PREVISIONS HYDROLOGIQUES D’ENSEMBLE ADAPTEES AUX BASSINS A CRUES RAPIDES Renaud MARTY Directeur de thèse Charles OBLED Co-direction Isabella ZIN SCHAPI OHM-CV Ateliers SCHAPI, Toulouse, 29 juin 2010

assimilation de données sur les débits : Atelier SCHAPI 2010 Prévisions de précip. Où les trouver ?  modèles météo ?  en les adaptant ? Quelles échéances ? Analogie :  ΔtM = 24h échéance 7-8 jours  ΔtM = 6 / 12h échéance ≥ 3-4 jours Bassins versants Modèle hydro. Horloge interne ? Pas de temps :  ΔtH = 24h  ΔtH = 1h Prévisions de débits Échéances visées ?  vigilance météo ?  alerte hydro ? Échéances hydro. :  7-8 jours  48h A. Ben Daoud : Seine, Saône (5 000 à 10 000 km²) assimilation de données sur les débits : cf. L. Berthet R. Marty : Loire amont, Cévennes (500 à 1 000 km²)

Plan de la présentation Résolutions spatio-temporelles et prévisions de précip. ? Système de prévision adapté aux bassins à crues rapides Prévisions hydrologiques probabilistes Conclusions et Perspectives Échelle temporelle ? Échelle spatiale ? Prévisions de précipitations nécessaires ?

Échelle temporelle ? Bassin versant ~ filtre avec ses temps caractéristiques propres  TP : temps de montée au pic  TC : temps de concentration Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Tc Impulsion de pluie Tp

Échelle temporelle ? Discrétisation de l’hydrogramme unitaire instantané 1 Dt 1 TP 10 = Dt 1 TP 5 = .5 1 Dt 1 TP 4 = Dt 1 TP 3 = Dt 2 TP 5 = .5 Dt 1 TP 2 = Dt 2 TP 3 = Dt 1 TP 1 = 1 Q /Qp [-] .5 Dt 3 TP 2 = Dt 2 TP 1 = Dt 3 TP 1 = 1 .5 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 t / Tp [-]

Échelle temporelle ? DtH ≈ TP /3 DtH ≈ TC /10 Bassin versant ~ filtre avec ses temps caractéristiques propres  TP : temps de montée au pic  TC : temps de concentration Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Tc Impulsion de pluie Tp Pour reproduire correctement la dynamique temporelle du bassin, la durée maximale d’échantillonnage doit être : DtH ≈ TP /3 DtH ≈ TC /10 (Obled et al, 2009)

Échelle spatiale ? Pluie Processus  d’autant plus homogène sur ΔS grande qu’elle est cumulée sur un temps ΔtH grand (cf. Ramos et Obled)  étudier la structure spatiale de la pluie en fonction de ΔtH Approche géostatistique Dt = 10 min  DS ~ 50 - 100 km2 Dt = 1 h  DS ~ 200 - 500 km2 Dt = 3 h  DS ~ 500 -1000 km2 (Obled et al, 2009)

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire Impulsion(s) de pluie Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire  Pluie obs. au temps t ~majoritaire dans Q t → t +TP Impulsion(s) de pluie  TP ≈ échéance « hydrologique » Réponse du bassin Tp

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire  Pluie obs. au temps t ~majoritaire dans Q t → t +TP  TP ≈ échéance « hydrologique » … pour mieux s’en convaincre Tp Gardon à Anduze, novembre 2007

Prévisions de précip. nécessaires ? Bassin versant Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire  TP : échéance « hydrologique » Enjeux et anticipation  Protection des personnes, PCS, services de sécurité 12-24 h  Mise en vigilance/alerte des services opérationnels 2-3 jours  Gestion des ouvrages hydrauliques 4-6 jours anticipation requise < TP  précipitations obs. suffisent anticipation requise > TP  prévisions de précipitations indispensables Cévennes 08-09/09/2002 SPC Alpes Nord (DDT Isère, Grenoble) www.vigicrues.ecologie.gouv.fr/ Villerest (Loire) 01/11/2008

