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Vers une modélisation hydrologique adaptée à la

1. mini a 7 a 20 1000 E pluie 30 abo e d bit observ 2 TOPMODEL r 40 MARINE leo E o 5 600 2 T 60 a 400 70 e 80 200 90 0 100 10 3 1995 19 12 10 4 1995 2 24 10 4 1995 9 36 10 4 1995 16 48 10 5 1995 0 00 10 5 1995 7 12 temps Fig 148 Comparaison de MARINE amp TOPMODEL simulation de la crue des 3 5 10 95 a Corb s MARINE TOPMODEL Biais relatif 009 033 7 Efficience Nash Coefficient de Corr lation R Tab 38 Valeurs des crit res pour les simulations MARINE simule relativement correctement cette crue Les deux pics sont relativement bien reproduits en temps et en volume alors que TOPMODEL ne voit pas le premier pic et avance et surestime le second Remarquons ce niveau que m me un calage de TOPMODEL forc sur cet v nement ne conduit pas forc ment des r sultats plus pertinents Corbes 03 10 1995 TOPMODEL 1200 e DEBITS OBSERVES 1000 TOPMODEL calage1 TOPMODEL calage2 800 TOPMODEL calage3 n Le E a 600 a e T 400 e e 200 FT X ALES eooo 0 eeceess pe S a p r E S ING a eo er A2 er py p S Ro 9 S Ro N D D NN NN N N D S S ye N S V V N N temps Fig 149 Essais de calage de TOPMODEL sur la crue des 3 5 10 95 Corb s partir de chacune des 3 crues tudi es 210 TOPMODEL 1 TOPMODEL 2 TOPMODEL 3 Efficie
2. efre pme cossol l Ognon cesse J Argent doubl gt Sae mor l Fresquel AN pK Sa _ fOrbieu S TOrbieu A a Berre Le Rieu a Berre sy erdouble le Verdouble l Agly l Agly Fig 19 MNT de l Aude cours d eau et d limitation du bassin versant Deux types de MNT ont t utilis s dans le cadre de cette tude _ 46 Le modele num rique de terrain provenant de la base de donn e altim trique fournie par IGN BD ALTI Il couvre tout le d partement de l Aude et est l ingr dient essentiel pour d terminer le temps de propagation de toutes les masses d eau transitant dans le bassin Un mod le num rique plus pr cis centr sur une zone plus petite du bassin versant zone test de Cuxac A l origine ce MNT plus pr cis devait tre d riv d un couple d images IKONOS tr s haute r solution spatiale 1m Malheureusement il n a pas t possible dans les temps impartis pour cette tude d obtenir un tel couple d o le recours un MNT existant extrait de BD TOPO Le tableau suivant pr sente les donn es utilisables couverte OT D partement Fichier raster SPOT ERS de l Aude maille de 50 m plaine D B Zone Fichier vecteur 1 IKONOS TOPO Sall les courbes de photogramm t niveau rie Tab 4 Mod les num riques de terrain utilis s Care xe ai Dark EU Wie 2 ee gt AiR wri SA R Te fre eee diss
3. Le passage aux quations d ondes diffusantes se fait en consid rant que les forces de frottement de gravit et de pression gouvernent l coulement alors que les termes inertiels d acc l rations locale et convective sont n glig s Ceci est le cas de beaucoup de rivi res naturelles faibles vitesses d coulement lt 7 5m s Tregarot 2000 et pentes douces sup rieures toutefois 0 01 ASCE 1996 En ins rant l expression du module de la vitesse dans l quation de continuit on obtient alors l expression g n rale de l quation des ondes diffusantes Le passage l onde cin matique suppose que les termes de pression des quations soient n gligeables la pente de la ligne d nergie est gale a la pente du sol localement il n y a donc pas d att nuation de l hydrogramme de crue Ceci est vrai pour la plupart des coulements de surface quand il n y a pas d effet retour condition aval La hauteur de la lame d eau devient alors gale a celle du r gime uniforme Ainsi en consid rant que les coefficients de frottement sont uniformes suivant x et y et que le probleme peut se ramener a un coulement monodimensionnel suivant la ligne de plus grande pente le mod le se r duit deux quations principales L quation de continuit en r gime non permanent s exprime localement par oh A uh 28 Ot ox avec u la vitesse de ruissellement h la hauteur de lame d eau Pa l intensit
4. N N N N Re y w 9 K S aD aD date S Fig 125 Superposition des hydrogrammes de crue obtenus apes d gradation de la r solution du MNT Ce test a t r alis sur un petit bassin gardois avec une vitesse de ruissellement d finie par la r solution eul rienne de l quation de continuit et l approximation de l onde cin matique et pour une infiltration nulle Cela ne signifie pas qu un MNT 1000m peut tre utilis directement dans MARINE de fa on satisfaisante mais qu partir d un MNT 50m on peut sous certaines conditions g n rer des MNT de maille plus l che et les utiliser dans le code et g n r des hydrogrammes de crue l exutoire du bassin versant Cette approche nous permet de gagner du temps de calcul dans le module de r solution temps r el de MARINE Nous ne l utilisons toutefois que pour les exutoires des bassins versants superficie de quelques centaines de kilom tres carr s et non pas pour des pr visions interm diaires o la pr cision des donn es influence d avantage les r sultats IV 2 3 2 Influence de la pr cision des MNT Afin d envisager la capacit MARINE de travailler partir d un MNT spatial nous avons utilis dans cette partie un MNT SPOT4 et nous avons analys la sensibilit des r sultats hydrologiques obtenus par comparaison avec ceux issus d un MNT plus classique en France IGN Cette tude est sp cifique et ne constitue en
5. la description temporelle de l volution des d bits qu la reproductibilit d une crue clair Cependant il a t mis en vidence qu ISBA fournissait des informations pertinentes sur le d marrage de la crue utilisable par un mod le hydrologique sp cifique Le couplage entre ISBA et MARINE pourrait donc constituer une autre perspective de ce travail de th se V 2 1 3 MARINE coupl BIGFLOW Enfin le fonctionnement profond et habituel du bassin versant pourrait tre simul par le biais d un mod le a base physique distribu e 2D et 3D de l infiltration dans les sols avec couplages sol nappe et couplages surface souterrain l aide du code BIGFLOW par exemple Cette base de fonctionnement pourrait ensuite tre coupl MARINE de fa on a gagner en pr cision lors de la simulation d un v nement exceptionnel Le code de calcul BIGFLOW 2000 modules 2D et 3D document dans la th se de Tregarot 2000 a t con u dans le cadre du programme HYDROBAG du GIS ECOBAG ann es 1996 98 afin de coupler les coulements souterrains dans les sols avec les coulements satur s de nappes d une part et avec les coulements de surface d autre part Ce mod le coupl g n ralise l ancienne version BIGFLOW 1 1 Ababou amp Bagtzolglou 1993 qui tait valid dans le cadre d tudes de l agence f d rale US NRC sur la mod lisation d coulements non satur s et de transports de radionucl ide
6. Fig 28 Photo de l tat des routes apr s la crue Narbonne nord est pr s de la rocade et Photo de la voie ferr e Sall les d Aude extraite de la presse locale La DDE11 a mis notre disposition des hydrogrammes de crue en diff rentes stations du bassin tudi L hydrogramme Moussoulens exutoire choisi est pr sent ci dessous 7 Num ro sp cial l apocalypse Midi Libre et L Ind pendant 20 11 99 _ 52 d bit m3 s 3000 Q t a Moussoulens 2500 2000 1500 1000 500 0 13 11 99 13 11 99 14 11 99 14 11 99 15 11 99 15 11 99 16 11 99 16 11 99 0 00 12 00 0 00 12 00 0 00 12 00 0 00 12 00 Fig 29 Hydrogramme de crue observ a Moussoulens Nous constatons sur les courbes que le d bit ainsi estim est sup rieur a 2 500 m s contre un module annuel de 43 m s Le coefficient de Strickler a t fix 30 sur la partie aval de la rivi re La courbe de tarage permettant de traduire les hauteurs d eau mesur es en d bit est extrapol e Elle laisse appara tre l influence d une vaste plaine d inondation basses plaines de Aude situ es au niveau de la mer d bit m3 s 00 Q H Moussoulens 2000 ri A 1500 7 Fa we 1000 ll so g 500 a ua 0 t k af T T T T T T T 0 1 2 3 4 5 7 8 hauteur d eau m Fig 30 Courbe de tarage de l Aude Moussoulens De plus la pr sence d emb cles dans les cour
7. la pr vision op rationnelle des crues clair Dans cette optique ce mod le a t implant dans un Service d Annonce des Crues fran ais en tant que prototype pr op rationnel et devrait tre implant d 1ci la fin de l ann e au SCHAPI Service Central d Hydrom t orologie et d Appui a la Pr vision des Inondations implant a Toulouse et rattach la Direction de l eau du minist re de l Ecologie et du D veloppement Durable qui a pour principales missions d appuyer les Services de Pr vision des Crues au niveau national ainsi que d assurer une veille hydrom t orologique 24 heures sur 24 localis e sur les bassins rapides Gardons toutefois l esprit que ce mod le a une vocation particuli re et ne peut ce jour que difficilement s adapter des conditions de gen se diff rentes 223 V 2 Perspectives d am lioration V 2 1 Vers une mod lisation en continu de MARINE MARINE a pour vocation de simuler le fonctionnement du bassin versant lors d une crue clair En dehors de ce fonctionnement particulier le bassin versant peut adopter un comportement non dict par le ruissellement superficiel mais par d autres processus physiques coulement sub superficiel par exemple Cet autre mode de fonctionnement plus habituel peut tre d crit par des modeles hydrologiques num riques d ja existants Ainsi la mod lisation en continu de la r ponse hydrologique du bassin versant peut
8. sandy clay loam 4e clay loam D bit m3 s 300 200 100 Temps h Fig 109 Sensibilit la nature du sol mod le de Green amp Ampt Influence de l humidit initiale pour un sol donn 173 Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur de l humidit initiale dans Green amp Ampt 800 700 600 LIN sol1 hum 0 389 soll hum 0 3 soll hum 0 2 500 l soll hum 0 1 soll hum 0 0 sol2 hum 0 400 sol2 hum sat D bit m3 s 300 200 100 Temps h Fig 110 Sensibilit la valeur de l humidit initiale mod le de Green amp Ampt Influence de la valeur de la conductivit hydraulique effective pour un sol donn Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur de la conductivit hydraulique effective dans Green amp Ampt 800 700 Ks 0 003 ga Ks 0 0598 soo Ks 0 0003 Ks 0 0015 D bit m3 s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temps h Fig 111 Sensibilit la valeur de la conductivit hydraulique mod le de Green amp Ampt Influence de la valeur de la force du front de succion pour un sol donn 174 Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur de la succion dans Green amp Ampt 800 700 600 Sf 0 2185 m 500 Sf 0 0442
9. tablies dans un premier temps pour les coulements unidimensionnels On suppose alors que l coulement se fait dans une direction privil gi e x et que ses caract ristiques peuvent tre correctement approch es par leurs valeurs moyennes dans une section droite orthogonale a x Le fluide est incompressible et la densit constante pour l coulement Les variables sont le d bit Q et la section mouill e S ou la vitesse U vitesse moyenne d bitante v rifiant Q US le tirant d eau H ou la c te de la surface libre z Toutes ces variables d pendent uniquement de l espace et du temps e Equation de continuit S 2 _ 60 Ot Ox e Equation de conservation de quantit de mouvement aQ 0 Q S 61 ot Ox avec S la section mouill e aire de la section transversale occup e par le fluide Q le d bit volumique U S o U est la vitesse moyenne dans la section q d bit des apports lat raux H la hauteur d eau I la pente du fond J la perte de charge pente de la ligne jugs ES Naika Ox S 17 Suzanne C 1997 Introduction du cours d hydraulique ENSEEIHT INPT 149 d nergie k un coefficient traduisant le sens des apports lat raux compris entre O et 1 x direction principale de l coulement et t le temps e Condition limite amont et aval e Condition initiale Ainsi la premi re quation traduit l quation de continuit Les apports lat raux qui apparaissent repr s
10. 100 000 10 13 19 10 13 19 10 13 19 10 13 19 10 14 19 10 14 19 10 14 19 10 14 19 10 14 19 10 15 19 95 4 48 959 36 95 14 24 95 19 12 95 qe 95 4 48 959 36 95 14 24 95 19 12 95 0 00 emps Fig 46 Ajustement manuel du calage Ainsi en appliquant les valeurs des param tres cal s sur une autre crue et en modifiant la valeur de LnTo de 4 65 1 60 pour le calage4mod et de 4 25 1 25 pour le calage2mod on obtient les hydrogrammes gris clair et gris fonc pr sent s ci dessus Les r sultats sont alors tr s satisfaisants Bilan sur l utilisation de TOPMODEL sur des bassins gardois Ainsi TOPMODEL a pu tre tr s convenablement cal sur un des trois v nements test s apparus sur un bassin versant gardois Cet v nement correspond d ailleurs celui qui pr sente les plus faibles intensit s et les plus faibles cumuls de pluie TA Ev nements Intensit pluvieuse Pr cipitations cumul es maximale Saint Hippolyte le 3 10 62 mm h 227 mm Saint Hippolyte le 13 10 34 mm h 130 mm Corb s le 3 10 41 mm h 231 mm Tab 11 Pluies du Gard 1995 Il est probable que dans le cas de petites pluies les processus mis en jeu sur le bassin correspondent davantage a des processus souterrains proches du concept des zones contributives satur es Ce qui expliquerait les meilleures performances de TOPMODEL Toutefois il est bien illusoire de pr tendre tirer de telles conclusions partir de r sultats num riques Seules de
11. 200 D bit m3 s a jo 100 50 Comparaison module de ruissellement euler lagrange Bassin du Thor sensibilit au traitement du MNT euler IGN 25m bief10 lagrange IGN25 bief10 5 10 15 20 25 Temps h Fig 105 Comparaison des m thodes eul rienne et lagrangienne tr s en amont du bassin du Thor illustration de l chelle minimale d applicabilit de nos mod les En amont du bassin ces deux m thodes ne fournissent pas des hydrogrammes de crue du m me type Ceci peut s expliquer de diff rentes mani res Soit l une ou les deux m thodes de r solution sont fausses ce qui est exclu puisque les r sultats pr sent s ci dessus sont un cas particulier et donc plus vraisemblablement dus la localisation particuli re de l exutoire choisi Soit les diff rences des pr traitements entre les deux m thodes eul rienne et langrangienne peuvent influencer les hydrogrammes de crues a petite chelle Ceci pourrait provenir du seuil maximum sur les vitesses de ruissellement impos dans le pr traitement eul rien Pour le sous bassin consid r ici les pentes sont tr s importantes et les d fauts du MNT bien pr sents cr tage des pics artificiels par la m thode du seuil serait trop contraignante cf travaux de these William Castaings Soit les chelles de recueil des r sultats deviennent trop fines et donc les m thodes mises en uvre ne sont pas
12. 300 350 ae ME pluie a e D bit observ 50 E 5 7 e 2 2 200 TOPMODEL cal gt 5 E 6o gt 150 70 i 100 NS 80 50 90 0 100 10 3 1995 10 3 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 19 12 21 36 0 00 2 24 temps 4 48 7 12 9 36 12 00 Fig 145 Calage de TOPMODEL 3 5 10 95 Saint Hippolyte Le biais relatif est de 0 01 l efficience Nash de 0 30 et le coefficient de corr lation R de 0 47 Le premier pic de crue n est pas reproduit 207 Ainsi sur cet v nement particulier MARINE fournit de meilleures simulations Nous avons ensuite utilis les param tres ainsi cal s pour simuler une autre crue survenue sur le m me bassin versant la crue des 13 15 10 95 Saint Hippolyte Nous avons alors obtenu les r sultats suivants Hydrogrammes de crue Saint Hippolyte du Fort le 13 10 1995 obtenus avec MARINE amp TOPMODEL cal s sur une autre crue RER an Thon 180 0 10 000 160 0 20 000 140 0 30 000 120 0 E pluie 40 000 2 e d bit observ E 100 0 TOPMODEL 50 000 A e 80 0 MARINE 60 000 60 0 70 000 40 0 80 000 20 0 90 000 0 0 100 000 10 13 1995 10 13 1995 10 13 1995 10 13 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 15 1995 4 48 9 36 14 24 19 12 0 00 4 48 9 36
13. A U 2 08 P At Ip t Ira 11 2 On peut observer que l unique valeur n cessaire au calage est Tias qui est propos g dans le manuel Tag 0 6 T 12 T Lo La sensibilit des r sultats ce param tre est repr sent e sur la figure c1 dessous Tspattow T cnannel iadi SCS UH Observations T lag T lag 10 gt T lag 10 Tlag Hec Hms Q m3 s Fig 65 R sultats obtenus avec SCS UH 9 On constate que le temps de concentration estim a partir de cette m thode est trop petit Nous avons donc utilis la valeur de T calcul e comme pr c demment La valeur optimale de Tiag trouv e pour chaque sous bassin est de 60 de T 144 Tab 16 Parametres du SCS UH Nous pouvons remarquer que les r sultats obtenus sont tr s sensibles la valeur de Tiag estim e Sch ma de conceptualisation du bassin simple ou complexe Enfin nous avons r alis une comparaison entre les diff rents mod les physiques simple et complexe Pour ce faire nous avons conserv les m thodes infiltration qui avaient fourni les meilleurs r sultats sur le sch ma simple puis nous les avons adapt au mod le complexe Les trois m thodes de ruissellement ont t test es 700 600 Observations 500 Simple 400 Q m3 s Complexe T T Q Oo oO co Temps 3 5 7 i 94
