thèseMarieFinale

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 Marie BOURQUI le 4 avril 2008 à l'Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et des Forêts Centre de Paris Impact de la variabilité spatiale des pluies sur les performances des modèles hydrologiques JURY Cyril Kao Président Cécile Loumagne Directeur de thèse Roger Moussa Co-Directeur de thèse François Anctil Rapporteur Gil Mahé Rapporteur Hervé Andrieu Examinateur Rémy Garçon Examinateur  2  À Pierry 3 Remerciements Remerciements Cette thèse s'est déroulée au sein de l'équipe Hydrologie du Cemagref à Antony. Qui dit équipe dit évidemment que le chemin, du début où l'on ne sait pas trop ce qu'on va faire jusqu'à la rédaction finale, n'a pas été parcouru seule… Je voudrais en premier lieu remercier Cécile Loumagne, ma directive de thèse, et Roger Moussa, mon co-directeur, de m'avoir fait confiance pour mener ces travaux. Je tiens aussi à exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes qui m'on fait l'honneur d'être membres de mon jury : Gil Mahé et François Anctil qui ont été de méticuleux et complémentaires rapporteurs du manuscrit; Hervé Andrieu et Rémy Garçon (Arrêtes Rémy avec tes 300 mm !) pour leur rôle d'examinateur et enfin Cyril Kao pour avoir accepté de présider ce jury. Je remercie également les personnes qui ont participé aux comités de suivi avec mes encadrants : Pierre Ribstein, Jacques Lavabre et Gérard Dégoutte. Je voudrais aussi exprimer ma profonde gratitude et mon immense estime à Charles Perrin, qui a eu la délicate tâche de me suivre, de m'orienter, de m'épauler et de m'aider au quotidien jusqu'au dernier point du manuscrit. Sans son investissement sans limites (enfin je les ai cherchées, je n'ai pas trouvées) dans le suivi de mes travaux, le bilan de cette thèse aurait été moins positif que ce qu'il est à ce jour ! Une spéciale dédicace pour Vazken Andréassian, chef de l'équipe du groupe hydrologie, mais en fait bien plus qu'un chef d'équipe (conteur, chanteur, apiculteur, marieur, historien…). Une pensée aussi pour Claude Michel, qui a désormais rendu son tablier, mais qui est l'instigateur de presque toutes les méthodes utilisées dans l'équipe. Je voudrais donc remercier sincèrement ces trois "mentors" de l'équipe pour m'avoir mis sur les rails de la modélisation hydrologique et de m'en avoir fait comprendre toute la rigueur nécessaire. Le dernier chapitre de cette thèse n'aurait pu voir le jour sans l'aimable concours d'Eric Martin et de Pere Quintina Segui de Météo-France à Toulouse, qui m'ont fourni les simulations du modèle SIM. Je les en remercie vivement. Je ne voudrais pas non plus oublier 5 Remerciements Gilles Bonnet qui m’a donné accès au cluster de Clermont-Ferrand et qui, avec l’assistance de Lionel, m’a permis de gagner un temps inouï dans les calculs et l’organisation du travail. Plus amplement maintenant, un grand merci à tous les membres permanents de l'équipe Hydrologie (Marine pour l'animation de la rubrique people, Jean-Louis pour les bases SIG, sans oublier Julien, Mamoutou, Pierre et Maria-Helena). Le même grand merci aux thésards et ex-thésards de l'équipe: merci à Thib, pour son appui sur les méthodes multi-modèle et aussi son soutien "piscicologique" et son aide à redémarrer la machine quand la motivation venait à manquer et aussi ravie qu’il soit devenu un excellent compagnon de ski de rando "social" ; à Nico, grand gestionnaire des données Safran et collecteur de données hydrologiques mais aussi adepte des "boundaries conditions" ; à Lionel, pour son appui technique informatique ; à Audrey, pour m'avoir supportée en tant que colocataire du bureau ; à Jean Luc, pour son soutien à coup de baklavas et aussi à Claudia, Nanée et Ludo. Je ne veux pas non plus oublier les stagiaires de l'équipe Seb, Bastien, Golnoush, Blandine et les nombreux autres… Je voudrais remercier aussi les membres des autres équipes de l'unité HBAN du Cemagref d'Antony avec qui nous partageons les locaux pour leur accueil et leur gentillesse. En particulier, les écotoxo-pisci-épurateurs Yannick, Seb, Antoine, Vivien, Fred, Bastien et les autres pour l'animation pleine d'entrain autour de la machine à café et ailleurs. Ceux du deuxième sont aussi méritants notamment Béné (rédac’ en chef RLP et courageuse et rigoureuse relectrice du manuscrit de cette thèse), Yves, François et Julien pour leur bonne humeur quasi permanente. Merci aussi à Sophie et Valérie pour