Résolutions spatio-temporelles et prévisions de précip. ? Système de prévision adapté aux bassins à crues rapides Prévisions hydrologiques probabilistes Conclusions et Perspectives Présentation des bassins versants Caractéristiques d’un système de prévision hydrologique Prévisions de précipitations disponibles Désagrégation temporelle

Bassins versants Bassins à crues rapides  ΔtH = 1h  lame d’eau Cévennes-Vivarais, Loire amont  Fortes précipitations en automne... P = 150 à 300 mm en 24h Episodes parfois sur 2/3 jours  ... génératrices de crues rapides Q = 10 à 3000 m3/s en qq. heures L’Ardèche à Vogüé  635 km2, Le Gardon à Anduze  545 km2, La Loire à Chadrac  1310 km2, TP (HU) ≈ 5h  ΔtH = 1h  lame d’eau  besoin PQPF TP (HU) ≈ 5h TP (HU) ≈ 6h

Système de prévision hydrologique Chaîne de prévision hydrologique : deux grandes approches Le « tout-en-un » couplage météo - météo e.g. modèle global  modèle à aire limitée couplage météo - hydro e.g. humidité sol, végétation, évaporation, ... couplage hydro - hydrau e.g. propagation, apports latéraux, confluence... Point de vue de l’hydrologue outil figé modifier 1 module  modifier tt le système tributaire d’un seul fournisseur vulnérabilité responsabilités : identification des sources d’erreur, incertitudes et propagation mise à jour opérationnelle intégration difficile des pluies obs. informations qualitatives complémentaires « tout-en-un » météo : synop météo : méso hydro hydrau

Système de prévision hydrologique Chaîne de prévision hydrologique : deux approches Le « tout modulaire » Point de vue de l’hydrologue outil souple modif. 1 module pas/peu d’interaction avec les autres multi-fournisseur (radar, PQPF) sécurité, utile quand divergence entre modèles évaluation/correction possible par module identification des sources d’incertitudes, estimation, correction mise à jour régulière par module infos météo et hydro indépendantes évaluation correction Info qual. hydrau h y d r o Échelles météo  hydro. m é t Notre choix  approche modulaire

Système de prévision hydrologique Prévisions Météorologiques  sorties brutes de modèles météo. Prévision d’ensemble  plusieurs fournisseurs : EPS (CEPMMT), PEARP (MF), …  ΔxM ≈ 20 à 100 km, ΔtM ≈ 3 à 24h Prévisions sur des échelles plus fines modèle à aire limitée : COSMO-LEPS, … ΔxM ≈ 2 à 20 km, ΔtM ≈ 3 à 24h modèle global modèle à aire limitée

Système de prévision hydrologique Prévisions Météorologiques  sorties adaptées de modèles météo. Adaptation statistique  méthodes régressives entre sorties brutes et précip. observées mais fréquentes évolutions des modèles météo  nouvelle possibilité : « Reforecasts » Adaptation statistico-dynamique analogie, type de temps : cf. A. Ben Daoud ΔxM ≈ BV, ΔtM ≈ 12 à 24h

Système de prévision hydrologique Respect des échelles hydro-météorologiques  échelle spatiale : pour modélisation hydro. globale sorties brutes : ΔxM ~ 2 à 50 km sorties adaptées : ΔxM ~ BV Approche simple  Thiessen sur mailles Approche plus complexes fractale, krigeage, …  ΔtM ~ 3 à 24h ΔxH ~ BV

Système de prévision hydrologique Respect des échelles hydro-météorologiques  échelle temporelle : spécifique aux bassins à crues rapides Approches simples  moyenne, triangle Approches plus complexes  fractale  générateur stochastique  ΔtH ~ 1h ΔxH ~ BV