14. Aude 1000 km et la crue d int r t celle de novembre 1999 pr sent e dans le chapitre II La zone inond e pr sentant une tendue surfacique consid rable au dela de la confluence entre l Aude et l Orbieu la mise en uvre d un mod le de propagation de crue 1D sur cette zone serait donc approximative et I introduction d un mod le de propagation du type Saint Venant en 2D TELEMAC 2D a t envisag e dans le module hydraulique de MARINE Ainsi la partie amont du bassin est trait par le module hydrologique de MARINE approche suivant les isochrones variables stationnaires et infiltration a coefficient de ruissellement constant tandis que le module hydraulique 2D de MARINE est mis en ceuvre sur le lit majeur des cours d eau principaux Aude apr s Carcassonne et Orbieu apr s Lagrasse selon un d coupage simplifi issu d une analyse du relief Au vu des donn es disponibles la validation de la simulation ne peut tre effectu e qu l exutoire du bassin a travers l hydrogramme de crue observ a Moussoulens N anmoins le caract re distribu du mod le voudrait que des validations interm diaires plus en amont dans le bassin soient effectu es Nous nous sommes donc content ce niveau de r aliser quelques v rifications interm diaires issues de r sultats secondaires fournies par le module amont hydrologique de MARINE Le syst me TELEMAC est un ensemble de logiciels aux l ments
15. E E an 200 0 ooa a a Mi k a as a a py 0 0 nanma mmmmt na AE O S D S D oS o lt a Vv s N7 O xD N N Ny Y N gt a N N N N N N wN N rN N rN N wr Fig 48 Tentatives de calage direct de TOPMODEL partir des param tres optimis s sur les petites crues Pere Ce type de calage ne convient pas les amplitudes tant largement sur valu es Ceci peut en entre autre chose provenir d une mauvaise condition d humidit initiale des sols Comme pr c demment nous allons jouer sur les parametres M ou To afin de modifier cet tat Cette fois ci aucune solution n a t trouv e pour l ajustement du param tre To alors que le parametre M nous a permis de nous rapprocher des r sultats Cependant la valeur optimis e de M n a pu tre fix e que par tatonnement Crue de novembre 99 Lagrasse TOPMODEL 600 0 500 0 m observations 400 0 simulation 300 0 d bit m3 s a 200 0 H A S Fig 49 Tentative de calage direct de TOPMODEL partir des param tres optimis s sur les petites crues mais en ajustant le param tre M La courbe pr sent e a t obtenue pour la nouvelle valeur de M de 0 028 Les autres param tres conservant les m mes valeurs La nouvelle efficience est de 0 70 L allure de l hydrogramme ainsi obtenu semble moyenn e liss e Le d bit de pointe n est pas reproduit et sa date d arriv e est simul e avec
16. Le regroupement en classes que nous avons effectu est le suivant certaines valeurs peuvent para tre faibles toutefois tant donn que pour l ensemble des bassins tudi s situ s dans une m me r gion nous avons utilis le m me type de classification nous conservons ces classes par soucis d homog n it Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5 Classe 6 1 Bois 2 3 4 Prairie 5 Sol nu 6 Eau Branchages Branchages denses pars Bois Garrigue sol Cultures Cultures Sites r sineux rocailleux p rennes annuelles urbains pins sol accompagnant vignes sol mara ch res Sols nus rocailleux souvent les sec et fruiti res Bois de pins ou les Prairie et feuillus ch nes verts pelouse de ch nes montagne ch taigniers h tres Tab 3 Classes de rugosit diff rente Les pourcentages en surface de repr sentation de chacune des classes sur le bassin tudi pr cis en derni re ligne met en vidence la pr sence majoritaire de bois v g tation haute situ e sur des sols pentus recouverts de garrigue qui ralentit l coulement suivies par des cultures et prairies terrains plats sans autre v g tation sur un sol travaill et humide puis par les vignes terrains peu pentus sans autre v g tation sur un sol sillonn et tass Fig 11 Visualisation de l occupation du sol autour du bassin de l Orbieu en amont de Lagrasse _ 40 La diff rence de v g tation est en g n
17. Longueur m Fig 114 Bruit sur le fond du lit mineur vue longitudinale Q 500 m3 s 900 400 300 A N i V 200 L coulement passe en lit majeur pour un bruit plus fort 100 Ecoulement contenu en lit mineur pour un bruit faible iGo 0 A 500 1000 1500 2000 2500 3000 3900 4000 200 Immersion en lit majeur m O 300 7 A 400 500 Longueur m Fig 115 Vue en plan de la plaine d inondation bruit de 25cm pas d effet bruit de 50cm effet marqu 177 Variation de la largeur du lit mineur moyenne 64m cart type 5m 50 00 40 00 30 00 20 00 10 00 0 00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Largeur m 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 Longueur m Fig 116 Bruit sur la largeur du lit mineur vue en plan Q 500 m3 s 400 300 200 E 5 100 L coulement passe n lit majeur pour un bruit de 5m sur la 2 largeur du lit mineur E 0 Ecoulement contenu en lit mineur pour une largeur constante de 64 m a 500 1500 2000 2500 3000 3500 00 9 100 200 300 400 Longueur m Fig 117 Bruit de 2m pas d effet bruit de 5m effet marqu 178 Water elevation for a 800 m3 s flow 6 62845 6 155060 5 681670 5 208280 734830 4 261500 3 788110 3 314720 2 341340 2 367950 1 094500 1 421170 0
18. ayant absorb toutes les diff rences que l on pouvaient observer une chelle plus fine filtre passe bas IV 2 3 3 Conclusion de cette tude Les MNT SPOT et IGN diff rentes r solutions du bassin du Thor ont t utilis s pour faire des simulations hydrologiques via le code MARINE Le lit de la rivi re principale du bassin a t d crit par des donn es fournies par un g om tre et sont venues remplacer celles que pouvaient fournir les MNT Le module de ruissellement de MARINE utilise donc seulement les MNT alors que le module hydraulique de MARINE utilise seulement les donn es du g om tre Le but de cette tude tant d valuer impact de la r solution spatiale du MNT sur la mise en oeuvre de MARINE et d valuer l impact des diff rentes pr cisions verticales des MNT SPOT et IGN sur le ruissellement sur les versants En ce qui concerne la r solution du MNT les tests de sensibilit men s ici ont montr qu il pouvait tre n cessaire de resserrer le crit re que nous avions fix comme inf rieur a 199 100m dans le chapitre II En effet pour certains bassins il est arriv que cette r solution se soit av r e ne pas tre suffisamment fine Nous recommanderons donc plut t une chelle du support du MNT 50m Ensuite En ce qui concerne la pr cision verticale du MNT une premi re comparaison topographique des deux MNT par un SIG a mis en avant de nombreuses diff rentes sur les couches
19. tre assur e par un premier mod le caract ristique d un fonctionnement normal Ce mod le fournirait les conditions initiales n cessaires au lancement d un mod le v nementiel repr sentatif d un fonctionnement particulier crues crues clair tiages Une fois cet pisode termin le premier mod le pourrait repartir en se recalant ventuellement partir des r sultats de la mod lisation v nementielle V 2 1 1 MARINE coupl TOPMODEL TOPMODEL a fourni des r sultats int ressants sur la mod lisation de petites crues sur le bassin versant de l Orbieu en amont de Lagrasse Un fonctionnement en continu de ce mod le sur ce bassin pourrait tre r alis Lors de l annonce de pr cipitations importantes les variables hydrologiques de TOPMODEL pourraient tre utilis es pour initialiser MARINE L initialisation de MARINE passe par une estimation de l humidit initiale du sol La premi re variable de TOPMODEL susceptible de fournir cette information est l indice topographique toutefois Zribi et al 2003 a compar l indice topographique calcul par TOPMODEL un indicateur de l humidit des sols par t l d tection backscattering coefficient sur un petit bassin versant Leurs r sultats montrent qu il n appara t pas de corr lation flagrante entre le coefficient repr sentatif de l tat d humidit du bassin et l indice topographique Toutefois la variabilit de ce coefficient es
20. 3 5 7 9 23 25 27 29 N Or OLONO mm M LU RO OO 0o Qo SO OT ST 10 LD LD wo Fig 66 Comparaison des sch mas simple et complexe avec un ruissellement r pondant l onde cin matique 92 700 Comparaison Snyder UH 600 e Observations 500 s Simple 400 Q m3 s s Complexe 300 200 0 ER RG S A S S S SE S S S S S S S S S S SA S S S S SO A S S E S S SS S S S S S A E OM O mne Or OO KOT MO WOR DW rH MDOwWorR Or ODODO MOM HO RnR DO ye yo ae sa NNNNNYD DODO YD YO TF Fry DO O WO WO O Temps Fig 67 Comparaison des sch mas simple et complexe avec un ruissellement r pondant a PHU de Snyder 700 Comparaison SCS UH 600 e Observations Simple Q m3 s Complexe Fig 68 Comparaison des sch mas simple et complexe avec un ruissellement r pondant PHU de SCS Notons tout d abord que le volume des hydrogrammes l exutoire est l g rement diff rent a cause de la r partition spatiale des pluies par sous bassins Mais cette constatation est sans cons quence sur le but de ces simulations Pour chacun des tests r alis s la mod lisation complexe n apporte rien de plus que la mod lisation simple La diff rence constat e entre les deux hydrogrammes est insignifiante en comparaison avec les incertitudes que l on a sur l hydrogramme observ 03 Bilan de
21. Evaluation of some flash flood forecast models TOPMODEL amp MARINE River basin management 2003 Ed Brebbia C A WIT press Las Palmas Gran Canaria 45 54 Estupina Borrell V Dartus D amp Alquier M 2003 Precision and pertinence linked to flash flood risk forecast River basin management 2003 Ed Brebbia C A WIT press Las Palmas Gran Canaria a paraitre Fairfield J amp Leymarie P 1991 Drainage networks from grid digital elevation models Water Resources Research 27 5 709 771 Fortin J P Moussa R Bocquillon C amp Villeneuve J P 1995 HYDROTEL un mod le hydrologqiue pouvant b n ficier des donn es fournies par la t l d tection et les syst mes d information g ographique Revue des sciences de l eau 8 1 31p Franchini M Wendling J Obled C amp Todini E 1996 Physical interpretation and sensitivity analysis of the TOPMODEL Journal of Hydrology 175 1 4 293 338 Freeze R 1972 Role of subsurface flow in generating surface runoff 1 base flow contributions to channel flow Water Ressources Research 8 3 609 623 Gar on R 1999 Mod le global pluie d bit pour la pr vision et la pr d termination des crues Crues de la normale l extr me SHF Lyon 115 126 Gascuel Odoux C Merot P amp Durand P 1999 Gen se des crues normales dans les petits bassins versants ruraux crues de la normale l extr me SHF Lyon france 25 34 Gaume E 2002 El ments d analyse sur
22. Il peut donc tre utile de calculer le temps de concentration du bassin Celui ci peut alors tre exprim de diff rentes fa ons Singh 1988 propose une revue bibliographique tr s complete des diff rentes expressions possibles du temps de concentration parmi celles ci nous trouvons les formules d ductives ou empiriques Elles peuvent tre appliqu es soit pour valuer un temps propre au ruissellement superficiel sur les versants soit un temps de transfert dans les cours d eau Elles peuvent supposer une vitesse de ruissellement constante et uniforme en tout point du bassin implant e dans HECHMS ou bien prendre en compte jusqu l occupation du sol du bassin 135 Diff rents travaux ont r alis une valuation des potentialit s de 11 de ces diff rentes formules sur 48 sous bassins urbains aux USA Ils mettent ainsi en vidence la grande disparit des r sultats obtenus temps de concentration moyen de 1 49 h pour un temps minimum de 0 2 h et un temps maximum de 6 2 h Les formules fournissant les r sultats les plus satisfaisants sont celles de Wooding 1965 et du SCS 1986 Lorsqu il existe des similarit s entre bassins ils recommandent de caler une formule sur un bassin donn puis de la transposer Il est aussi possible d valuer le temps de concentration par la dur e qui s pare le centre de masse de la pluie effective ou la fin de la pluie suivant les d finitions du point d inflexion de la cour
23. La simplicit apparente de la m thode se r duisant a un simple produit de convolution une fois les donn es utiles g n r es est attrayante et finalement l image de la r ponse hydrologique a ces chelles En effet Sivapalan 2003 remarque que si l on observe la r ponse hydrologique d un versant celle ci est extr mement riche en complexit et h t rog n it caract ristiques des 141 processus petites chelles si on se place l chelle du bassin versant alors la r ponse hydrologique para t bien plus simple Il se pose alors la question du niveau d h t rog n it s et de complexit s locales consid rer dans la repr sentation du fonctionnement d un bassin versant En ce sens la m thode des isochrones est un mod le adapt la vision globale des bassins sous bassins Une version trop simplifi e de ce concept nous conduirait n gliger l influence de certains processus qui semblent pourtant importants dans le cas des crues clair distribution spatiale et temporelle de la pluie relief C est pourquoi nous y avons introduit la notion d isochrones variables et distribu es qui permet d int grer un nombre croissant d h t rog n it s et de complexit s locales De plus cette d marche ne n cessite pas la connaissance priori des fronti res du bassin versant ou des versants La proc dure mise en uvre est amen e les d terminer d elle m me On peut aussi
24. Liu amp Todini 2002 pour un autre mod le base physique De plus il arrive qu une r initialisation soit n cessaire de temps en temps afin d viter les d rives A ce type de simulation nous pr f rerons donc baser la phase de calage sur des chroniques de crues seulement afin de focaliser l objet de la simulation sur les crues Les initialisations interm diaires seront assur es par des observations fr quentes du d bit de base disponibles dans l utilisation finale que l on souhaite en faire Cette application nous am ne utiliser TOPMODEL dans un fonctionnement proche du fonctionnement continu en utilisant les d bits de base avant chaque crue pour recalibrer le code Test de portabilit du code vers une crue clair Afin d envisager l utilisation de TOPMODEL dans un contexte de pr vision de crues clair 11 faudrait pouvoir anticiper le calage de ces param tres Les observations d autres crues clair faisant d faut nous envisageons donc de travailler partir du calage r alis sur les petites crues connues ainsi qu partir de la signification de chacun de ces param tres L application des valeurs en l tat des param tres optimis s pour les petites crues la crue clair a conduit aux hydrogrammes suivants Crue de novembre 99 Lagrasse TOPMODEL 1200 0 1000 0 Q obser 800 0 Q t Laga m3 s Q Q t Lagb m3 s oD E 600 0 5 m 400 0
25. On retiendra que le taux d infiltration d un sol battant est g n ralement inf rieur 10 mm h et peut descendre jusqu a mm h Sur ces OPS le ruissellement pourra donc avoir lieu quelque soit la valeur de la conductivit hydraulique a saturation du sol Le ruissellement peut alors devenir un ph nom ne pr pond rant en quelques dizaines de minutes ph nom ne d autant plus rapide que le sol est initialement sec Ce ph nom ne appara t pr f rentiellement e sur des sols battants sol tr s travaill rapport limon sur argile sup rieur 2 5 e sur des sols tass s par les engins de labour e pour des v nements pluvieux d marrant de fa on tr s violente 506 Ce ph nom ne peut tre mis en parall le avec un ruissellement hortonien se produisant sur un sol ayant une capacit d absorption extr mement variable dans le temps et dans l espace Ces cro tes se forment lorsque des pluies soudaines et violentes apparaissent 30 40 mm h pendant une heure pour des exp riences en laboratoire en particulier pour des crues clair sur certains sols battants ou tass s Limitations de la production du ruissellement surfacique par les macropores L coulement sub surfacique peut tre conditionn par les macropores qui acc l rent la recharge de la nappe tout en favorisant le d clenchement de l effet piston par l accroissement des vitesses de percolation Leur formation est favoris e par les rongeurs
26. chelle moyenne pond r e dans ce cas de 55 m ne permettra pas d observer correctement la variabilit de la premi re donn e alors qu elle sera bien adapt e la seconde Un autre probl me se pose face cette d termination comment analyser la sensibilit du r sultats aux chelles de d finitions des donn es Soit l on dispose de bons nombres de donn es des chelles diff rentes alors on peut tracer l volution des donn es en fonction de leurs chelles de d finition puis calculer les sorties correspondantes et tracer l volution des sorties en fonction des chelles de d finition des entr es Seulement ces relations donn es chelles sont rarement disponibles Soit on lin arise le mod le en consid rant chaque variable comme la somme d une valeur moyenne et de sa perturbation autour de cette valeur On injecte cette expression dans les quations du mod le puis on consid re que les perturbations sont n gligeables Analysons cette d marche autour d un exemple Le mod le HEC1 est d fini par les quations suivantes _ 25 4 P 5 08 f CN F 25 4 P 20 3 f CN 5 28 AV d E ee SFI T g CN Sp 25 avec V le volume de a einen Pe la pluie nette qp le d bit de pointe Tp la dur e de la pluie nette la longueur hydraulique So la pente A Paire du bassin et CN un param tre Lin arisons qp en fonction de Pe ia 5284 25 4 P P 5 08 f CN PP OST T 2
