THESE

ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORÊTS N° attribué par la bibliothèque |_|_|_|_|_|_|_|_|_|_| THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’ENGREF Spécialité: Sciences de l’eau préparée dans l’Unité de Recherche Hydrosystèmes et bioprocédés Cemagref, Antony dans le cadre de l’Ecole Doctorale Géosciences et Ressources Naturelles présentée et soutenue publiquement par Claudia Rojas Serna le 16 décembre 2005 à l’Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et des Forêts Quelle connaissance hydrométrique minimale pour définir les paramètres d’un modèle pluie-débit ? JURY M. Charles Obled Rapporteur M. Christophe Bouvier M. Claude Michel Directeur de thèse M. Gérard Degoutte Examinateur M. Benoît Hingray ur  A la mémoire de mes grands parents, Agripina Magaña, Enrique Rojas, Juana Sotelo et Arturo Serna. Remerciements Remerciements En tout premier lieu, je tiens à remercier Claude Michel, mon directeur de thèse, qui a encadré ces travaux avec une disponibilité et une immense patience. La clarté de ses idées et sa rigueur scientifique m’ont beaucoup apporté tout au long de ce parcours. Je lui suis profondément reconnaissante et je lui manifeste toute ma gratitude et mon respect. Je remercie également le professeur Charles Obled ainsi que M. Christophe Bouvier qui se sont acquittés de la délicate tâche de rapporter sur cette thèse. Toute ma gratitude s’adresse aussi aux membres du jury MM. Gérard Dégoutte et Benoît Hingray, qui m’ont fait l’honneur de lire ce texte et de participer au jury de soutenance de cette thèse. Je tiens à remercier tout particulièrement Vazken Andréassian et Charles Perrin, mes conseillers d’études, leurs remarques et conseils m’ont été précieux. Je leur suis profondément reconnaissante et je leur garde toute mon amitié. Je suis très largement redevable à Cécile Loumagne pour sa disponibilité et ses conseils avisés. J’exprime mes plus vifs remerciements aux MM. Gérard Dégoutte, Pierre Hubert, Eric Parent et Pierre Ribstein pour avoir accepté d’être membres du comité de suivi de cette thèse. Je les remercie pour l’intérêt qu’ils ont manifesté sur ce travail et par les critiques et remarques dont j’ai bénéficié. Je tiens à remercier le Conseil National de Science et Technologie du Mexique (Conacyt) qui m’a accordé la bourse dont j’ai bénéficiée pour la réalisation de ces travaux. Je remercie également à la Société Française d’Exportation des Ressources Éducatives (SFERE) pour son appui. Ces recherches ont reçu les soutiens de la Direction de l'Eau du Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable sur la période 2003-2005 et du programme de recherche ECosphère COntinentale ECCO-PNRH de l'Institut National des Sciences de l'Univers (INSU) sur la même période J’ai trouvé dans l’Unité de Recherche Hydrosystèmes et bioprocédés (HBAN) du Cemagref un environnement scientifique et un cadre de travail de qualité. Je tiens à remercier Jean-Luc Pujol et Gildas Le Bozec pour m’avoir accueilli dans cette unité. J’exprime aussi ma reconnaissance aux autres membres de l’équipe d’hydrologie, du Cemagref Antony. Leurs encouragements et leurs avis ont été très utiles dans la conduite de ma recherche; Jean-Louis Rosique pour son aide efficace pour la gestion des problèmes informatiques ; Mamoutou Tangara pour ses encouragements, ainsi que Marine Riffard et Julien Lerat ; Sophie Morin, Valérie Dansin et Sylvie Tonachella pour les nombreux services que je leur ai demandés. 5 Remerciements Au cours de cette thèse, j’ai également apprécié la collaboration des différents doctorants et stagiaires du Cemagref, en particulier Ludovic Oudin, Jean-Luc Payan et Nanée Chahinian. Je remercie également les personnes qui m’ont fourni les données nécessaires pour la validation de ce travail ; en particulier Jesus Campos Lopez, Ricardo Martínez Lagunes, Juan Carlos Valencia, Gaspar Monterrosa et Alejandro Díaz Ponce de la Commission Nationale de l’Eau du Mexique par sa disponibilité et accessibilité. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Elisabeth Maltese pour sa disponibilité et ses conseilles pendant la rédaction de cette thèse. Je remercie tous les membres de ma famille pour leur amour et leur soutien constant. Je remercie Alberto pour ses conseils, sa patience, et ses qualités professionnelles et humaines. Qu’il me soit enfin permis de remercier tous mes amis et tous ceux qui m’ont encouragée et appuyée au cours de ces trois années et que je n’ai pas mentionnés. 6  Résumé 7 Résumé Résumé La recherche entreprise au cours de la présente thèse s’intéresse à la détermination des paramètres d’un modèle pluie-débit sur les bassins non jaugés. L’idée principale est d’utiliser un minimum de mesures ponctuelles de débit pour estimer ces paramètres. Les approches pour optimiser les paramètres que nous avons conçues utilisent de façon particulière la connaissance a priori de ces paramètres : • Dans une première approche, une fonction objectif est construite en considérant deux termes : les écarts par rapport aux paramètres a priori et les erreurs de simulation sur les quelques mesures de débit disponibles. L’analyse a porté sur quatre estimations différentes des écarts-types des paramètres. • Dans une deuxième approche, l’information a priori est synthétisée par un ensemble fini de jeux de paramètres et on choisit le jeu qui minimise les erreurs par rapport aux quelques mesures ponctueles de débit. Dans ce cas, deux méthodes différentes sont comparées : l’une consiste à chercher le jeu optimum pparmi 3 jeux de paramètres pour un modèle ayant p paramètres dans sa structure. L’autre méthode choisit le jeu de paramètres parmi ceux des bassins jaugés similaires au bassin non jaugé étudié, selon des caractéristiques physio- climatiques. C’est cette deuxième approche utilisant un recueil des jeux de paramètres d’un grand nombre de bassins jaugés qui est apparue comme la plus prometteuse. Au delà de la méthode d’optimisation de paramètres, on a essayé de rechercher la meilleure stratégie d’acquisition de mesures de débit. L’objectif est de planifier ces mesures pendant les jours où le potentiel d’information est maximal pour discriminer, parmi les jeux de paramètres candidats, celui qui a le plus de chances d’être efficace. Le résultat principal de cette recherche est qu’il faut viser les jours où le débit est susceptible de prendre les plus hautes valeurs possibles. Cette étude a nécessité le rassemblement de données journalières sur un grand nombre de bassins versants répartis sur quatre continents, et sans sélection a priori puisqu’aucune sélection est possible pour un bassin non jaugé. Le succès d’une méthode de détermination des paramètres pour un bassin non jaugé ne peut être mesuré que de façon statistique puisqu’aucune série complète n'est disponible pour vérifier le bien fondé de la méthode pour un bassin particulier. C’est pourquoi le succès se mesure par l’augmentation de la probabilité de dépasser un critère d’efficacité fixé à l’avance. Cette voie de recherche, qui n’avait pas été employée jusqu’à présent, a débouché sur des résultats qui sont intéressants puisqu’avec seulement deux mesures de débit, on obtient un jeu de paramètres qui permet au modèle GR4J d’être statistiquement équivalent à beaucoup de modèles de la littérature qui auraient pu être calés de façon conventionnelle sur une longue série de débits. 9 Résumé Un résultat intéressant également est que la méthode peut s’appliquer à des modèles plus complexes que GR4J. Le nombre de paramètres n’influe pas de façon exponentielle sur le nombre de mesures à acquérir. Dans le futur il conviendra de donner à la stratégie d’acquisition de mesures, un caractère dynamique en modifiant le jeu de paramètres utilisé pour simuler les débits que l’on peut attendre des pluies en cours, alors que dans toute notre recherche, ces débits potentiels était déterminés en fonction d’un jeu fixe de paramètres a priori, faiblement influencé par les caractéristiques physio-climatiques des bassins. 10