Système de prévision hydrologique Hydrologie Modélisation hydrologique Elaboration de prévisions hydrologiques probabilistes Choix du/des modèle(s) hydrologique(s)  simple, parcimonieux, robuste  prévis. hydro. robustes à partir de 500 à 1000 scénarios Approche probabiliste  plusieurs modèles  plusieurs jeux de paramètres scénarios horaires de précipitations Modèle(s) hydrologique(s) « traces » hydrologiques (en débits)  Gestion du fonctionnement opérationnel : rafraîchissement journalier des prévisions, collecte horaire des précipitations obs.  Conditionnement par le passé : pluies obs.  Conditionnement par le futur : prévi de précipitations ( + prévi immédiate ?)  + Possibilité de prendre en compte toute information qualitative complémentaire : début, arrêt des pluies, intermittence Info qual : suggérées par prévisionniste

Système de prévision hydrologique Hydrologie Modélisation hydrologique Elaboration de prévisions hydrologiques probabilistes scénarios horaires de précipitations Modèle(s) hydrologique(s) « traces » hydrologiques (en débits) Pobs « traces » hydrologiques  synthèse par quantile  synthèse par dépassement de seuil Q90 Q60 Q35 Pobs à venir Qsim(Pobs) trace Qobs

Système de prévision hydrologique Continuité dans la « lignée » des développements menés au LTHE  prévisions par analogie Guilbaud 96, Bontron 04, Thévenot 04  prévisions d’ensemble EPS Marty 10  générateur stochastique Tourasse 81, Lebel 84 + conditionnement par le passé Lardet 92 + conditionnement par le futur Datin 98, Djerboua 04 + application sur l’Ardèche Datin 98 + application sur la Loire Supérieure Moulin 07 + application sur le Gardon Marty 06  modèle hydrologique (TOPSIMPL) Saulnier 95, Datin 98, Zin 02

Prévisions de précipitations disponibles  Prévisions d’ensemble EPS du CEPMMT  51 « traces »  Δt = 6h, utilisées à 6, 12 et/ou 24h,  produites 2 fois par jour 0 et 12 hTU et reçues à 6 et 18 hTU,  échéance = 10 jours, limitée ici à 3 jours,  grille de résolution 0.70°(2000-2006) puis 0.45° (2006-2009)  échelle : BV polygone de Thiessen

Prévisions de précipitations disponibles  Prévisions / Adaptation par analogie ANA24 et ANA12  30 « analogues »  « temps réel » au LTHE, à partir des sorties du modèle GFS (NOAA)  ANA24 : ΔtM = 24h, produites 1 fois par jour (06 hTU),  ANA12 : ΔtM = 12h, produites 2 fois par jour (06 et 18 hTU),  échéance = 7 et 3 jours  échelle : BV N0 N1 N2

Désagrégation temporelle Générateur stochastique de scénarios horaires de précip. Adaptation temporelle du pas de temps météorologique ΔtM (12, 24h) au pas de temps hydrologique ΔtH (1h) Paramètres  NA nombre d’averses par épisode  DA durée de l’averse  ITEA durée de la période sèche entre averses  HPA volume de l’averse  HPMX maximum de pluie horaire  HEMA position de ce maximum

à retenir pour chaque classe Désagrégation temporelle Générateur stochastique de scénarios horaires de précip. Conditionnement par les prévisions de précipitations Cumul sur 24h à partir de 6h TU Nombre de scénarios à retenir pour chaque classe Nombre total de scénarios Souhaités ex. 500~1000 X

Désagrégation temporelle Générateur stochastique de scénarios horaires de précip. Conditionnement par les prévisions de précipitations Censure: Retenir ce scénario généré pour la classe [40-45] sauf si elle en contient déjà 120 Génération de scénarios marginaux Rajout/rejet du scénario 42mm en 24h t