27. de pluie nette soit l intensit de pluie brute moins le taux d infiltration L quation de la dynamique est r duite celle du r gime uniforme h hn localement 29 u a h avec u la vitesse de ruissellement h la hauteur de lame d eau a et m des coefficients Lorsque l coulement mod lis est repr sent par une nappe hypoth se les coefficients de cette quation sont d pendants de l tat de turbulence de l coulement Ainsi pour un coulement pleinement turbulent m vaut 5 3 et a vaut la racine carr e de la pente divis e par le coefficient de Manning Pour un coulement laminaire m vaut 3 et a est une fonction du nombre de Reynolds Lorsque ce ruissellement se fait suivant des rigoles on consid re qu il devient pleinement turbulent Le d bit est alors d pendant de la g om trie de la section d coulement Cette quation s exprime l aide de la formule de Manning pour un canal infiniment large 2 3 y fs 30 Ma avec u la vitesse de ruissellement h la hauteur normale de lame d eau Ma le coefficient de Manning So la pente que nous d finirons plus loin C est expression que nous retiendrons pour exprimer la vitesse du ruissellement surfacique en utilisant le coefficient de Manning 122 111 2 4 3 Validit de l expression de la vitesse de ruissellement superficiel bas e sur le concept de l OC Ce mod le a t utilis d s 1965 Wooding 1965 pour s
28. eau infiltr depuis le d but de l v nement est F t En premi re approximation on peut consid rer que Gy LOS eae 2 f t Dt min f t i t Dt 3 F t Dt F t f Dt Dt Nous v rifierons dans ce cas que les valeurs des param tres fo et fe ne soient pas trop grandes devant les intensit s de pluie Dans le cas contraire nous serons amen s a mettre en ceuvre une proc dure un peu plus complexe Pla ons nous au temps t et analysons le passage au temps t Dt Pour le temps t la valeur de la capacit d infiltration est fp et le volume d eau infiltr depuis le d but de l v nement est F t 4 FO fta e ane Calculons alors la capacit d infiltration au temps ft t Dt a GC Dt Jo Si 6 Avec F t f t e Le taux effectif d infiltration pour le temps t Dt est alors D f t Dt min f i t Dt Le volume d eau infiltr au temps t Dt est donc 8 F t Dt F t f t Dt Dt Nous avons alors besoin du nouveau temps teq not teqi pour l it ration suivante Si f t Dt f 1 alors t t Si f t Dt i t Dt alors le calcul de teq se fera avec une proc dure it rative Nous avons retenu la proc dure de Newton Raphson Initialisation Dt tan tay Es F 0 park deh M 9 o M est la v ritable d eau infiltr e cumul e dO F f f f f e A D o la nouvelle valuation de tp F 11 bas TE tag Oe Le critere de conve
29. f l i wa p ge Elevation m oe Oi a 8 t Fa ii ante str Ere Ae ets NT Re 07 ees LN ni con j pre 4 pov i ni 700 I SERIY N 600 is 500 hy 400 ae is 300 pos a cen ee 5 DA por 200 n F i ra EaR i oe ERA gt 100 Bis OY Re re S we 10 km Ek E x ae EO nu nes LE ei pay RG Are Fer Fig 20 MNT du bassin de Aude et de l Orbieu A partir du MNT a 100m le profil en long de l Aude a t extrait Alquier et al 2000 Son trac fait apparaitre en plus d irr gularit s ponctuelles des marches dont la r gularit p riodique tr s caract ristique sauts de m a 10 m selon le cas nous font penser que ces ruptures brutales sont probablement dues au traitement des donn es brutes a la base du MNT _ 47 Albi in E as aa lpi ils 30 ii Lissage J 10000 2000 ion 42000 Oot Ce LE Tistance en metres Fig 21 Profil en long du lit mineur de I Aude d apr s le M N T extraite de Alquier et al 2000 Afin que ces d fauts ne modifient trop fortement les conditions d coulements nous avons liss ce profil Occupation des sols geologie et nature des terrains L occupation du sol est interpr t e depuis une image la m me image LANDSAT TM du 20 11 99 et par la m me proc dure Le regroupement th matique est le m me La carte que nous avons obtenue est pr sent e ci dessous Fig 22 Occupation du sol partiell
30. mise en place entre quipes pour prendre en compte les r sultats des laboratoires de recherche tudes algorithmes traitements de donn es et les capacit s d innovation des industriels du spatial acquisition et traitement de donn es syst mes d aide la d cision Les travaux portent d une part sur la physique des ph nom nes hydrologie hydraulique coulements de surface et souterrains cartes d al as de vuln rabilit et de risques et d autre part sur l optimisation du traitement des donn es et des informations leur stockage transfert et usage acc l r pour d boucher sur la d finition et la mise en place de services sp cialis s associ s L tude est centr e sur un nombre r duit de bassins versants ayant connu la crise de novembre 1999 Le travail de l IMFT concerne plus sp cifiquement le bassin versant du Thor qui l poque n tait pas couvert par les radars m t orologiques Pour avoir une pluie M t o France a transf r des lames d eau ayant eu lieu au m me moment sur une zone voisine de celle du Thor IV 3 5 2 L approche propos e Le mod le MARINE peut tre utilis en phase de pr vision pour obtenir des r sultats en temps r el On peut alors synth tiser les contraintes d utilisation du mod le de la fa on suivante e l information fournie doit tre suffisamment fiable et pr cise pour tre pertinente dans le processus de prise de d cision 219
31. t fortement conditionn e par la disponibilit des mod les au moment de l tude 66 1 2 3 2 Application de TOPMODEL sur la crue clair de l Orbieu en amont de Lagrasse et d autres petits bassins versants gardois Dans un premier temps nous avons appliqu TOPMODEL sur de petits bassins versants du Sud de la France pr sentant des caract ristiques semblables en termes de climat pluviom trie relief g ologie v g tation et occupation des sols des cas de crues non extr mes mais n anmoins comparables par leur violence et leur rapidit Notre objectif a t d essayer d optimiser le calage du logiciel en vue de son application en mode pr visionnel Dans un second temps nous avons utilis TOPMODEL pour reproduire des petites crues sur un bassin versant audois Puis nous avons envisag dans quelle mesure il tait possible d utiliser ces simulations pour pr voir la crue clair de novembre 1999 sur ce m me bassin 11 2 3 2 1 Description de la mise en uvre g n rale de TOPMODEL La mise en uvre de TOPMODEL se fait de la fa on suivante e Tout d abord le logiciel DTM QUINN et al 1995 est utilis pour calculer les indices topographiques pour tout le bassin versant e Ensuite TOPMODEL est mis en ceuvre e Lecalage des param tres de TOPMODEL se fait avec le logiciel GLUE Les donn es n cessaires sont e Le MNT du bassin ou de la zone la frontiere du bassin versant et sa superficie pour
32. 1992 Ils sont donc syst matiquement limin s par une proc dure classique inspir e de Nelson amp Jones 1995 qui consiste a rechercher dans un voisinage grandissant une d riv e directionnelle descendante Lorsque celle ci est trouv e le chemin depuis le pixel consid r est forc en ligne droite vers le point bas Cette proc dure cesse si un tron on de rivi re appara t dans l analyse du voisinage A ce moment l le pixel est automatique drain vers cet exutoire Pour chaque point du MNT cette proc dure est mise en oeuvre Elle permet de d finir les chemins d eau depuis n importe quel point du bassin jusqu au premier point atteint situ sur la rivi re principale correspondant un exutoire du domaine de validit de l OC retenu Llamas 1993 propose d exprimer la vitesse de ruissellement surfacique de la fa on suivante 41 U 20 sin artg S avec So la valeur de la pente locale U la valeur de la vitesse de ruissellement locale 137 Le temps de transfert depuis un pixel donn jusqu a un exutoire se calcule en sommant toutes les dur es n cessaires au transfert d un pixel l autre En effet de fa on a n exclure aucune information sur la topographie du bassin il est important de ne pas sauter de pixel Nous fixerons donc la distance a parcourir pas du MNT en long en large ou en diagonale et d finirons un pas de temps variable entre deux points cons cutifs Le temps
33. Distance entre le centre de gravit du bassin et l exutoire Le pic de l hydrogramme est alors d fini par ve 2 75 Co P avec Up Valeur maximum du pic de UH A Aire totale de drainage Cp Coefficient du pic Tp Temps du pic La sensibilit des r sultats au param tre T est repr sent e sur la figure ci dessous 700 Influence du Tp Temps du pic Observations s HEC HMS correcte Tp 0 65 Tc Tp Hec Hms Tp 0 5 Tc Q m3 s Tp 0 75 Tc Fig 62 R sultats obtenus avec Snyder UH La valeur de ce param tre influence directement la date du pic de crue sa valeur et par suite la forme de l hydrogramme Cette influence est sensible et le calage propos par HEC HMS ne para t pas optimis Nous avons plut t utilis la formule d valuation du temps de concentration de Henderson amp Wooding 1964 puis estim T T 50 T 10 T T sI CL S Ma C avec I Intensit de la pluie L Longueur de parcours S Pente Ma Coefficient de Manning Les valeurs optimales sont obtenues pour une valeur de T correspondant 65 de celle de T T b 7 07 08 Tab 15 Param tres de Snyder UH 89 Le calage du second param tre Cp est enti rement arbitraire et n a pas de sens physique Onde Cinematique L coulement superficiel peut aussi tre d crit par l approximation de l onde cin matique Le versant e
34. Hydrogramme de crue Saint Hippolyte du Fort Vidourle le 13 10 1995 TOPMODEL cal sur ce m me v nement m i Pp T 180 10 J e 160 20 140 30 EM pluie 120 40 a e D bit observ 100 r sultats TOPMODEL L 50 ire 2 80 3 60 5 60 70 a 40 ma sag 80 20 90 Q creme 100 10 13 1995 10 13 1995 10 13 1995 10 13 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 7 12 12 00 16 48 21 36 2 24 7 12 12 00 16 48 21 36 temps Fig 43 Calibration de TOPMODEL sur cette m me crue L efficience Nash est de 0 91 Cette fois ci les r sultats sont tr s satisfaisants En particulier le d but de la courbe de mont e de crue est correctement simul ainsi que la valeur du pic et sa date d apparition Sensibilite des parametres Des tests de sensibilit des parametres de TOPMODEL ont ensuite t r alis s a partir des de la derni re crue simul e La figure ci dessous repr sente la variation de l efficience sur l hydrogramme de crue simul e pour chacune des plages de variations des param tres du logiciel 71 hve Function 0 774 11000 0575 0 375 FE 0 475 jog a 1000 5500 0 Tooo Fig 44 Sensibilit des r sultats par rapport chacun des param tres de TOPMODEL Il appara t ainsi que seul le param tre SRmax qui d finit la taille de la zone racinaire n influence en rien les r su
35. LA 1a Fig 55 Aires affect es chaque pluviographe selon la m thode de Thiessen sur les sch mas de bassin simple et complexe Le pas de temps des simulations a t fix au pas horaire qui correspond aux intervalles de temps entre deux donn es de pluies observ es Une fois ces deux tapes r alis es il est possible de tester les diff rents mod les hydrologiques mis notre disposition par le logiciel Adaptation d un mod le d infiltration Mod le de pertes initiales puis constantes Selon ce concept le taux maximum potentiel de pertes est constant durant tout l v nement fc De plus une perte initiale Ia est ajout e au mod le pour repr senter l interception et le stockage dans les d pressions Ce mod le r pond donc l quation suivante 0 si p lt I pe 5 p f si p gt lL et p gt f 3 0 si p gt l etp lt f avec pe taux d coulement superficiel p intensit de la pluie Sur la figure ci dessous est repr sent e la sensibilit du modele a ce parametre 84 700 Influence de I Infiltration 600 e Observations 309 K 6 5 mm hr K 4 5 mm hr 400 K 8 5 mm hr Q m3 s 300 200 100 TOO Fig 56 R sultats obtenus avec l infiltration initiale et constante La valeur cal e de fe est de 6 5 mm h Ia ayant t fix e 0 L hydrogramme est plus particuli rement sensib
36. La m thode utilis e est celle de l Hydrogramme Unitaire coupl e la Diff rence Premi re de la Fonction de Transfert d velopp e au LTHE Il n y a pas de spatialisation du ruissellement puisque cette m thode lisse la variabilit spatiale du ruissellement Bilan l chelle du bassin versant 97 Dans D Q gt Q 166 Ce bilan traduit l accumulation l chelle du bassin versant Le nouveau d ficit moyen est utilis pour calculer les nouveaux d ficits locaux Fonction de transfert TOPMODEL ayant fourni la fonction de production de la gen se de la crue il faut alors lui associer une fonction de transfert afin de transf rer tous les volumes d eau calcul s a l exutoire Afin de fixer les id es nous pr sentons ci dessous les fonctions de transfert coupl es TOPMODEL par Datin 1998 La r partition spatiale du d bit de base se fait de la fa on suivante On d finit des isochrones le long du cours A chaque isochrone correspond un temps de transfert Le d bit de base est fractionn au prorata du nombre d isochrones correspondant un m me temps de transfert L hydrogramme du d bit de base l exutoire peut ainsi tre reconstitu Le transfert du ruissellement g n r sur les zones contributives satur es est mod lis par un hydrogramme unitaire identifi par la Diff rence Premi re de la Fonction de Transfert Calages des param tres du mod le Le nombre de param tres varient su
37. Lagrasse nous renseignent sur les d bits mais il ne s agit que d une indication bien incertaine Nous avons mis en uvre MARINE pour simuler cette crue La m thode de ruissellement retenue est celle des isochrones variables coupl es l approximation de l onde cin matique Les trois m thodes de pertes par infiltration disponibles ont t test es et compar es infiltration coefficient de ruissellement constant concept de Horton mod le de Green amp Ampt Les r sultats obtenus sont pr sent s ci dessous Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur de l intensit de pluie dans le calage des isochrones 650 MARINE isoch var CR 0 5 550 x x observations MARINE isoch var Horton fc 1 5mm h MARINE isoch var G amp A 1 MARINE isoch var G amp A 2 450 oO O1 N O1 D bit m3 s 150 50 50 Temps h Fig 143 Hydrogrammes Lagrasse MARINE pour diff rents mod les d infiltration Crit re de Nash MARINE CR MARINE Horton 7 Estupina Borrell V Chorda J amp Dartus D 2003 Flash floods anticipation CRAS G ophysique soumis 203 MARINE GAI MARINE GA2 Tab 35 Valeurs des crit res pour les simulations Les valeurs du crit re de Nash calcul pour chacune des simulations sont pr sent es ci dessus Ces valeurs sont toutefois biais es par les erreurs suppos es sur les observations
38. aire Le calage des lignes isochrones comme le proposaient Maidment 1993 et Kull amp Feldman 1998 devrait tre r valu pour chaque nouvelle distribution de pluie Ces remarques constituent une limitation a l application de ce concept dans le cas des crues clair sur des petits bassins versants 140 Proposition d adaptation de ce concept a notre problematique par un bilan local Envisageons une proc dure de calage l g rement diff rente de fa on valuer la lame d eau ruisselante Dans ce cas on r alise un bilan l chelle d un pixel et du bassin versant l mentaire qui lui est associ comme nous l avions fait lors de l valuation du domaine de validit de l onde cin matique On obtient alors une estimation de la lame d eau locale 3 5 h pn S by Ma 49 Vs avec So la pente locale Ma le coefficient de Manning du point Ip l intensit de pluie nette au dessus du point Sy la superficie du sous bassin amont la largeur de la rigole h la hauteur d eau ruisselante quivalente sur la maille La pluie brute utilis e est celle qui est disponible en temps r el ou dans les BRAM le passage a la pluie nette est d taill un peu plus loin dans ce m me chapitre L introduction d une surface drain e amont permet d introduire de la dynamique dans l valuation des hauteurs des lames d eau par pixel puisque nous y introduisons une fonction repr sentativ