la gestion de "choc" des affaires administratives, toujours avec le sourire ! Au Cemagref, bien sûr, on travaille dur mais c'est parce que l'on a l'occasion de se détendre ! Merci donc au participants quasi-infatigables de l'activité frisbee avec une dédicace pour François son précurseur. Merci aussi à ceux qui ont instauré les parcelles de jardin car biner les tomates et planter les salades en fin d'après midi après avoir débuguer un fortran, ça fait du bien ! Merci également à tous les apprentis apiculteurs dont j'ai fait partie et notamment à Vazken qui a fait des pieds et des mains pour installer les ruches sur le centre. Merci aussi à Evelyne et Laura de la billetterie ASSCR, leurs places de spectacles m'ont permis de découvrir d'innombrables lieux culturels parisiens. 6 Remerciements Une dédicace aux membres encore actifs (ils se reconnaîtront !) du Club International d'Hydrologie Sociale, ainsi qu'au bar-restaurant chez Mamane pour son couscous excellent et son accueil extrêmement chaleureux tout au long de mes trois années et quelque de thèse. Bon, il y a Paris, il y a la thèse, mais on garde toujours ses origines… Je voulais faire donc un petit coucou à la famille, aux "coupines" et "coupins" souvent très loin de la "grande ville". Ils n'ont pas pu faire grand-chose pour moi pour la thèse proprement dite mais ils ont été là au bon moment. Je voudrais particulièrement les remercier d'avoir fait le déplacement jusqu'a la capitale pour la soutenance et de s'être occupé de l'organisation de l'énoooorme pot de thèse : Emilie, Sophie(s), Céline, Cécile, Laurent, mon frère (digne représentant de Florence, d'Adèle et du dernier à naître), Christian, les tontons, les cousins, Pierre et Blanche, la famille Stolzenberg et mes infatigables mère et grand-mère. Sans oublier évidemment Geoffroy que je remercie du "fond du cœur" pour avoir mis sa "griffe" dans le graphisme du PPT. Le chapitre thèse est terminé, comme dirait Vazken, la suite est écrite, mais je n'ai pas encore trouvé où ! Bonne lecture 7 Résumé Résumé La variabilité spatiale des précipitations est souvent considérée comme une importante source d'erreurs en modélisation hydrologique. Est-ce une idée reçue ? La lecture des nombreuses études publiées sur la question n'apporte en tout cas aujourd'hui pas de conclusions claires. L'objectif de cette thèse est d'analyser l'impact de la variabilité spatiale des pluies sur les performances des modèles hydrologiques. Dans ce travail, nous avons cherché à dépasser les limites des études existantes (faible nombre de cas) et à parvenir à des conclusions aussi générales que possible en utilisant environ 200 bassins français, plusieurs modèles hydrologiques et deux pas de temps (horaire et journalier). L'essentiel du travail s'est concentré sur des modèles hydrologiques globaux qui ont été modifiés pour prendre en compte la variabilité spatiale des pluies. Nous avons cherché à quantifier les gains de performance rendus possibles par une prise en compte de cette variabilité. Dans ce travail, la variabilité des pluies a été évaluée sur la base du réseau de postes pluviométriques au sol. Deux approches ont été explorées : o La première consiste à introduire dans la structure du modèle global un indice de variabilité de précipitations, permettant de moduler le fonctionnement du modèle en fonction de l'hétérogénéité plus ou moins forte de la pluie sur le bassin. o La seconde consiste à appliquer une approche multi-modèle : plusieurs modèles fonctionnant en parallèle sont alimentés par des pluies différentes issues des postes présents sur le bassin, leurs simulations étant combinées suivant différentes stratégies d'agrégation. Les résultats des nombreux tests réalisés indiquent que les gains de performances qui peuvent être attendus par introduction d'information sur la variabilité des pluies sont, en moyenne sur notre échantillon de bassins versants, très limités. Sur certains bassins, des gains significatifs ont pu être obtenus, sans qu'il soit cependant possible d'identifier de déterminants physiques ou climatiques communs aux bassins versants concernés. Une analyse complémentaire sur la sensibilité d'un modèle distribué à la spatialisation des pluies indique également l'influence limitée de la variabilité de la pluie sur les performances du modèle, en moyenne sur l'échantillon de bassins. Mots-clés : Hydrologie, Modélisation pluie-débit, Précipitations, Variabilité spatiale 9