 Nouvelles prévisions disponibles Désagrégation temporelle Générateur + Cycle de fonctionnement Rafraîchissement journalier (bi-journalier) des Prévisions météo (precip) Mise à jour horaire des distributions avec les précipitations observées A 6 hTU  Nouvelles prévisions disponibles prévision pour J prévision pour J+1 prévision pour J conditionnée par Pobs Or entre 6 et 12 hTU Pobs = 48.4mm échéance Pluie observée 6 18 18 30 42 54 temps [hTU] 12 Jour J Jour J+1 Jour J+2

Désagrégation temporelle prévision pour J prévision pour J+1 prévision pour J+(J+1) Or depuis 6 hTU Pobs = 54.1 mm 18 hTU  combinaison des 2 distributions prévision pour J + (J+1) conditionnée par Pobs échéance Pluie observée 6 18 30 42 54 temps [hTU] Jour J Jour J+1 Jour J+2

Désagrégation temporelle prévision pour J prévision pour J+1 6 hTU : Nouvelles prévisions disponibles  Processus réinitialisé Jour J Jour J+1 6 18 30 échéance 6 18 30 42 54 temps [hTU] Jour J Jour J+1 Jour J+2

Résolutions spatio-temporelles et prévisions de précip. ? Système de prévision adapté aux bassins à crues rapides Prévisions hydrologiques probabilistes Conclusions et Perspectives Prévisions hydrologiques avec information quantitative à 24h Prévisions hydrologiques avec information quantitative à 6/12h Prévisions hydrologiques selon une approche mixte

Prévisions hydro. avec info à 24h Exemple : Gardon à Anduze - 6 sept. 2005 - 6 hTU 06:00 ANA24 Nelles prévisions : distributions pour J EPS24

Prévisions hydro. avec info à 24h Exemple : Gardon à Anduze - 6 sept. 2005 - 18 hTU 18:00 ANA24 Combine J et J+1 + Pobs depuis 6hTU : 54.1 mm EPS24

Prévisions hydro. avec info à 24h Prise en compte d’informations qualitatives complémentaires Exemple 1 : Gardon à Anduze - 6 sept. 2005 - 18 hTU Le front froid devrait franchir les versants cévenols demain en début de matinée et entraîner un arrêt des pluies entre 2 et 5hTU sur ces versants… + sans avec  Intérêt / nécessité ? d’une information complémentaire sur la répartition infra-journalière des cumuls de précipitations

Prévisions quantitatives à 6/12h Prévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h Première méthode : utiliser directement les traces EPS à 6 h  Désagrégation légère 6 h 1 h (intensité moyenne)  Exemple : Ardèche à Vogüé - 16 nov. 2006 - 18 hTU 18:00 Pobs  Bonne chronologie mais cumul fortement sous-estimé

Prévisions quantitatives à 6/12h Prévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h Seconde méthode : utiliser les distributions prévues par EPS12 et ANA12 mais Δt = 12h, trop grossier pour le modèle hydro.  Désagrégation via le générateur stochastique : - génération des N scénarios sur le 1er pas de 12 h - puis génération supplémentaire sur le 2nd pas de 12 h après tirage du n° du scénario de la première partie

Prévisions quantitatives à 6/12h Prévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h Seconde méthode : EPS12  Exemple : Ardèche à Vogüé - 17 nov. 2006 - 6 hTU 06:00  Bonne discrimination temporelle des périodes « sèches » et « humides »  Mais toujours sous-estimation des cumuls par EPS

Prévisions quantitatives à 6/12h Prévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h Seconde méthode : ANA12  Exemple : Ardèche à Vogüé - 17 nov. 2006 - 6 hTU 06:00  discrimination périodes « sèches » et « humides » moins performante que EPS12

Approche mixte Principe de l’approche mixte Approche mixte : volume par ANA24 et chronologie par EPS à 6h  Information quantitative : ANA24 Δt = 24 h rafraîchissement journalier à 6 hTU  Information complémentaire qualitative : EPS Δt = 6 h rafraîchissement 2 fois par jour, à 6 et 18 hTU  Désagrégation en 2 temps : 24  6 h : tirage du volume à désagréger dans la distribution ANA24 + tirage de la « trace » EPS utilisée comme indicatrice 6  1 h : désagrégation légère (intensité moyenne)

