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