39. ce qui rend impossible leur fonctionnement op rationnel durant tout l v nement Cette derni re limitation nous conduit nous int resser d autres techniques d observations L imagerie radar en ce sens peut devenir un outil exploitable pour la pr vision des crues clair En effet bien que sa calibration reste d licate et n cessite la connaissance de mesures au sol le radar tend spatialement notre capacit d observation et rend compte de la _ 20 distribution spatiale de la pluie De plus il ne risque pas de subir les cons quences des intemp ries et il fournit des observations pour des intervalles de temps courts et constants quelques minutes Dans son tude Gaume 2002 constate que malgr leurs imperfections les mesures RADAR seules m me de donner un sens a l h t rog n it spatiale des coulements sur les bassins tudi s dont t moignent les laisses de crue et les d bits estim s correspondants se sont av r es essentielles On retient g n ralement que la pr vision d une crue au cours de la phase d annonce de crue doit pouvoir se faire 6 12h l avance pour les bassins auxquels nous nous int ressons Or Datin 1998 pr cise que la pluie observ e durant la derni re heure coul e au cours d un pisode pluvieux n influence sensiblement les d bits que pour une dur e gale a environ le temps de mont e de la r ponse du bassin Une anticipation des pluies pourra do
40. diterran en pluie annuelle moyenne de 650mm Il subit deux saisons humides par an une l automne et l autre au printemps caract ris es par un coulement dans le chenal principal permanent A l automne la nappe est pleine et affleure le sol ce qui provoque d importants coefficients de ruissellement Le ruissellement appara t rapidement sur les routes et les sentiers puis sur les sols cultiv s et rejoint dans les canaux les coulements souterrains qui font alors surface Des exp riences l aide de traceurs chimiques ont t r alis es Les r sultats montrent que pour de petits bassins versants m diterran ens cultiv s pour une pluie importante la composante principale du d bit dans le chenal aval est le ruissellement Les hydrogrammes du ruissellement seul et du d bit l exutoire ont la m me forme et la contribution moyenne du ruissellement sur la totalit de l v nement est comprise entre 12 et 82 suivant l importance de l v nement pluvieux En effet plus les pluies sont importantes plus les d bits sont forts et plus la composante due au ruissellement joue un r le pr pond rant Ce fonctionnement semblerait tre une caract ristique de ce type de bassins anthropis s Les coulements souterrains ne se feraient ressentir qu la fin de l coulement ils pourraient tre n glig s durant tout l v nement de forte pluie Albergel 2003 a aussi travaill sur ce bassin une p riode
41. e Le syst me expert Le param trage permet de caler les mod les utilis s pour la pr vision des crues La pr vision est assur e par une proc dure multi mod le Il s agit d une analyse en terme de performances r centes et pass es des r sultats fournis par plusieurs mod les Sophie utilise en entr es les donn es c tes d bits pluies et pluies radar et fournit en sortie des pr visions de c tes Le syst me expert est un outil d aide la d cision SOPHIE se pr sente sous la forme d un logiciel simple d utilisation utilisation de boites de dialogue interpr tation des r sultats repr sent es graphiquement projection sur un grand cran visible par tous les op rateurs pr sents Lorsque les c tes critiques sont atteintes SOPHIE alerte automatiquement l op rateur d astreinte Le param trage Le param trage consiste d finir pour un bassin versant donn les stations qui le composent les c tes d alerte les quations de tarage les stations associ es ainsi que les param tres de chaque mod le La pr vision Description du multi modele La pr vision est assur e par le multi mod le Pour chaque station celui ci fournit une pr vision en hauteur d eau Il tablit ce r sultat en comparant les hauteurs d eau fournies par plusieurs mod les ind pendants en une m me station Les mod les l mentaires n utilisent pas les m mes donn es d entr e Ainsi si des donn es hydrologiques
42. e le d lai pour obtenir une information doit tre tel que celle ci arrive temps un excellent mod le pr cis qui fournit des r sultats trop tard n est pas pertinent e information fournie doit tre r actualis e par toutes les nouvelles donn es entrant dans le syst me Dans le cas de la pr vision des crues clair avec MARINE il faut donc tre capable d int grer suffisamment rapidement une nouvelle lame d eau fournie par M t o France tout en conservant une pr cision suffisante pour que l information reste pertinente Cette contrainte peut amener faire des choix quant l utilisation du mod le e le mod le peut ne pas tre pr cis dans toute la gamme d utilisation et cibl uniquement pour ne traiter qu une typologie d v nements Dans le cas de MARINE le ruissellement de surface doit rester le processus pr pond rant e les probl mes de temps de calcul peuvent amener faire le choix d avoir des r sultats tr s peu pr cis en dehors de la plage d utilisation du mod le notamment pour les crues peu importantes e le pr visionniste peut faire le choix d avoir des informations moins pr cises mais qu il estime plus pertinentes en se focalisant par exemple sur l anticipation des pluies propos e par M t o France Ce choix peut tre d terminant par exemple pour l amont d un bassin versant Pour l aval du bassin versant il faudra confronter la perte de temps due au temps
43. e par la technologie de la t l d tection Elles ne correspondent pas aux processus physiques et ne repr sentent donc pas forc ment une homog n it hydrologique Les rigoles existent sur toute une gamme d chelles depuis une chelle tr s fine jusqu une macro chelle Le choix d une chelle minimale en de de laquelle les processus sont homog n is s est n cessaire Ce seuil a t dict par les variabilit s apparentes de la description g om trique retenue MNT qui ne voit pas les rigoles de petites chelles Une des am liorations de MARINE passe par une mod lisation pr liminaire petite chelle entre la r solution des images satellitales Tr s Hautes R solution et l chelle de support de MARINE Une agr gation en vue de d terminer un coefficient de Manning quivalent ou bien une hauteur d eau quivalente int grant les rigoles sous mailles l chelle du support du mod le pourrait constituer un premier l ment de r ponse Un second l ment de r ponse se trouverait dans la red finition des unit s l mentaires pixels de MARINE en unit s hydrologiquement homog nes Llovel amp Dartus 2003 226 luie MARINE diff rentes chelles Donn es OT MINT Sol Pluie radar A AB T MARINE micro chey Images Images HR Surface repr sentative Sous bassin Bassin THR l mentaire 1im 100m 1000 m 10 lan 100 lan SRE chelle caract ristiq
44. e par des visites terrain et traduite en coefficient de Strickler en accord avec la formule de Strickler 1 6 64 Strickler sE Ma J avec Strickler le coefficient de Strickler Ma celui de Manning R le rayon hydraulique moyen et d35 le diam tre auquel correspond 35 en poids de mat riaux de diam tre sup rieur A titre indicatif voici quelques valeurs usuelles du coefficient de Strickler Type de rivi re Coefficient de Strickler Gravier fin et sable Conduites neuves B ton liss Tab 31 Tableau extrait de Carlier 1986 coefficient de Strickler en fonction du lit de la rivi re 162 lV 1 4 Bilan sur l tape de predetermination des param tres de MARINE MARINE tant constitu par des mod les base physique les param tres contenus dans ces mod les peuvent tre reli s a des propri t s physiques des bassins Il est donc possible de trouver dans la litt rature leurs valeurs tabul es Nous avons cependant relev de grandes diff rences possibles entre diff rentes sources probablement dues a diff rents types de mod lisation r alis e pour passer de la mesure a la table ou bien encore de grandes plages de variation possibles pour certaines des caract ristiques retenues Enfin nous avions not que notre propre mod le compensait a travers chacun de ces parametres des erreurs ou incertitudes de mod lisation Il semble donc bien d licat d utiliser ces tables sans pr caution ces valeur
45. i PI EF Pes de tempa h Pas de tompa ih Ww he o i ki 4 t Pr ciciat ons imr T paGcipdation mmi t D Dibi Cite mes Dipig Der a Diois saris s CB mL 3 f i 1 Pa lefficience 0 58 Le a Emicience 0 81 a i 24 l Esiciunen 07 zua E i i 15 i 4 x I j Es i E i MEIR 2 1 LA 3 il pat r is CP hi i a i i fl i iy E j k a vs Stay 5 putes tee i ar D r ia ai aa t pp di 1 20 S Pas de temps h Ps de tonne h 3 i ok 2 Fig 47 Hydrogrammes de crue obtenus pour les crues de l Orbieu de 1990 1988 et 1987 avec TOPMODEL Les hydrogrammes de crue ainsi optimis s sur un bassin versant du Sud de la France et pour des crues non clair sont satisfaisants Figures extraites du BEI 2002 2003 par des l ves de 1 ENSEEIHT http www enseeiht fr hmf travaux CD0203 travaux optsee be1 3 site binome index htm 76 Simulation en continu La simulation hydrologique en continu sur un bassin suppose de longues chroniques d observations n cessaires au calage du mod le La p riode de r f rence inclut alors tout type de r gimes des tiages aux crues Les simulations ainsi obtenues m nent une bonne reproductibilit du fonctionnement du bassin moyen Ses fonctionnements particuliers crues extr mes par exemple ne sont alors pas pr cis ment suivis
46. l expression a base physique dans le sens de d ductif tir d un raisonnement par opposition empirique qui s appuie sur l exp rience observation MODELES HYDROLOSIQUES DETERMINISTE STOCHASTIQUE DISERET CONTINU Qu sp cifique un v nement hydrologique particulier Etiage crue lente crue clair A BASE PHYSIQUE EMPIRIQUE Id alement m canistes sons param tres n existent pas en Lois de fonctionnement bos es sur l observation Calage par de hydrologie Apparition de param tres longues chroniques PG Pos d utilisation de lois physiques GLOBAL bISTRIBLE continu Toutes les propri t s physiques sont int gr es Prise en compte des h t rag neites beaucoup de donn es Fig 7 Vision simplifi e des grandes cat gories de mod les hydrologiques 35 Les mod les stochastiques sont le plus souvent tablis partir d tudes de chroniques temporelles pluie d bit Ces derni res faisant cruellement d faut en ce qui concerne les crues clair ces m thodes sont difficilement applicables De plus il semblerait d apr s que l utilisation des m thodes d extrapolation statistiques classiques sur ces petits bassins afin de pr voir les crues clair conduisent des r sultats totalement erron s et en particulier d importantes sous valuations des d bits de pointe de crue de p riode de retour donn e et par cons quence directe une sous valuation du
47. les p riodes de gel ou de s cheresse et l effet splash OPS Dans ce cas les coulements par macropores deviennent pr pond rants et les conductivit s hydrauliques moyennes du sols sans macropore n ont plus d impacts num riques sur les vitesses d coulement Les vitesses d coulements sub surfacique par les macropores et surfacique peuvent alors tre du m me ordre de grandeur que dans le cas de crue non clair Toutefois leur mod lisation est tr s mal connue ce jour elle passe par le couplage d un mod le bas sur la loi de Darcy et d un mod le traduisant l coulement de l eau dans les macropores ainsi que d observations terrain pouss es qui semblent difficile l chelle d un bassin versant tout entier Retenons cependant que leur pr sence peut suffire expliquer des drainages bien plus rapides que la loi de Darcy ne les pr voit Ainsi les processus modifiant la structure locale du sol comme les organisations pelliculaires superficielles ou les macropores influencent la gen se des crues Cependant devant la difficult les quantifier et les localiser l chelle d un bassin versant leur pr sence peut tre traduite par une modification des valeurs des param tres caract risant Vinfiltrabilit du sol Processus modifiant la fonction de production Evapotranspiration L vaporation est l une des composantes fondamentales du cycle hydrologique Elle se produit d s
48. mm h wo oO 9h00 10h00 19h00 20h00 5h00 6h00 15h00 16h00 Le 12 11 99 Date Le 13 11 99 Fig 13 Les trois pluviographes disponibles sur le bassin de Lagrasse Les pluviographes indiquent qu il est tomb sur Lagrasse 337 mm durant cette v nement contre environ 200 mm aux deux autres stations De plus des trois pluviographes celui de Lagrasse est celui qui a enregistr les plus fortes intensit s pluvieuses du bassin 4 Nous avons utilis ces pluviographes et nous les avons r partis sur le bassin suivant la m thode des polygones de Thiessen Images du radar m t orologique La variabilit spatiale des cellules convectives responsables de cette averse apparait g n ralement capitale pour ce genre d v nement Cette information n est pas fournie par les pluviographes mais l est par les images radar Nous disposons d images radar interpr t es en terme de lame d eau HYDRAM M t o France et corrig es avec les pluviographes par la soci t STRATEGIS Montpellier Toutefois ces images repr sentent des valeurs de pluie cumul e sur plusieurs heures pour tout l v nement 3 images seulement disponibles au total Fig 14 Images radar HY DRAM indiquant les cumuls de pluies sur 9 8 et 3h pour l v nement des 12 et 13 11 1999 Fig 15 Images radar HY DRAM indiquant les cumuls de pluies sur tout l v nement des 12 et 13 11 1999 L v nement a t quasi stationna
49. nous pourrons d finir les chelles de travail de MARINE 1 2 1 1 La hi rarchisation du paysage hydrologique Les processus naturels hydrologiques se produisent des chelles spatiales et temporelles tr s variables pouvant traverser environ 8 ordres de magnitude Klemes 1983 sur un m me bassin versant Selon une approche diff rente de la th orie fractale l espace peut tre per u selon une th orie hi rarchique pour laquelle l espace est structur en niveaux d organisation superpos s Il est alors appr hend comme une suite de discontinuit s A chaque niveau on associe des processus et parametres pertinents La pr sence de seuils de fonctionnement entre deux niveaux entraine un changement de nomenclature d objets et de descripteurs Puech 2000 Afin de faciliter la pr sentation et fixer les id es on peut consid rer qu en hydrologie les diff rents niveaux d organisation et leurs chelles caract ristiques associ es sont les suivants Puech 2000 Parcelle Parcelle Versant Sous Bassin exp rimentale agricole ou bassin versant pixel versant Echelle d tendue 1 000 m 10 000 m caract ristique Ordre de Grandeur Tab 17 Exemples de niveaux d organisation du paysage Les valeurs num riques pr cis es ici le sont a titre purement indicatif Nous reviendrons plus loin sur ces ordres de grandeur a Estupina Borrell V amp Dartus D 2003 La t l d tection au service de la
50. on peut trouver dans le rapport DIREN 1999 sont les suivantes les hauteurs d eau cumul es ont atteint 200 mm sur la zone s tendant de Carcassonne a Perpignan avec des cumuls sur 2 jours de 300 a 400 mm les plus forts cumuls ont t observ s a L zignan Corbi res avec 621 2 mm et a Caunes Minervois avec 432 2 mm Vahyne Images du radar m t orologique Au vu de la faible densit du r seau de pluviographes il semble opportun de s int resser aux images que fournit le radar m t orologique La zone d tude n tait au moment de la crue couverte que par les p riph ries des radars de Toulouse et de Montpellier alors que les mesures du radar sont consid r es comme 49 exploitables qualitativement qu en deca d une distance de 100 Km Ces images ont t trait es en terme de lame d eau par le code ALADIN de M t o France et taient disponibles tous les quarts d heure avec une r solution horizontale de 1 Km Nous disposons de 3 images radar r parties tout au long de l v nement pour la globalit de la zone touch e Ces images sont des cumuls de pr cipitations sur des p riodes de dur e variable interpr t es depuis les images radar et corrig es par des mesures de pluie au sol oo Oo a LIC mil Ge piui du DELL OGM d s 12 11 99 LT Str tapia MI LU Lewersie H mi nn Ciel coe plui du Le LL PS u DSL ee ARMU Stretegia HILL ul che pluis du 12 11 99 2J00 v 19 11
51. plus flou du MNT SPOT 193 Fig 134 Extrait des lignes d iso pente des MNT IGN et SPOT Les statistiques de comparaison des pentes de ces deux MNT sont r sum es ci dessous moyenne Ecart type Pentes IGN 25 17 Pentes SPOT 23 16 Tab 34 Pentes Les diff rences entre pentes ne sont pas tr s importantes contrairement celles des altitudes Les valeurs moyennes des pentes ne diff rent que de 2 sur 25 Discussion Les MNT peuvent tre d finis travers plusieurs couches la couche des altitudes la couche des pentes la couche du r seau hydrographique la couche morphologique La pr sente tude ne concerne que les deux premi res couches elle montre que e Les couches des altitudes des MNT SPOT et IGN peuvent pr senter localement de grandes diff rences e Les couches des pentes par contre sont tr s proches Cette caract ristique peut s expliquer par le fait que les diff rences sur les pentes sont tr s d pendantes de l chelle de mesure Puech 2000 Puech 2000 explique que la r solution horizontale du MNT d finit la signification du mot pente Nous avons pris soin dans cette tude d utiliser des MNT de r solution horizontale semblable de fa on parler des m mes pentes Les ordres de grandeurs des couches IGN et SPOT sont alors tout naturellement du m me ordre de grandeur M me si ponctuellement on pourra observer des diff rences importantes Cette prem