Approche mixte Prévisions hydrologiques Estimation du pic de crue  Exemple 1 : Ardèche à Vogüé - 16 nov. 2006 - 18 hTU 18:00 ANA24 + EPS à 6h ANA24 seule

Approche mixte Prévisions hydrologiques Estimation du pic de crue  Exemple 2 : Gardon à Anduze - 22 nov. 2007 - 6 hTU ANA24 + EPS à 6h 06:00 ANA24 seule

Résolutions spatio-temporelles et prévisions de précip. ? Système de prévision adapté aux bassins à crues rapides Prévisions hydrologiques probabilistes Conclusions et Perspectives

Conclusions Système de prévision hydrologique : Bassin versant  définit le pas de temps hydrologique ΔtH + structure du processus « pluie »  ΔxH  définit une échéance « hydro » + enjeux/anticipation  besoin de prévisions de précip. ΔtM ΔxM Système modulaire  faisabilité O.K.!  outils « simples »  personnalisable par l’hydrologue en fonction du contexte hydrométéo.

Conclusions Système de prévision hydrologique : Désagrégation au pas de temps hydrologique horaire  générateur stochastique, si nécesssaire – adapté au cycle de fonctionnement : rafraîchissement journalier et mise à jour horaire (Pobs) – conditionnements par le passé (Pobs) et par le futur (prévisions météo)

Conclusions Prévisions hydrologiques probabilistes avec... ... informations quantitatives à 24h  Performance du système : bonne + prise en compte d’info. qualitatives : améliore les prévisions !  apport nécessaire d’information complémentaire sur la répartition infra-journalière (temporelle) des cumuls prévus de précipitations ... informations quantitatives à 6/12h  Utilisation directe des traces EPS à 6h  bonne chronologie,  volume sous-estimé  Utilisation sous forme de distribution EPS12 et ANA12 EPS12 :  discrimination sec vs. humide  volume sous-estimé ANA12 :  volume mieux prévus  pb. discrimination sec vs. humide

Conclusions Notre meilleur choix (à ce jour) : Approche Mixte Prévisions de précipitations  ANA à 24h : pour cumuls journaliers prévus + EPS à 6h : pour chronologies prévues des précipitations (1 par trace) Impacts sur le cycle de fonctionnement  rafraîchissement de l’info quantitative : 1 fois par jour  mais requiert double connexion à 2 modèles météo 1: pour le volume en 24h 2: pour chrono. en 6h Impacts sur la performance des prévisions hydrologiques  meilleure anticipation de la réaction du bassin  meilleure estimation du pic de crue

Perspectives Vers une couverture spatiale continue ? O.K. sur le tiers Sud-Est :  archive continue de précip. à 24h : Gottardi  possible découpage hydrologique + modélisation hydro. semi-distribuée associée  débiaisement des prévisions par analogie pondération en fonction de la « rareté » de la situation prévue  fenêtre glissante : P24 toutes les 6 / 12h ? selon la qualité de l’archive pluviométrique F. Gottardi, 2009 L. Bonnifait 500 km² 50 km² Prise en compte de l’incertitude de modélisation  approche multi-modèles : TOPSIMPL + GR3P, MORDOR, ...  plusieurs jeux de paramètres équifinaux (GLUE, ...)

MERCI DE VOTRE ATTENTION ! L’EPISODE HYDROLOGIQUE DU 18 au 20 OCTOBRE 2006 DANS LA VALLEE OBSCURE (GARD) MERCI DE VOTRE ATTENTION ! Claude MARTIN, Jean-François DIDON-LESCOT, Joël JOLIVET, Jean-Marc DOMERGUE et Dominique RAY