des heures de pluie où : P>0 au sommet et P=0 dans la vallée Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 9

Influence de l'altitude et l'orientation 2) Les précipitations fournies par SAFRAN 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 1h 24h SAFRAN 1 % des heures de pluie où : P>0 au sommet et P=0 dans la vallée Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 9

Influence de l'altitude et l'orientation 2) Les précipitations fournies par SAFRAN 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 Conclusion sur les données SAFRAN Qualité probablement suffisante pour l'étude de la ressource en eau MAIS Données non adaptées à l'hydrologie des crues des petits bassins Précision temporelle et spatiale insuffisante Utilisation des données stations Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 9

3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Présentation de TOPMODEL (Beven et Kirby 1979) Privilégie le ruissellement sur les zones saturées contributives Ai Indice topographique Capacité de collecte Capacité d'évacuation 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 Ai Indice topographique Capacité de collecte Capacité d'évacuation Modélisation réalisée en deux modules : Prélèvement en surface : 2 paramètres Inter et SRMax Transfert dans le sol : 2 paramètres K0 et M Conductivité hydraulique du sol 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 Ai Indice topographique Capacité de collecte Capacité d'évacuation Modélisation réalisée en deux modules : Prélèvement en surface : 2 paramètres Inter et SRMax Transfert dans le sol : 2 paramètres K0 et M Conductivité hydraulique du sol Ecoulement vers l'exutoire : Ruissellement : Fonction de Transfert Contribution de la nappe : Isochrones Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 10

Détermination de la fonction de transfert 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 Applicable uniquement aux bassins jaugés Sensible à la qualité des données Pluies-Débits Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 11

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

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

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

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

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

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

Modélisation hydrologique du Sonnant d'Uriage 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL 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 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 14

Modélisation hydrologique du Sonnant d'Uriage 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL 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 Sensibilité au choix de la FT : Faibles par rapport aux incertitudes sur les pluies Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 14

Extension à un bassin non jaugé : le Vorz 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Extension à un bassin non jaugé : le Vorz La Ferrière Episode du 21-23 août 2005 : Le Rivier Provoqué par un retour d'EST Effet orographique très marqué Vorz La Pra Pluviographes candidats : Le Versoud (fond de vallée) Le Rivier (Versant EST) Revel Chamrousse Le Versoud Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 15

Extension à un bassin non jaugé : le Vorz 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Extension à un bassin non jaugé : le Vorz La Ferrière Episode du 21-23 août 2005 : Le Rivier Provoqué par un retour d'EST Effet orographique très marqué Vorz La Pra Pluviographes candidats : Le Versoud (fond de vallée) Le Rivier (Versant EST) Revel Chamrousse Le Versoud Comparaison des cumuls Le Rivier situé à l'altitude médiane du Vorz Utilisation des pluies au Rivier Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 15

Résultat de l'extension au Vorz 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Résultat de l'extension au Vorz Initialisation à 100 l/s Débit de pointe obtenu : 25 m3/s Peu sensible à la FT retenue Correspond aux estimations de Ph. Belleudy (communication personnelle) Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 16

Résultat de l'extension au Vorz 3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL Résultat de l'extension au Vorz Initialisation à 100 l/s Débit de pointe obtenu : 25 m3/s Peu sensible à la FT retenue Correspond aux estimations de Ph. Belleudy (communication personnelle) Extrêmement sensible à l'estimation de la pluie Nécessité absolue de réduire les incertitudes sur les pluies en entrée de modèle Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 16

Conclusions et perspcetives 4) Conclusions et perspectives 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 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 17

Conclusions et perspcetives 4) Conclusions et perspectives 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 Démarche intéressante pour appréhender les bassins non jaugés Robustesse des simulations vis à vis des FT sélectionnées Nécessité d'un second bassin jaugé pour pouvoir valider la démarche Mesure existante sur le Breda : bassin atypique de Belledonne Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 17

Conclusions et perspcetives 4) Conclusions et perspectives 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 Démarche intéressante pour appréhender les bassins non jaugés Robustesse des simulations vis à vis des FT sélectionnées 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 Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R 17

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