52. ral soulign e par une rupture de pente lorsque le relief ne permet pas de cultures la v g tation se compose de garrigues et de for ts Plus en aval du bassin on trouve des cultures et des vignes Gaume 2002 a r alis 6 pr l vements de sols dans un sous bassin de Orbieu juste en aval de Lagrasse le bassin de la Nielle L analyse granulom trique de ces chantillons indique une texture sableuse des sols avec une proportion plus ou moins importante d argile ou de limon suivant les sites de pr l vement De plus il pr cise que les formations g ologiques sous jacentes sont essentiellement calcaires 11 2 2 1 2 La crue clair des 12 et 13 novembre 1999 Pluie Pluviographes Nous disposons de 3 pluviographes situ s l int rieur du bassin Lagrasse au Nord Bouisse l ouest et Mouthoumet l est Lagrasse Fig 12 Situation g ographique des pluviographes Pluviographe de Bouisse pour la crue de novembre 1999 Pluviographe de Mouthoumet pour la crue de novembre op Oo op Oo a Oo a Oo A A Pluie mm h wo oO D oO Pluie mm h wo D Oo oO ere Oo wall tattle 9h00 10h00 19h00 20h00 5h00 6h00 15h00 16h00 9h00 10h00 19h00 20h00 5h00 6h00 15h00 16h00 Le 12 11 99 Date Le 13 11 99 Le 12 11 99 Date Le 13 11 99 oO Oo Pluviographe de Lagrasse pour la crue de novembre 1999 Pluie
53. ristique se rapproche d une loi exponentielle que tous les mod les s attachent restituer Il existe de nombreuses mod lisations plus ou moins complexes de l volution de la capacit d infiltration du sol lors d une pluie pour un aper u g n ral voir notamment Hillel 1974 Mein 1973 Le choix d un mod le pour notre tude se porte sur la physique du processus d infiltrabilit conceptualis sur des aspects de robustesse et de rapidit du calcul num rique associ ainsi que sur le sens physique des param tres et la facilit acqu rir leurs valeurs mesures bibliographie Ainsi nous avons retenu 3 mod les une infiltration temporellement 144 constante et le concept hortonien en tant que mod les simplifi s de mise en uvre ais et le modele de Green amp Ampt qui pr sente un compromis int ressant en terme de r alisme et de simplicit 111 3 2 1 Infiltration coefficient de ruissellement constant Nous approcherons l infiltration par une conceptualisation simple l aide du coefficient d coulement Il s agit du coefficient de ruissellement qui exprime le rapport entre la lame d eau coul e et les pr cipitations re ues pendant le m me intervalle de temps Il varie selon la pente le type de sol la couverture du sol et l humidit ant c dente Il peut varier entre des valeurs de 0 1 sur un sable sous for t des valeurs de 0 7 sur un sol limoneux non couvert de v g tation
54. se qu entre deux pas de temps le sol atteint un r gime permanent Mais cette r alit instationnaire est elle cruciale au point de remettre en cause le concept Obled 1999 A l chelle du bassin des bilans sont r alis s pour d terminer les volutions des r serves en eau du sol Ils sont ventil s l chelle du versant en fonction de la topographie TOPMODEL n a pas la pr tention d tre un mod le complet mais plut t un ensemble de concepts qui doivent tre utilis s de fa on appropri e Il est facile mettre en uvre 1l utilise peu de param tres il est facile initialiser en d but d v nement et il est compatible avec les MNT et les SIG Il est consid r par Bonell 1993 comme l un des rares mod les qui peut avoir la pr tention d tre physique Ce mod le semble utilisable si les processus de gen se de crue du bassin s apparentent aux zones contributives satur es Ce modele est d taill en annexel 11 2 3 1 3 HEC HMS le ruissellement de type hortonien Ce logiciel a t d velopp par le HEC Hydrologic Engineer Center de US Army corps of Engineers La premi re version de ce logiciel est apparue en 1995 II s agit d un mod le pluie d bit constitu par un ensemble de mod les hydrologiques qui permettent de d crire le fonctionnement d un bassin versant de mani re spatialis e La g om trie du bassin versant peut tre conceptualis e par un ensemble de sou
55. surfaces contributives qui sera reprise par Hewlett amp Hibbert 1967 en pr cisant l id e que les coulements sub surfaciques peuvent g n rer des contributions signifiantes dans les hydrogrammes de crue et non pas seulement le ruissellement surfacique suite des exp riences r alis s aux USA Depuis cette th orie a fait son chemin Dunne 1983 On parle aujourd hui d aires contributives satur es sur lesquelles le ruissellement appara t par refus d infiltration d un sol satur d passement d un seuil de saturation car la totalit de la porosit est d j occup e par de l eau La nappe affleure alors la surface du sol On parle de saturation du sol par dessous l chelle du versant D finissons tout d abord l intumescence de nappe qui est le fondement de cette th orie Consid rons un versant inclin avec une rivi re au pied de ce versant La nappe affleure au niveau de la rivi re mise la pression atmosph rique elle suinte et se draine Par de forts gradients gravitaires la nappe prend la forme d une intumescence qui penche vers la rivi re S il pleut davantage la nappe s exfiltre sur la berge et sur le versant La nappe n accepte alors plus d infiltrer l eau de surface Celle ci ruisselle on parle de ruissellement par saturation La partie amont du versant conserve plus longtemps son tat initial de Fig 5 Sch ma de fonctionnement d une aire contributive
56. valeurs d taill es dans Mallants amp Feyen 1990 111 3 2 2 Mod le de Horton Le mod le de Horton Horton 1933 est un mod le empirique 3 param tres Il a t pr sent par Horton 1940 et depuis il a t largement utilis en hydrologie Dans cette partie nous le d crivons puis nous en proposons une mod lisation La capacit d infiltration d un sol fp est l intensit maximale de pluie qu il peut absorber Au cours d une averse cette capacit d infiltration ne demeure pas constante Elle pr sente une valeur maximale au d but de l averse fo et d croit ensuite assez vite pour tendre asymptotiquement vers une valeur peu pr s constante fe Horton a montr que la capacit d infiltration normale d un sol pouvait tre repr sent e par une quation de la forme 54 fe T fo f eP avec fp capacit d infiltration d un sol fe conductivit hydraulique saturation du sol fo valeur maximale au d but de l averse de l infiltration du sol B constante positive t temps coul depuis le d but de l averse Lorsque l intensit de la pluie est inf rieure la capacit normale d infiltration le sol absorbe toute l eau apport e par la pluie et le taux effectif d infiltration est inf rieur la capacit normale d infiltration Les valeurs de la capacit d infiltration du sol varient beaucoup d un sol l autre en fonction e Dela porosit du sol e Des
57. 16 30 10 4 1995 19 00 10 4 1995 21 30 10 5 1995 0 00 10 5 1995 2 30 10 5 1995 5 00 10 5 1995 7 30 _ 58 Hy tographe de la pluie du 13 10 1995 a Saint Hippolyte du Fort 35 000 30 000 Lam T E 25 000 a 5 20 000 2 gt 3 15 000 oO 5 10 000 0 000 paces CENENE ee a te te te lo te te te te te lo te te te te te te O O O O O O O O O O O O O O O oo 2o Do Do DoDo Doo Coo Lo DoDo DoDo Le LL LNLOLNLO LL na na LNLOLN crete op op Oa De VMN NMNG NVN F T q T to To tyo Yo To rN fe Owe re rere rA FP MO OO E Er r r pe S S S S S S S S S S S S S r r r r r r r r r r r r r r r r Hy tographe de la pluie du 03 10 1995 a Corbes 45 000 40 000 35 000 30 000 N 2 25 000 5 20 000 Ne a 15 000 c 0 000 o 2 82 D D 8 8 2 8 0 Q O amp Q OF HO 2 Oo Mo moon 2 9 2 oa Homo mo HO rOrNrO roro roro 0 NON ro rm re row Lu nu bu Le ii DDOQNQG Tr SONT sy TOITS Lo Ln uw YR S S S S S S S S S S S S S S S r r r r r r r r r r r r r r r r Fig 38 Hy tographes observ s dans le Gard pour les v nements de 1995 3 5 10 95 13 15 10 95 3 5 10 95 Gardon de St Jean St Hippolyte du Fort St Hippolyte du Fort maximale pluie Tab 6 Tableau r capitulatif des v nements ayant tou
58. 2 2 1 Pr sentation du bassin Altimetrie Le d partement de l Aude et le bassin versant de la rivi re du m me nom ont des fronti res assez proches Les principales caract ristiques du site sont les suivantes une superficie totale du bassin versant de l Aude qui d passe les 5 000 Km une altitude minimale de 0 m et maximale de 2446 2 m La rivi re Aude prend sa source au Roc d Aude dans les Pyr n es Elle est longue de 223 Km et est aliment e par plusieurs cours d eau Les rus du haut bassin des Pyr n es L Orbieu sur sa rive droite venant des Corbi res et qui est son affluent principal le Fresquel venant du flanc sud de la Montagne Noire les affluents issus de la zone Minervoise de la Montagne Noire Son r gime est tr s irr gulier d bit moyen tres faible et d bits exceptionnels de crues violentes pouvant porter jusqu 3 000 m s Elle traverse un complexe lagunaire qui dans l antiquit tait un immense golfe form par l avanc e de la mer dans les plaines littorales Ce Golfe s est progressivement combl Par ailleurs l Aude s est d vi e de son premier lit principal qui a servi de passage au canal de la Robine Nous consid rerons ce point comme exutoire pour notre bassin Moussoulens environ 10 m d altitude ce qui nous permettra d viter la d licate prise en compte des complexes lagunaires ainsi que la mod lisation de l tendue de la crue dans une zone devenue anthropis e tam le Sor ne Thor
59. 214 1 4 91 102 CANOE 1999 logiciel d hydrologie urbaine manuel d utilisation SOGREAH ALISON INSA Cappus P 1960 Etudes des lois de l coulement Application au calcul et la pr vision des d bits La Houille Blanche A 493 520 Carbonnel LP 1995 Definition des crues http webworld unesco org water ihp db glossary glu FRDIC DICCRUE HTM Carlier M 1986 Hydraulique g n rale et appliqu e Carluer N 1998 Vers une mod lisation hydrologique adapt e l valuation des pollutions diffuses prise en compte du r seau anthropique Pierre et Marie Curie Lyon Castaings W Le Dimet F X amp Dartus D 2003 Assimilation de donn es en hydrologie Revue de la Soci t Francaise de Teledection et de Photogrametrie soumis Cerdan O Le Bissonnais Y Couturier A Bourennane H amp Souchere V 2002 Rill erosion on cultivated hillslopes during two extreme rainfall events in Normandy France Soil and Tillage Research 67 1 99 108 246 Charleux Demargne J 2001 Qualit des Mod les Num riques de Terrain pour l hydrologie Application a la caract risation du r gime de crues des bassins versants Universit de Marne la Vall e Montpellier Cheze J L amp Helloco F 1999 The HYDRAM Project of M t o France a Quality based approach for quantitative radar measurements Prepr 29th Conf On Radar Meteorology Montr al Chorda J amp Maubourguet M M 2000 Flood propaga
60. 70 A 80 a a eco L 90 0 eoovoe v 100 we S NA a S NU Voy N x N x Vv N Ne Ko N Vv H N Ne Oy Oy Ne Ne Oy Ne Ne G ye K G G ss G amp amp S S Ss S S Fig 42 Influence du calage de TOPMODEL en fonction du crit re d optimisation Les r sultats varient sensiblement avec le calage effectu suivant les diff rents crit res de minimisation de l erreur entre observation et simulation retenus Dans tous les cas de figures le second pic de crue est en avance et pr sente une forme bien trop tal e Le premier pic n est que faiblement reproduit Ainsi bien que le choix de la fonction d optimisation influence les r sultats aucun calage ne para t satisfaisant sur cet v nement Crue du 13 10 95 Saint Hippolyte du Fort La troisi me crue est celle de Saint Hippolyte du Fort du 13 10 95 qui est caract ris e CRUE 13 10 95 par Intensit maximale de la pluie 172 m s Tab 10 Pluie du 13 10 95 Saint Hippolyte du Fort Soit un d bit sp cifique maximum de 3 44 m s km Les param tres cal s obtenus sont les suivants e M 0 09 m taux de d croissance de la conductivit du sol avec son d ficit e LnTo 2 94 avec To en m7 h transmissivit de l paisseur de sol e SRmax 0 2 m profondeur du r servoir racinaire e SRinit 0 17 m perte du r servoir racinaire e ChVel 6720 m h vitesse de transfert superficiel effective _ 70
61. C est une d marche scientifique classique qui correspond en l esp ce aux outils existants 1l y a plus d un quart de si cle mais qui simplifie le travail d analyse Aujourd hui on est en droit 21 de penser que la gen se des crues est un ph nom ne complexe qui est g n ralement constitu par une combinaison des processus pr cit s qui se succ dent ou se superposent dans le temps et dans l espace suivant un enchainement extr mement variable Cosandey amp Robinson 2000 On peut observer diff rents types de gen se de crue sur diff rents bassins voire sur un m me bassin en fonction des chelles spatiales et temporelles d int r t Lorsque l on se d place sur un m me bassin versant on va pouvoir rencontrer diff rents processus responsables de la gen se des crues qui vont se succ der se neutraliser se combiner ou se relayer Ces relais de processus dans l espace ou bien des organisations spatiales particuli res du bassin peuvent avoir pour cons quences des effets de seuil Ces effets peuvent expliquer la rapidit et la brusquerie de mont e des crues clair Prenons l exemple du Mont Loz re de Cosandey amp Robinson 2000 pour lequel l extrapolation du fonctionnement des zones contributives satur es traduit le fonctionnement de la gen se de crues extr mes pour lesquelles le ruissellement est g n ralis sur l ensemble du bassin Au cours du temps ces processus peuvent changer Avec les
62. Extraction partir d un m me MNT de 2 MNT not s extrait 1 et extrait n 2 en 2 localisations diff rentes prises au hasard pour tester l hypoth se de stationnarit D autres extraits ont t test s seuls les deux cas extr mes sont pr sent s 1c1 2 VARIOWIN 2 2 and its user s guide are published by Springer Verlag The reference of the book is Pannatier Y VARIOWIN Software for Spatial Data Analysis in 2D Springer Verlag New York NY 1996 109 Dans cet exemple on voit appara tre une anticorr lation valeur n gative du coefficient d autocorr lation Ceci traduit une certaine p riodicit dans le signal d origine Dans ce cas nous pouvons penser une succession de creux et de bosses dans l extrait de MNT trait Cette anticorr lation d finit donc une chelle int ressante en terme de variabilit du relief qui ne correspond toutefois pas l chelle de corr lation de la th orie chelle d finie par l apparition d un plateau sur le variogramme Cependant m me si un plateau apparaissait plus loin dans ce variogramme ce qui ne peut pas tre le cas dans cet exemple puisque le variogramme pr sente des valeurs sup rieures la variance permettant ainsi de d finir une chelle de corr lation plus grande que l chelle de p riodicit il ne serait pas convenable de ne consid rer que celle ci et de ne pas prendre en compte la plus petite chelle de variabilit d tec
63. I 2 1 Caract risation des crues C1l ait iiss ssh iieniassnetiiiusse 19 IL2 1 1 Processus physiques susceptibles d tre responsable de la gen se et de la propagation descries eela oae 19 IL 2 1 2 Contraintes de mod lisation des crues clair 35 IL 2 2 Pr sentation d v nements exceptionnels r cents 38 IL 2 2 1 Bassin de l Orbieu Lagrasse crue des 12 et 13 novembre 1999 38 IL 2 2 2 Bassin de l Aude a Narbonne crue des 12 et 13 novembre 1999 46 IL 2 2 3 Petits bassins du d partement du Gard crues de 1995 55 M2 2A BAM Se E acetone nate eee 61 IL 2 3 Application de mod les hydrologiques existants sur des crues clair 62 IL 2 3 1 Pr sentation de quelques mod les existants susceptibles de r pondre a NOUS DFO OICMIAN GUC a ies el du huis 62 IL 2 3 2 Application de TOPMODEL sur la crue clair de l Orbieu en amont de Lagrasse et d autres petits bassins versants gardois ccccceeeeeeeseseseseseeeeeeeeeeeeees 67 If 2 3 3 Application de HECHMS sur la crue de l Orbieu en amont de Lagrasse EEE 82 II 3 Conclusion du Chapitre II Les pistes d am lioration explorer 95 IT Chapitre M MARINE un mod le adapt aux crues clair 97 Resume du Chapitre Destin nitrates tin 97 LL ntrodueno n du Chapitre Tran en se nn net des de 98 II 2 D finition et analyse des chelles de mod lisation des crues pour MARIN
