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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
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
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
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
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
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)
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)
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)
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
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
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)
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 30Pas 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)
)(10 hTX
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
Breda
Domenon
Vorz
Merdaret
SonnantSt 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
Breda
Domenon
Vorz
Merdaret
SonnantSt Pierre de Chartreuse
Chamrousse
Ste Marie de Cuines
Le Rivier
Allevard Font 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
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
Allevard Font de France
Belledonne
Pluviographes METEO FRANCE
Pluviographes EDF
Pluviographe LTHE
1) Objectif : Modélisation hydrologique de petits bassins non jaugés
Zone approximative de représentativité des données pluiesà pas de temps court (1/4h)
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
5
Réseau de mesure hydrométéorologique sur le massif de Belledonne
Limnigraphe LTHE
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
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 1995 - 2005
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
7
2) Les précipitations fournies par SAFRAN
Comparaison des données SAFRAN et des données sol
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
2) Les précipitations fournies par SAFRAN
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
8
Résultats des comparaisons
SMH : ~ 200 m Le 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
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
1h 24h PLUVIO
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 volumes1h 24h
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
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
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
AiiIndice topographique
Capacité de collecteCapacité
d'évacuation
i
ii
A
tanln
i
ii
A
tanln
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
AiiIndice topographique
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
Capacité d'évacuation
Capacité de collecte
i
ii
A
tanln
M
dKdK exp)( 0
M
dKdK exp)( 0
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
AiiIndice 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 K0 et M
Conductivité hydraulique du sol
Capacité de collecteCapacité
d'évacuation
i
ii
A
tanln
M
dKdK exp)( 0
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
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)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
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 :Altimed = 673 m (Autres bassins 1285 m)Altimax = 1830 m (Autres bassins 2540 m)
Légèrement urbanisé
Le seul bassin jaugé
Gières
Uriage
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
12
Particularité du bassin :
Surface modérée : 20,2 km²
Hypsométrie moins haute :Altimed = 673 m (Autres bassins 1285 m)Altimax = 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
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
12
Particularité du bassin :
Surface modérée : 20,2 km²
Hypsométrie moins haute :Altimed = 673 m (Autres bassins 1285 m)Altimax = 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
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
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
13
Ajustement sur la DPFT : Paramètres géomorphologiques non physiques
Méthode géomorphologique
FT retenue :
Vriv = 1 m/s Vvers=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
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
14
Modélisation hydrologique du Sonnant d'Uriage
Critères de Nash : Nash=1−∑1
nQ
sim−Q
obs2
∑1
nQ
sim−Q
obs2
Résultat de la modélisation :Calage :
DPFT -> 0,838
Géomorpho -> 0,847Validation :
DPFT -> 0,828
Géomorpho -> 0,854Résultats très variablesd'un épisode à l'autre
Meilleur sur les épisodes les plus forts
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
14
Modélisation hydrologique du Sonnant d'Uriage
Critères de Nash : Nash=1−∑1
nQ
sim−Q
obs2
∑1
nQ
sim−Q
obs2
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 ->
0,828Géomorpho ->
0,854
Calage : DPFT ->
0,838Géomorpho ->
0,847
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Extension à un bassin non jaugé : le Vorz
Episode du 21-23 août 2005 :
Provoqué par un retour d'EST
Le Rivier
La Ferrière
Revel
La Pra
ChamrousseLe Versoud
VorzEffet orographique très marqué
Pluviographes candidats :
Le Versoud (fond de vallée)
Le Rivier (Versant EST)
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
15
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
15
Episode du 21-23 août 2005 :
Provoqué par un retour d'EST
Le Rivier
La Ferrière
Revel
La Pra
ChamrousseLe Versoud
VorzEffet 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
3) Modélisation hydrologique par TOPMODEL
Thomas Finet Soutenance de PFE-M2R
16
Résultat de l'extension au Vorz
Débit de pointe obtenu : 25 m3/s
Peu sensible à la FT retenue
Correspond aux estimations de Ph. Belleudy (communication personnelle)
Initialisation à 100 l/s
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 m3/s
Peu sensible à la FT retenue
Correspond aux estimations de Ph. Belleudy (communication personnelle)
Initialisation à 100 l/s
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
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
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
MERCI
de votre
ATTENTION
Des
Questions
?
Vorz 22-23 aout 2005
Domenon 22-23 aout 2005