Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire

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1 Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire
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 Pont Romain de Vaison la Romaine
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) Pont Romain de Vaison la Romaine L’Ouvèze, 585 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

3 Pont Romain de Vaison la Romaine
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) Pont Romain de Vaison la Romaine 22 Sept. 1992 L’Ouvèze, 585 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

4 L’objet d’étude : le bassin versant
PLUIE DEBIT Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

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

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

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

9 Modélisation hydrologique empirique
Données d’entrée et de sortie ETP Pluie Débit Approche systémique : Représenter le bassin versant dans son ensemble Pluie Échanges souterrains ETR Débit Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

10 Quelle validation d’un modèle hydrologique ?
Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu La relation Pluie – Débit à l’échelle du bassin versant n’existe pas ! Tous les modèles sont faux… Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

11 Quelle validation d’un modèle hydrologique ?
Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu La relation Pluie – Débit à l’échelle du bassin versant n’existe pas ! Tous les modèles sont faux… … mais certains le sont moins que d’autres ! Approche empirique et comparative Large échantillon de bassins versants M. SUGAWARA J.E NASH V. KLEMES R. LINSLEY S. BERGSTRÖM W. BOUGHTON C. MICHEL Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

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

14 Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Annuel 12 Mensuel 30 Journalier Horaire Débit Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

15 Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Annuel 12 Mensuel 30 Journalier 24 Horaire Débit Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km² Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

16 Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Annuel Mensuel Journalier Horaire Modèles ? Paramètres 1 2 4 ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

17 Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ?
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 Synthèse des travaux effectués
Intérêt des grands échantillons de BV C2M : Critère d’évaluation des performances Stratégie d’optimisation Méthodologie Pluie Échanges souterrains ETR Débit Valorisation de la distribution temporelle de la pluie Valorisation de la distribution spatiale de la pluie Prédétermination des paramètres Modélisation hydrologique Intercomparaison de modèles Développement de modèles Applications opérationnelles Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

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

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

22 Méthodologie 313 Bassins versants
227 BV 70 BV + 12 BV Australie, + 2 BV Slovènie, + 2 BV Espagne Durée médiane des chroniques : 6 ans (de 3 à 33 ans) Superficie médiane : 85 km² (de <1 à 5000 km²) 313 Bassins versants Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

26 Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire
313 Bassins Versants 15 Modèles 2093 périodes de calage / contrôle 4 à 10 paramètres libres Procédure de Calage / Contrôle Méthode de calage locale Fonctions objectifs : NS(Q) et NS(Q1/2) Intercomparaison des performances 2 fonctions objectifs : C2M(Q) et C2M (Q1/2) Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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 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 Développement d’un modèle au pas de temps horaire
Quelle démarche de développement d’un modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

30 Développement d’un modèle au pas de temps horaire
Quelle démarche de développement d’un modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? ? GR4J Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

31 Développement d’un modèle au pas de temps horaire
Quelle démarche de développement d’un modèle ? Complexification progressive ? Simplification progressive ? ? MORDOR Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

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

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

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

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

40 Simplification progressive
De MORDOR10 à MORDOR6 : Etude de sensibilité à grande échelle, Mêmes performances, Meilleure définition des vecteurs de paramètres. Identification d’un optimum de la surface de réponse : MORDOR10 : 15% des cas, MORDOR6 : 60% des cas. Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

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

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

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

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

48 ? Conclusions 1 2 4 ? Annuel Mensuel Journalier Horaire Paramètres
Débit Annuel Mensuel Journalier Horaire Modèles ? Paramètres 1 2 4 ? Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

49 Conclusions 1 2 4 4 Annuel Mensuel Journalier Horaire Paramètres Débit
Modèles Paramètres 1 2 4 4 Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

50 Conclusions Intérêt de questionner la structure d’un 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 Perspectives Chaîne de modèles
Stratégies de valorisation de l’information pluviométrique Stratégies de transfert des vecteurs de paramètres d’un pas temps à un autre Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET

52 MERCI ! De Leticia (Colombie) à Belem (Brésil) en passant par l’Amazone

53 Prédétermination

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

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

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

57 Robustesse

58 Influence de la durée de la période de calage

59 Influence de la durée de la période de calage

60 Prédétermination des paramètres d’un modèle au pas de temps horaire

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

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

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

64 Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
Première stratégie de transfert : Régressions linéaires : Xi (H) = ai.Xi (J)+bi Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions

65 Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
Deuxième stratégie de transfert : Transfert de régions de l’espace des paramètres, Matrice de transition entre la région d’un 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 Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
Deuxième stratégie de transfert : Vecteur composite Multi-modèle Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

78 SALLE DARCY Couloir 46-56 3 éme étage