64. MNT serait a priori 10m 10m Si les mailles sont trop grandes elles perdraient tout sens physique en rapport avec coulement D apr s Franchini et al 1996 afin de palier ce probl me il est possible d utiliser des distributions statistiques gamma par exemple pour calculer les valeurs de l indice 240 topographique plut t que d utiliser un MNT A ce moment l quelques param tres sont rajouter au mod le Toutefois la large plage de valeurs que peut prendre ce param tre lors des diff rents calage peut aussi tre d d autre ph nom nes l utilisation de la loi de Darcy l existence de chemins sub superficiels lat raux l extrapolation de cette valeur pour un sol juste satur en surface Le param tre Ko est tel qu il rend le mod le peut sensible aux autres param tres Les param tres du mod les sont cens s l origine pouvoir tre d termin s par exp rimentation sur le terrain Certaines tudes ont mis en lumi re la difficult d interpr tation physique de ces param tres lorgulescu amp Jordan 1994 montrent la difficult de valider le mod le sur un bassin suisse avec des param tres mesur s sur le terrain Perrin 2000 Cependant 1l arrive que des valeurs exclusivement mesur es permettent de caler ces param tres Plusieurs jeux de param tres peuvent conduire aux m mes r sultats du mod le quifinalit Le mod le est capable de faire juste pour de mau
65. Strickler et Cy repr sente le coefficient de Ch zy 1 6 La plupart des simulations r alis es en 1D le sont avec le logiciel MAGEID du CEMAGREF de Lyon Guiraud amp al 1997 Toutefois une r solution 2D pourra tre envisag e lorsque les besoins de l tude le justifieront et les donn es le permettront Cette tape de simulation sera alors r alis e par Marie Madeleine Maubourguet et Jacques Chorda chercheurs dans l quipe Hydrologie de Surface du groupe HYDRE de l IMET l aide du logiciel TELEMAC2D 150 111 4 Conclusion du Chapitre Ill La structure modulaire de MARINE MARINE est un mod le pluie d bit traitant des donn es issues de l imagerie satellitale et des pluies issues du radar m t orologique con u pour simuler la gen se et la propagation de crues clair et adapt aux contraintes de pr vision en temps r el Ce mod le r alise une agr gation de cette relation depuis une chelle d entr e dict e par les moyens d observations la variabilit naturelle des processus mod lis s et la sensibilit du code par rapport a ses h t rog n it s spatiales vers une chelle de sortie impos e par les objectifs de la mod lisation Entre ces deux dimensions deux mod les num riques ont d tre mis en cascade de fa on franchir ce saut d chelles Experimental HYDROLOGIE HYDRAULIQUE Pixels l mentaires emn Liaisons no Volume de contr le gg 10
66. a travers l aspect de l hydrogramme de crue trois diff rents temps de concentration pour trois diff rents sous bassins Main bributary watershed Fig 139 Sous bassin principal du basin du Thor S 12750 m 13240 m 350 300 250 D Discharge m3 s 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time h Fig 140 Comparaison des hydrogrammes de crue du plus grand affluent du Thor obtenus par les deux MNT 197 Il est noter que le d calage pr sent est le maximum observ tous les autres cas concordent quasi parfaitement Suite cette premi re tude il semblerait que pour des bassins versants d une taille inf rieure 40 km les MNT SPOT et IGN peuvent fournir des simulations hydrologiques comparables condition que les pentes des versants soient suffisamment importantes Analysons maintenant l impact de ces diff rences sur l hydrogramme de crue du Thor l exutoire du basin versant Analyse des r sultats du module hydraulique de MARINE Les hydrogrammes des affluents sont entr s dans le module de transfert de la crue dans le Thor pluies semblables celles ayant engendr la crue clair de novembre 1999 Sur la figure ci dessous nous pouvons observer l volution de la crue dans le temps et le long du tracer du Thor obtenue partir du MNT SPOT Discharge m s Fig 141 Hydrogramme de crue le long de la rivi re
67. ainsi formul e du temps d quilibre a t par la suite valid e par Saghafian et al 2002 sur des versants ou de petits bassins versants Saghafian et al 2002 en propose une formulation plus complexe d pendante de la g om trie des rigoles dans le cas de grands bassins versants ou plus sp cifiquement dans les cours d eau De plus Saghafian amp Julien 1995 remarquent que l infiltration si elle est assez importante influence la valeur du temps d quilibre du bassin Si l on suppose que le mod le de Green et Ampt repr sente correctement infiltration on a alors e Une premi re phase au cours de laquelle se produit le ponding formation de flaques en surface d une dur e tp e Une seconde phase au cours de laquelle se produit l infiltration proprement parler d une dur e ts e Le processus d infiltration introduit un retard par rapport au moment o le bassin est en quilibre Ainsi le temps d quilibre virtuel est introduit il est caract ristique du ruissellement superficiel et de l infiltration Le mod le de Green et Ampt est d taill plus loin dans ce chapitre retenons en simplement quelques r sultats pour cette partie La premi re phase prend fin pour pek 2 Gi 46 i i K avec tp temps de la phase de ponding K conductivit hydraulique porosit effective 01 humidit initiale 1 intensit de pluie brute En fait le taux d infiltration fs ne s ann
68. altim triques Le MNT SPOT contient une information plus diffuse que le MNT IGN Le MNT SPOT a t construit partir de donn es digitales non structur es alors que le MNT IGN provient d une source analogique conservant la structuration topographique du terrain Les couches des pentes par contre pr sentent des propri t s tr s semblables Pour ce bassin les pentes ont des valeurs importantes ce qui rend son utilisation plus fiable Par cons quent les fronti res des bassins versants obtenus partir des deux MNT sont extr mement proches Cette caract ristique est tr s importante en hydrologie distribu e puisqu elle traduit la notion d aire drain e et donc de points ayant une influence hydrologique sur l exutoire La bonne d finition de cette caract ristique est une condition n cessaire pour l application de MARINE Les hydrogrammes de crue des diff rents affluents le long du Thor sont tout a fait comparables bien que les confluences situ es dans des zones trop plates ne fournissent pas de r sultats satisfaisants Enfin les hydrogrammes l exutoire du bassin versant sont eux tr s proches les quelques diff rences interm diaires ayant t int gr es par la surface du bassin 200 km En conclusion nous pensons que la pr vision hydrologique l exutoire de ce bassin peut tre envisag e quelque soit le MNT SPOT ou IGN utilis du fait de certaines caract ristiques du bassin savoir e Pentes
69. ces travaux de th se Enfin les tests de sensibilit sur les MNT montrent qu il ne faut pas trop d grader la r solution spatiale de l information de base Ceci sera d autant plus vrai que le r sultat attendu sera des pr visions hydrologiques a plus fine chelle Par contre une certaine impr cision sur les altitudes absolues peut tre tol r e tant que la carte des pentes est peu chang e et l utilisation de MNT spatiaux est parfaitement envisageable 201 IV 3 Test de possibilit s d extension de MARINE La validation a proprement parler du code est plus d licate puisqu elle suppose une connaissance relativement pr cise des hydrogrammes de crues l exutoire des bassins mais aussi des observations faites plus amont susceptibles de valider la distribution des processus telle qu elle a t mod lis e le tout pour un nombre lev d v nements Une telle connaissance des crues clair tant bien illusoire ce jour nous nous contenterons de validations partielles sur un petit nombre de crues clair IV 3 1 Discussion sur les crit res d valuation d une simulation Afin de qualifier les r sultats des simulations r alis es nous nous sommes int ress s aux diff rents crit res disponibles et leurs pertinences dans le cadre de notre probl matique cf annexe4 Estupina Borrell et al 2003 Ainsi l utilisation et l interpr tation des crit res les plus couramment utilis s sont d
70. cette r gion la v g tation est essentiellement compos e de for ts 192 Comparaison des couches altimetriques des MNT La diff rence des altitudes entre les deux MNT pour le basin versant du Thor est pr sent e sur la figure ci dessous Cette diff rence est comprise entre 76 m et 58 m Elle pr sente une valeur moyenne de 8 7 m et un cart type de 7 8 m Les plus grosses diff rences sont situ es dans les zones de fortes altitudes o la v g tation y est tr s dense Les altitudes du MNT SPOT sont globalement sup rieures a celles du MNT IGN Il semble y avoir priori un l ger basculement de l un des MNT par rapport l autre dont la cause n a pas pu tre expliqu e Fig 132 Diff rence entre MNT SPOT et IGN La fonction de r partition montre que plus de 64 des diff rences sont inf rieures 10 m SPOT IGN cumulated pourcentages SPOT25 IGN25 differences m 80 70 60 50 40 30 20 4 0 0 1 o 20 30 40 50 60 Fig 133 Fonction de r partition de l altitude extraite des deux MNT Comparaison des couches de pentes des MNT Les pentes sont les caract ristiques les plus importantes du MNT En effet dans le module de ruissellement de MARINE il s agit des seules donn es issues du MNT tre utilis es Les repr sentations ci dessous des pentes des deux MNT montrent l aspect mieux d fini plus pr cis du MNT IGN compar l aspect
71. classiquement faites Int gration d autres processus hydrologiques d licate par rapport aux contraintes temps r el 153 d triment de la qualit suivant les chelles de sortie M thode de programmation classique en hydrologie 154 IV Chapitre IV Mise en ceuvre de MARINE et integration d imagerie satellitaire Resume du Chapitre IV Cette partie expose diff rents tests de sensibilit ainsi que quelques unes des utilisations de MARINE Les tests de validation et les proc dures de calage ne peuvent tre ceux habituellement r alis s sur des mod les num riques hydrologiques classiques puisque les crues clair se caract risent le plus souvent par leur manque chronique d observations et de mesures Ainsi le calage effectu n est pas suppos tre le calage optimal mais un calage r alisable a priori c est a dire avant l v nement lui m me et fournissant une repr sentation de l hydrogramme de crue adapt e aux objectifs de la pr vision op rationnelle Il s agit donc de pr d termination des param tres physiques du mod le plut t que de calage du mod le La validation est envisag e travers des mod lisations de diff rentes crues clair tout au long de cette partie Nous avons toutefois conscience du manque de tests de validation du code ce jour les difficult s li es la reconstitution des chroniques pluie d bit de crues clair en tant la cause principale Une attent
72. consid re plus nos pixels l mentaires comme des entit s homog nes r duction de nos longueurs et largeurs d coulement pour repr senter un r seau temporaire de drains parall les ce qui irait finalement dans le sens d une sch matisation du ruissellement plus fid le Dans cette optique 1l semble que la description du r seau hydrographique principal ne puisse pas tre envisag e de la m me fa on Un second mod le doit donc tre mis en cascade avec le premier mod le de fa on tendre l chelle de sortie celle du bassin versant dans son int gralit Une solution consisterait prendre en compte la description topographique du r seau de fa on sp cifique largeur de la rivi re variable longueur d tablissement variable selon les ouvrages profils du fond La mise en uvre de l onde cin matique peut alors nouveau tre envisag e Il est aussi possible d utiliser directement les quations de Saint Venant C est ce pour quoi nous avons opt dans la partie rivi re de MARINE 132 1 3 Equations representatives du comportement des processus physiques Dans cette partie nous allons d tailler les fonctions de transfert et de production cod es dans MARINE Une fois que la lame d eau pr cipit e valu e par M t o France atteint le sol des versants elle est intercept e ou vapor e Comme nous l avons vu pr c demment cette phase peut tre n glig e dans notre mo
73. d une incertitude relativement grande La mod lisation test e donne des r sultats qui sont dans les m mes ordres de grandeur d incertitude 217 Une utilisation du mod le hydrologique amont utilis ici peut tre envisag e dans un contexte de pr vision op rationnelle des crues tant par les donn es qu il utilise que par les temps de calcul qu il n cessite Par contre le mod le de propagation de crues grande chelle 2D n cessite un volume de calcul consid rable qui l carte aujourd hui par son temps de r ponse et ce malgr l augmentation permanente des potentiels de calcul d une utilisation en mode pr visionnel Son int r t r side davantage dans une application pr ventive en offrant la capacit de reproduire fid lement des sc narii de crues dans des zones sensibles a grande et petite chelle Bien que fournissant des r sultats proches des observations ces mod les demeurent perfectibles Un effort doit tre poursuivi pour transposer cette m thodologie d autres crues et d autres zones g ographiques Cette tude montre aussi l int r t des techniques spatiales dans la gestion des risques naturels 218 IV 3 5 Application op rationnelle de MARINE dans le cadre du projet PACTES sur la crue du Thore en 1999 2 ee de pr vision des crues clair fonctionnant de fa on op rationnelle Ceci signifie que ce mod le doit pouvoir se pr senter sous la forme d une boite noire pou
74. de calage alors que MARINE y est moins sensible Ceci s explique fort probablement par la large plage de variations de certains param tres influents de TOPMODEL contre des valeurs plus ou moins impos es par la relation avec la signification physique des param tres de MARINE 211 IV 3 4 MARINE 2D sur la crue de l Aude en 1999 validation des laisses de crue obtenues par teledetection IV 3 4 1 Contexte Le projet L Eau et le Feu propos par SCOT a PESA avait pour objet de traiter l apport des techniques spatiales dans le cadre de la gestion des risques d inondation et d incendie de for t Le volet relatif aux risques d inondation s adressait a deux probl matiques qui int ressaient la Direction de la D fense et de la S curit Civile les inondations de plaines et les inondations rapides Le travail de IMFT ne concernait que la partie inondations rapides Il avait pour objectif d valuer l apport possible de la mod lisation dans la gestion de crise Cette approche a t valid e en rajoutant a posteriori le ph nom ne observ des fins de pr vention Cette tude traitait du cas concret des ph nom nes observ s lors des r centes crues de Aude et de l Orbieu France Les grandes lignes de l tude pr sent e ici sont d taill es dans le rapport Alquier ef al 2000 IV 3 4 2 Approche propos e La zone g ographique tudi e concerne la partie aval du bassin versant de
75. de calcul avec le temps de concentration du bassin versant et avec le d lai n cessaire mise en place des secours par exemple Cette combinaison de facteurs nous a conduit rendre op rationnel seule une partie de MARINE disponible au moment de l tude et compos d un unique mod le de gen se de crue mod lisation eul rienne de l approximation de l onde cin matique coupl e une infiltration hortonienne et d un unique mod le de propagation dans les cours d eau 1D par le biais du logiciel MAGE pr c d du module de pr traitement en cas de changement du bassin versant test IV 3 5 3 Les r sultats obtenus Le domaine d tude retenu a t le bassin versant du Thor en amont de Labastide Rouairoux Le projet avait pour but de prendre des produits d j existants et de les tester sur un site commun pr sentant un int r t socio conomique et scientifique Les r sultats de ce projet sont essentiellement constitu s par des tudes de sensibilit puisque les appareils de mesure hydrom trique pr sents en faible nombre sur le bassin ont de plus t d truits durant la crue de novembre 1999 Ainsi MARINE a t encapsul dans un d monstrateur Ducuing ef al 2003 Les r sultats des hydrogrammes peuvent tre visualis s sous diverses formes en tout point du cours d eau dans le d monstrateur PACTES Dans l exemple ci dessous les r sultats sont pr sent s pour le village de Sauveterre La fe
76. de r solution plus fine 25m Le domaine de validit de l onde cin matique pour une intensit pluvieuse de 10 mm h une largeur de rigole et une longueur d tablissement de l coulement de la taille de la nouvelle maille devient M per dr Re a v z re z es a Fe Shy a PTA gl of Set E a uy e k a ee fr ris a T Pe Er f y A ER 2 f 7 PP pe i a ei te f T an 4 a Len LE ie T a ae Rei fa Te i H LE e r 1 T a Fr 5 ro Li p i hi E lt F jo z a nf i i aa oo Po E o Rss a j i vs t X Vane 7 AN Prend k mp i i i v J De 4 r Dr ali z ma E a c i er pas Se j Ain AN an i ti ar i i a oil Fig 90 Domaine de validit de l onde cin matique blanc pour une chelle de support de 25m Le r seau hydrographique se dessine d autant plus que l chelle du support diminue excluant davantage de points du domaine de validit 1 2 4 4 Bilan sur le domaine de validit de l onde cin matique Nous constatons que l chelle du support du mod le influence directement I chelle de sortie de celui ci via son domaine de validit Ainsi si l on veut faire correspondre chelle de sortie du mod le la taille du bassin versant tudi alors le domaine de validit de 1 OC nous impose une chelle de support de l ordre de 500m Or avec un chantillonnage du bassin a cette chelle d une part les vari
77. de transfert d un pixel s exprime alors de la fa on suivante T dt 0 i j isochrone D l gt U 2 20 sin Atan S P5 4 2 chemin chemin avec So la pente locale L la distance s parant le pixel consid r du voisin vers lequel il s coule U la valeur de la vitesse de ruissellement locale dt le pas de temps local variable Te le temps d quilibre du pixel cin matique La vitesse de ruissellement superficiel pour un pixel des versants peut aussi tre approch e par le mod le de l onde cin matique nous avons alors 2 3 h arr lS U 43 avec So la pente locale Ma le coefficient de Manning du point et h la hauteur d eau locale suppos e Comme pour la vitesse de Llamas nous travaillons avec des pas de temps variables d finis par le rapport distance parcourue sur vitesse Or la vitesse de ruissellement consid r e ici fait intervenir la hauteur d eau ruisselante donn e inconnue ce stade du calcul Afin d estimer la hauteur de la lame d eau ruisselante et donc de caler les isochrones nous nous sommes int ress au concept du temps d quilibre du bassin Nous montrerons que ce dernier ne peut tre utilis en l tat pour caler de fa on satisfaisante notre mod le C est pourquoi nous en proposerons une version modifi e plus adapt e notre probl matique Calage du temps de transfert des isochrones par le concept du temps d quilibre Le temps d q
78. diff rentes r solutions Ses objectifs de simulations lui permettent de conclure que l chelle de 10 m est optimale gain de temps de calcul reproduction de la variable RST Il conclut que les analyses des autocorr lations permettent d avoir une id e de l chelle optimale du mod le Il retient que celle ci doit tre inf rieure aux longueurs d chelles caract ristiques d finies par les statistiques Analyse de l exemple Cette analyse nous permet de faire l analogie entre la longueur de corr lation la longueur caract ristique d une image et la taille de l objet pour des donn es du type Occupation des sols Comparons son raisonnement celui de la th orie statistique pr c demment pr sent Dans ce cas le variogramme peut se mettre sous la forme 22 y r o s 1 p r Ainsi pour une forme exponentielle du coefficient de corr lation ce variogramme tend vers la valeur de la variance au bout d une certaine longueur Cette longueur peut aussi tre directement calcul e par l int grale du coefficient de corr lation Dans la th orie statistique l int grale du coefficient d autocorr lation spatiale fournit une estimation de la longueur de corr lation L chelle maximale d observation de chacune des variables est alors le produit de cette longueur de corr lation par un coefficient Donc la longueur de corr lation correspondrait la longueur d chelle caract ristique et le fait de c
79. donc pas tre trop dense 83 Lame in A R 159 Ceci induit une autre hypoth se forte l ensemble du versant amont est constitu par une nappe aussi mince soit elle toujours pr te s couler la moindre recharge par infiltration Or on sait que les parties amont peuvent s ass cher au point d tre totalement d connect es hydrauliquement du drain aval Obled 1999 Soit 237 Expressions de l indice topographique et du d ficit local Indice Topographique A La forme de l indice topographique est 85 IT HE Se 161 fonction du choix de la loi de transmissivit tan D A Indice Sol Topographique 86 IT Ln _ T tan J d indice P do 87 IT M A Topographique T tan p A Indice Hydro Topographique avec en 88 IT Ln __ plus Rj Datin 1998 T tan p Avec l hypoth se de recharge spatialement uniforme l indice topographique devient un indice de similarit hydrologique points hydrologiquement semblables qui permet l tablissement de carte de saturation un d ficit nul se traduit par un indice topographique sup rieur un indice limite Il existe une bijection entre la carte de saturation et la valeur de cet indice limite Le d ficit en eau du sol s exprime avec la forme de la transmissivit que nous avons retenue Infiltration Une loi d infiltration selon Horton est appliqu e toutefois au vu des valeurs de la co
80. es l onde cin matique nous avons simul sur le bassin de Lagrasse des hydrogrammes de crue partir de coefficients de Manning homog nes sur le bassin Nous avons utilis le coefficient d un sol recouvert de graviers 0 02 et d un sol recouvert de bois 0 10 selon Chow 1959 Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur du coefficient de Manning dans le calage des 600 isochrones MARINE OC3 0 1 amp Inf Cr 500 MARINE OC3 0 02 amp Inf Cr 400 MARINE OC3 carte amp Inf Cr Oo Pr E A 0 10 20 30 40 50 60 Temps h Fig 98 Influence de la valeur du coefficient de Manning sur les hydrogrammes de crue 164 La diff rence constat e entre les deux hydrogrammes est cons quente Nous avons aussi compar sur la m me figure les hydrogrammes obtenus avec un coefficient de Manning homog ne sur le bassin et correspondant au bois esp ce dominante a 70 et avec la carte d occupation des sols distribu es mais relativement homog ne Nous constatons que la connaissance de la distribution de occupation du sol n est pas tr s influente sur l hydrogramme de crue a l exutoire de ce bassin homog ne La prise en compte de la seule occupation du sol majoritaire bois 70 suffit Par contre le calage de cette valeur conditionne les r sultats comme nous l avons vu pr c demment for age du coefficient de Mann
81. es Dans le cas o le champ al atoire est stationnaire on d finit le variogramme par gt 1 Z x x van GG ou x sont des points arbitrairement choisis dans la zone d tude Une hypoth se plus contraignante consiste consid rer la variable comme un champ al atoire statistiquement homog ne et isotrope cas o le variogramme pr sente un plateau Le corr logramme spatial est la courbe qui repr sente la variation du coefficient de corr lation avec la distance entre deux points Dans ce cas il existe une fonction d autocorr lation en espace telle gt avec r x s p oy SONY DEV Ga C O 15 V x V x Cette fonction d autocorr lation a souvent t approch e par la forme exponentielle suivante Sivapalan amp Bloschl 1998 Booij 2002 Rodriguez Iturbe amp Mejia 1974 Wood amp Hebson 1986 F p n ex E 2 p r dr 16 0 o r est la distance entre deux points et est la longueur de corr lation ou chelle d int gration Elle quantifie l chelle de variabilit naturelle du processus Elle repr sente donc une mesure de la continuit spatiale de la variable Dans le cas o la fonction d autocorr lation existe on peut alors crire 105 17 1 op A pp Effets du changement d echelle Le changement d chelle a pour effet de modifier la variance de la variable En effet le passage d une chelle a un
82. et que les bassins peuvent pr senter localement des terrains karstiques Les travaux r alis s dans le cadre de cette th se sont d taill s dans Estupina Borrell amp Dartus 2003 IV 3 3 2 Calage et portabilite sur un m me site Lors de cette application de nombreuses observations pass es taient disponibles Ainsi il a t possible de caler les valeurs des param tres des mod les puis d utiliser une autre crue pour les tester Dans le chapitre II nous avions utilis TOPMODEL sur ces m mes crues mais le choix des v nements de r f rence pour le calage pouvait tre diff rent Dans cette partie nous avons fix arbitrairement une crue comme v nement de r f rence utilis e pour le calage la crue des 3 5 10 95 Saint Hippolyte de fa on ne pas biaiser nos r sultats Il s av re que l v nement retenu est complexe puisqu il s est produit en deux phases Dans un second temps nous avons port les valeurs des param tres ainsi obtenus pour simuler une autre sur le m me bassin versant Ainsi pour le calage de MARINE nous avons test le mod le de ruissellement superficiel d crit par le sch ma eul rien coupl un mod le d infiltration constante et un mod le d infiltration hortonienne Les meilleures performances ont t obtenues pour le mod le d infiltration coefficient de ruissellement constant avec e Ma 0 05 coefficient de Manning du bassin amont e Cr 0 50 coefficient de rui
83. fait acceptable au vu de la pr cision des donn es pluvieuses Enfin nous avons greff en sortie du module hydrologique de MARINE un mod le de propagation 1D simplifi de type convectif et prenant en compte une plaine d inondation sous la forme d un r servoir unique de fa on r aliser une premi re comparaison entre les hydrogrammes de crue simul s et observ s l exutoire du bassin Les r sultats obtenus sont pr sent s ci dessous Comparaison entre d bits observ s et simul s vitesse d coulement Aude 1m s Orbieu 2m s zone inond e 2 5 m s 4000 3500 3000 D bits simul s Moussoulens D bits mesur s par la DDE 2500 2000 D bits en m3 s 1500 zone inond e en 1000 moyenne de 15m 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 emps en heures Fig 151 Hydrogramme de crue Moussoulens obtenu avec un mod le de propagation 1D vitesse constante par bief L efficience est de 0 97 le coefficient de corr lation de 0 54 et le biais relatif de 0 06 On constate que la forme g n rale des hydrogrammes les d bits de pointe et certains temps caract ristiques co ncident grossi rement Certaines diff rences peuvent tre soulign es et expliqu es par les approximations r alis es par les impr cisions introduites par les donn es ainsi que par certaines simplifications des ph nom nes physiques mis en jeu dans le mod le d velo
84. fc fo D bit m3 s Temps h Fig 108 L g re sensibilit fo et B param tres de Horton 172 L influence de l humidit initiale du sol traduite dans ce mod le par le biais du param tre fo est donc faible par rapport celle de la conductivit hydraulique saturation traduite par fc Ceci s explique par l importance et la violence de la pluie utilis e dans ces mod lisations et par les valeurs du param tre B qui entra ne une d croissance exponentielle de l infiltrabilit en peu de temps En effet lors de cet v nement les pluies atteignent tr s rapidement des intensit s importantes gt 10mm h L infiltrabilit du sol volue donc tr s rapidement jusqu atteindre sa valeur saturation apr s quoi seul le param tre fc influe Tout ceci se joue d s les premiers pas de temps de la simulation deux heures tout au plus comme nous l avions vu pr c demment 1V 2 1 2 3 Sensibilit de MARINE aux param tres d infiltration de Green amp Ampt Dans cette partie nous avons test la sensibilit du modele par rapport a chacun des param tres du mod le de Green amp Ampt avant d en proposer une interpr tation globale Influence de la connaissance a priori de la nature du sol Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence du choix de la nature du sol dans Green amp Ampt 800 700 600 sandy clay sandy loam 500
85. finis d di s aux coulements surface libre Il est d velopp par la Direction des Etudes et Recherche d EDF au Laboratoire National d Hydraulique de Chatou Il int gre les quations de Barr de Saint Venant 1887 qui r gissent les coulements surface libre en eaux peu profondes Ces quations permettent d acc der a des champs surfaciques de hauteur d eau et de vitesses moyennes sur la verticale en fonction du temps Des notes de principe de validation et d utilisation sont fournies par la D E R d EDF avec ce syst me On peut citer par exemple cette publication r cente r alis e avec cet outil Hervouet J M amp Petijean A Malpasset dam break revisited with two dimentional computation Journal of Hydraulic Research Vol 37 1999 NO 6 pp 777 788 212 IV 3 4 3 Donn es utilis es Il s agit des donn es pr sent es pr c demment Nous disposons des lames d eau pr cipit es valu es partir des mesures des radars m t orologiques de N mes et de Toulouse appartenant au r seau ARAMIS de M t o France et partir de relev s pluviom triques DDE11 Ces mesures bien qu entach es d impr cisions du fait de la distance du site par rapport aux deux stations permettent d avoir une entr e quantitative et spatialis e sur le mod le pluie d bit Le MNT 100m a t utilis pour la partie amont de la mod lisation et le MNT 25m pour la mod lisation en 2D La carte d occupati
86. for Simulating Flow in Variably Saturated Heterogeneous Geologic Media Theory and User s Manual Ver 1 1 NUREG CR 6028 US NRC Report Government Printing Office Washington DC USA Ababou R McLaughlin D Gelhar W amp Tompson A 1985 Numerical simulation of satured unsatured flow fields in randomly heterogeneous porous media International symposium on the stochastic approach to subsurface flow Ed hydrog ologie G CNRS Montvillargenne Ababou R amp Tregarot G 2002 Coupled Modeling of Partially Saturated Flows Macro Porous Media Interfaces and Variability Proceedings CMWR 2002 XIV International Conf on Computational Methods in Water Resources Delft The Netherlands 8pp AGI 1972 Glossary of grology DC Washington Albergel J 2003 le mod le hortonien Gen se des crues et des inondations Ed SHF Paris ENGREF Alquier M Chorda J Dartus D Estupina Borrell V Llovel C amp Maubourguet M M 2002 PACTES La cha ne de pr vision du Thor Research Contract Toulouse Alquier M Dartus D Maubourguet M M Chorda J Estupina V Gonzal s V amp Dupuy S 2000 L eau et le feu Rapport n Rapport de Contrat N 13268 98 I DC pour l European Space Agency ESRIN Research Contract ESA SCOT IMFT Ambroise B 1998 Gen se des d bits dans les petits bassins versants ruraux en milieu temp r 1 processus et facteurs Revue des sciences de l eau 4 471 495 Artan G A Ne
87. gative consiste en une d convolution d une connaissance globale du bassin vers le comportement de ces unit s de type versant de fa on empirique C est une d marche descendante qui franchit 1 2 niveaux d organisation Elle consiste trouver un point de d part conceptuel au niveau d chelle consid r ou un niveau sup rieur puis chercher les tapes qui ont pu y mener depuis un niveau inf rieur Toutefois elle n cessite de nombreuses observations hydrologiques globales sur plusieurs bassins versants Puech 2000 Elle ne sera donc pas envisag e dans cette th se au vu de la difficult que nous rencontrons trouver des observations de crues clair 111 2 1 4 Changement d chelle dans MARINE Dans la mesure o les limitations de la connaissance profonde des processus hydrologiques qui si gent sur le bassin nous am nent d finir un mod le qui ne retienne que les processus connus dominants et influents la m thode agr gative de changement d chelle retenue dans MARINE ne pourra franchir qu un nombre limit de niveaux d organisation Ce code n a pas pour vocation de proposer un mod le de bassin quivalent repr sentatif des unit s l mentaires qui le composent et des liaisons qui les unissent mais d agr ger la relation pluie d bit l chelle du bassin et ventuellement du sous bassin Ainsi on se retrouve confront une probl matique de coincidence des chelles spatiales L c
88. humainement que mat riellement Michel Alquier est l homme sans qui rien n aurait t possible Je t en remercie tr s chaleureusement Non seulement tu m as accord toute ta confiance mais tu as toujours t pr sent pour r pondre mes pr occupations scientifiques et humaines Tu as particip a part enti re l encadrement de mes travaux de recherche ainsi qu leur orientation Bon vent Michel Jacques Chorda et Benoit Le Guennec qui ont eu une grande influence sur mes travaux et qui ont toujours t pr sents pour r pondre a mes interrogations scientifiques mais dont la modestie et l humilit les emp cheront de le reconna tre Merci Benoit pour votre g n rosit votre humour votre culture sans fronti re et vos nombreuses discussions toujours enrichissantes Merci Jacques pour ton aide de tous les jours pour les nombreuses heures que nous avons pass es ensemble sur le GIS toujours dans la bonne humeur pour nos collaborations sur de nombreuses tudes et publications pour nos fous rires Merci a Marie Madeleine Maubourguet pour ta collaboration sur de nombreuses tudes pour tes comp tences scientifiques pour ton soutien de tous les jours et pour ton immense gentillesse Merci a Olivier Thual pour tes si nombreuses competences en tant que chef du groupe HYDRE en tant qu enseignant et en tant que chercheur de tres grande qualit Tu es pour moi une veritable r f rence j esp re avoir l honneur de travaille
89. importantes 25 en moyenne e Faible anthropisation du bassin meilleure pr cision du MNT organisation du ruissellement suivant le terrain naturel Les hydrogrammes simul s diff rent alors de quelques pourcents ce qui est n gligeable dans la probl matique des crues clair IV 2 4 Bilan des tests de sensibilit Une batterie de tests de sensibilit a t r alis e de fa on permettre de mieux appr hender le comportement du mod le Ces tests mettent en vidence que La connaissance au moins qualitative de l occupation du sol est n cessaire La connaissance n cessaire de sa distribution spatiale est fonction des chelles de sortie des hydrogrammes de crue de l homog n it de cette donn e sur le bassin et de la r partition spatiale des h t rog n it s de cette donn e La prise en compte du r seau potentiel de drainage secondaire chevelu autre que affluents principaux dans la mod lisation est n cessaire Cette prise en compte a t r alis pour le mod le lagrangien par l introduction d un param tre li la densit de drainage amont du pixel tudi Toutefois la n cessit de prise en compte d un r seau de drainage a une chelle plus fine que celle du pixel ne fait pas l objet de ces travaux L humidit initiale du sol est un param tre influent surtout lors des premiers pas de temps Elle va donc jouer sur les dates de d passement des seuils d alerte en particulier Elle devra d
90. introduire un temps quivalent not te comptabilis depuis le d but de l averse tel que F teg F t r el Soit FO fota phoe J ise 5 56 p Le temps teq sera donc inf rieur ou gal au temps t Dans le cas des crues clair les intensit s de pluies sont de l ordre de 10 mm h au moins Pour des sols non agricoles le probl me mentionn ci dessus est moins cons quent voire inexistant Gardons l esprit que pour les crues faibles ou moyennes le ruissellement hortonien appara t sur moins de 10 de la surface totale du bassin Freeze 1972 Bien qu il s agisse d un mod le empirique Eagleson a montr en 1970 que I quation de Horton tait une solution approch e de celle de Richards utilis e pour repr senter les coulements dans les milieux poreux non satur s dans le cas particulier o e La surface du sol est immerg tout au long de l v nement pluvieux i t gt f t e Le profil vertical d humidit du sol est initialement homog ne e Le front d humectation n atteint pas la zone satur e ou un horizon de plus faible perm abilit au cours de la pluie Ces param tres peuvent tre reli s ceux du mod le de Green amp Ampt Morel Seytoux 1988 Morel Seytoux 1989 Cependant il s agit d un modele d volution du taux d infiltration l chelle de la parcelle ses param tres peuvent perdre leur sens physique lorsqu ils sont utilis s l chelle du bassin versan
91. l exutoire sont globales 235 Phenomenes physiques TOPMODEL mod lise la gen se de crues ob issant a la th orie des zones contributives satur es Le bassin versant est d coup en 3 zones selon la verticale e La surface du sol sur laquelle a lieu le ruissellement hortonien et le ruissellement sur zones contributives satur es e La zone racinaire qui stocke l eau de pluie en d but d pisode pluvieux et dans laquelle elle peut tre vapor e nous ne parlerons pas de cette zone dans la suite e La zone non satur e qui transfert l eau de pluie vers la zone satur e suivant la loi de Darcy Elle est compos e de la zone racinaire et de la zone non satur e a proprement parler e La zone satur e dans laquelle apparaissent des coulements lat raux Il ne s agit pas de la nappe p renne mais d une nappe temporaire ayant un fond imperm able Elle se vidange l exutoire en suivant une loi d exfiltration D finitions NOTATIONS e Act Surface des aires contributives satur es o a lieu le ruissellement e exp di t M avec TO M KO en premi re approximation avec Ko la conductivit hydraulique saturation et M le param tre de d croissance de ce profil avec le d ficit e LR la longueur du r seau hydrographique e Ai Aire drain e par le pixel 1 ensemble des points amont qui drainent vers 1 e Ti t Transmissivit du pixel i au temps t Deficit local Ce d ficit correspond a l
92. l hydrogramme que l on obtient pour la seule occupation des sols majoritaire 1V 2 1 2 2 Sensibilit de MARINE aux param tres d infiltration de Horton Nous avons test la sensibilit du mod le aux param tres de Horton r f renc s dans CANOE 1999 Nous faisons varier le coefficient P de 0 05 0 1 et le rapport entre fc et fo entre 1 sol humide et 4 sol sec Enfin la valeur de fc varie de 3 25mm h selon nos donn es 171 Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Horton Sensibilit au mod le d infiltration hortonien 700 MARINE OC3 amp Inf HN fc 600 MARINE OC3 amp Inf HN fc 0 003 fo 4 fc beta 0 05 MARINE OC3 amp Inf HN fo 500 MARINE OC3 amp Inf HN beta EN 300 D bit m3 s 200 100 0 10 20 30 40 50 60 Temps h Fig 107 Sensibilit au mod le de Horton Les courbes obtenues pour des variations des param tres fo et B sont toutes superpos es a cette chelle d observation Seule l hydrogramme obtenu en faisant varier le parametre fc se distingue des autres Un zoom sur les courbes qui semblent se superposer montre qu en fait elles pr sentent de l g res variations sur les courbes de mont e de crue Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Horton Sensibilit au mod le d infiltration hortonien 140 MARINE OC3 amp Inf HN fc 0 003 fo 4 fc 120 MARINE OC3 amp Inf HN
93. la fa on dont volue ce domaine pour une pr vision de pluie plus faible Ainsi pour une pluie pr vue de 5 mm h une largeur de rigoles de 50m repr sentative d un coulement en nappe une longueur d tablissement de la taille du pixel 50m les crit res conduisent Fig 84 Domaine de validit de l OC en blanc valu a priori pour une pluie plus faible Ceci voudrait dire que pour une pluie d intensit plus faible le domaine de validit de londe cin matique est quasiment inchang Attention cependant les processus physiques intervenant pour des pluies faibles ne sont plus les m mes que ceux des crues clair En particulier les longueurs de ruissellement diminuent fortement voire deviennent inexistantes et l estimation des nombres adimensionnels telle que nous l avons r alis e est biais e Nous avons mis l hypoth se que la longueur d tablissement tait la longueur du pixel ce qui constitue une grossi re approximation des processus agissant petite chelle Qu en est il si cette longueur varie Nous avons trac le domaine de validit de OC pour des longueurs d tablissement plus courtes les autres caract ristiques restant inchang es pour une pluie pr vue de 10 mm h une largeur de rigoles de 50m repr sentative d un coulement en nappe une longueur d tablissement de la taille du pixel 25m 127 Fig 85 Domaine de validit de l OC en blanc valu a prior
94. la v g tation et de la densit du couvert v g tal des conditions m t orologiques et particuli rement du vent et du type d v nement pluvieux Nous retiendrons pour un milieu temp r une hauteur d eau quivalente intercept e de l ordre du millim tre sur la surface occup e par la v g tation Cosandey amp Robinson 2000 Le pourcentage intercept diminue quand l intensit de la pluie augmente et quand le volume pr cipit augmente Ainsi devant la complexit et le manque de mesures de ces processus particuliers nous n gligerons ces ph nom nes dans la mod lisation des crues clair gt Musy A 2001 Cours d hydrologie g n rale Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne http dgrwww epfl ch HY DRAM e drologie chapitres chapitre 1 1 main html DRE 11 2 1 1 3 Fonction de transfert Importance du ruissellement superficiel sur un bassin mediterraneen Ribolzi et al 2000 ont tudi un petit bassin m diterran en de 0 91 Km Roujan H rault 60 Km l Ouest de Montpellier dont la v g tation est constitu e de vignes sur 80 de la superficie La g omorphologie est constitu e de l amont vers l aval de plateau avec des roches de terrasses en terre grasse de pieds de pente en terre grasse de d pression en argile L cart des altitudes vaut 50m Le r seau hydrographique y est important beaucoup de foss s et un grand foss principal l aval Le climat est m
95. les processus naturels jusqu aux mod les en passant par les donn es 104 Pla ons nous dans le champ des processus physiques et consid rons un point de mesures x La grandeur mesur e en ce point occupation du sol altitude pluie peut tre repr sent e par une variable al atoire V x La probabilit pour que V soit gale a v est d finie par une densit de probabilit f v Par exemple Sivapalan amp Bloschl 1998 approchent la distribution de probabilit par des lois exponentielles ou gamma de la forme Ta Va 22 ATALA 13 A a Dans cette expression le param tre ua correspond a la moyenne de la variable al atoire On peut alors d finir la moyenne et les probabilit s conditionnelles et inconditionnelles Marceau et al 1994 a observ que la moyenne spatiale ne subissait pas de modification notable avec le changement d chelle Cette moyenne l chelle des processus est not e Up Ces fonctions sont utilis es en particulier pour la comparaison entre des donn es ponctuelles et moyenn es pluies du pluviogrammes et du radar par exemple Ensuite sont d finies la variance la covariance et la corr lation Ces notions vont nous renseigner sur la ressemblance entre deux variables al atoires en fonction de leur distance En moyenne si l on consid re deux variables elles vont d autant plus se ressembler qu elles seront proches l une de l autre Structuration spatiale des donn
96. lors qu il existe une diff rence entre la pression saturante de la vapeur d eau et la pression de vapeur d air au dessus de la surface liquide Llamas 1993 Afin d valuer les ordres de grandeurs des flux concern s dans le cas des crues clair nous utilisons la formule de Penman 1956 1963 en gardant a l esprit que les vents observ s ont souvent t violents A R LEA ETP avec LEA ei A ul 1 Y avec ETP l vapotranspiration potentielle maximale Rnet le rayonnement net y la constante psychrom trique A la pente de la courbe de tension de vapeur saturante LEA e_ 0 26 1 0 54 V Musy A 2001 Cours d hydrologie g n rale Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne http dgrwww epfl ch HY DRAM e drologie chapitres chapitre 1 1 main html ITa le pouvoir vaporant de l atmosph re qui est le produit d un d ficit hydrique de I atmosphere et d une fonction vent Nous pouvons utiliser cette formule pour estimer l ETP journali re en fonction du temps Pour une journ e printaniere ensoleill e dans le sud de la France avec des vents pouvant atteindre les 100 km h nous trouvons des valeurs comprises entre 4 et 14 mm j Ces valeurs sont maximales lors d une averse les gradients de vapeur d eau sont r duits et des lors ETP diminue de fa on consid rable Notons qu en moyenne sur l ann e l vapotranspiration est de l ordre de 1 mm j dans une r gi
97. mais tout de m me un peu au dessus de cette limite sugg r e par l observation Les mailles que nous utilisons correspondent une description grillag e impos e par la technologie de la t l d tection Elles ne correspondent pas aux processus physiques et ne repr sentent donc pas forc ment une homog n it hydrologique Les rigoles existent sur toute une gamme d chelles depuis une chelle tr s fine jusqu une macro chelle Le choix d une chelle minimale en de de laquelle les processus sont homog n is s est n cessaire Ce seuil a t dict par les variabilit s apparentes de la description g om trique retenue MNT qui ne voit pas les rigoles de petites chelles Afin d tre davantage repr sentative de la physique des processus mis en jeu elle devrait correspondre une unit l mentaire hydrologiquement homog ne Une autre hypoth se d tablissement de l onde cin matique consiste n gliger l impact des gouttes de pluie sur la surface ruisselante Toutefois des exp rimentations sur mod le r duit ont montr que celui ci provoque une dissipation d nergie cin tique qui peut se traduire par un accroissement apparent des coefficients de rugosit de 30 50 Notons aussi qu un coulement en r gime permanent peut tre d crit par une quation en vitesse de la m me forme que celle de l onde cin matique avec un exposant pour la hauteur de la lame d eau variant avec le nomb
98. n taient pas t l transmises certains mod les seraient alors dans l incapacit de fournir une r ponse tandis que d autres ne seraient pas affect s par cette panne De ce fait la pr vision du multi mod le fournit toujours un r sultat provenant d au moins un mod le Il arrive m me dans certains cas qu il y ait plusieurs multi mod les pour une m me station l op rateur a alors acc s deux pr visions distinctes A l int rieur d un multi mod le les mod les peuvent travailler soit en parall le soit en s rie En parall le les donn es d entr es sont communes tous les mod les en s rie les donn es d entr es des uns sont les r sultats fournis par les autres on fait des pr vision sur plusieurs pas de temps L inconv nient de travailler en s rie est que plus les s ries sont longues donc plus les pr visions se font longue ch ance plus les r sultats se d gradent Pond ration des r sultats Pour former une hauteur pr visionnelle partir des diff rentes hauteurs fournies par les mod les l mentaires le multi mod le value deux poids 230 e un poids statique c est a dire une variance calcul e lors du calage des mod les va pond rer une premiere fois les r sultats Certains mod les sont consid r s comme plus r alistes que d autres quelque soit la situation hydrologique e un poids volutif traduit la fiabilit du mod le pour un v nement donn a un
99. notre mod lisation mais de d finir le changement d chelle minimal que doit franchir notre mod lisation afin d tre consid r e comme rigoureusement repr sentative de la physique des processus Nous ne pr tendons pas apporter de r ponse cette nouvelle question dans cette th se cependant nous noterons que plusieurs analyses nous ont conduits la m me r flexion Ces remarques ne remettent pas en cause la mod lisation du ruissellement telle qu elle a t pr sent e ici et qui est bien souvent utilis e Liu amp Todini 2002 pour ne citer que ce dernier toutefois nous pensons que le modele que nous avons choisi pour ses origines physiques et rationnelles serait utilis a meilleur escient s il tait appliqu a un maillage correspondant a des surfaces l mentaires repr sentatives hydrologiquement homog nes D un autre c t la r solution locale ici r alis e est une porte ouverte au couplage d autres processus physiques jusqu ici n glig s ou bien la mise en cascade de mod les amont mod les sous mailles par exemple qui pr ciseraient le fonctionnement d une unit repr sentative du mod le et relaxeraient ainsi bons nombres d hypoth ses d tablissement de ce mod le 111 3 2 Mod les d infiltration de MARINE De fa on g n rale l infiltrabilit d un sol homog ne au cours d une pluie d intensit constante peut tre repr sent e par une courbe dont l allure caract
100. nous nous contenterons de 5 classes diff rentes de type eau urbain prairie vignes garrigues et bois par exemple pour l Orbieu IV 1 2 Calage des mod les d infiltration MARINE versant IV 1 2 1 Coefficient de ruissellement constant Le tableau suivant donne quelques valeurs de ce coefficient d coulement On comprend ainsi que l utilisation du sol dans un bassin influence norm ment le comportement hydrologique Le passage d un type de culture a un autre peut modifier consid rablement les contraintes en termes d am nagement et d hydraulique et augmenter les risques d inondation en aval lt 0 5 0 03 0 10 0 20 0 5 5 0 12 0 15 0 22 5 10 0 23 gt 10 0 28 lt 0 5 0 03 0 5 5 0 07 5 10 0 15 gt 10 0 20 lt 0 5 0 23 0 5 5 0 27 5 10 0 33 gt 10 0 45 lt 0 5 0 33 0 5 5 0 37 5 10 0 43 gt 10 0 55 0 92 Tab 25 Coefficients de ruissellement pour diff rentes conditions g ographiques d apr s Mallants amp Feyen 1990 tableau simplifi argileux imoneuse l RERGRAGGERERReE IV 1 2 2 Concept hortonien de l infiltration Les param tres du mod le d infiltration hortonien d pendent des caract ristiques physiques du sol porosit de sa teneur en eau de sa couverture v g tale de la dimension 159 des gouttes de pluie de la temp rature Ils peuvent tre mesur s en laboratoire in situ ou issus de la litt rature Nous avons retenu les param tres
101. par Maidment 1993 soit Sf 0 2088m porosit 0 464 La conductivit hydraulique a d tre ajust e a 1 5mm h et I humidit initiale a d tre cal e 0 0 courbe GA 2 sur le graphique Nous avons aussi test un sol de type limon argile sable soit Sf 0 2185m porosit 0 398 La conductivit hydraulique a d tre ajust e 1 5mm h et l humidit initiale a d tre cal e 0 0 courbe GA 1 sur le graphique Ainsi le mod le de Green amp Ampt pr sente 2 param tres de calage la conductivit hydraulique et une condition initiale l humidit qui doivent tre cal es La valeur de conductivit hydraulique tant coh rente avec les plages de variations de cette grandeur que nous avons nonc es pr c demment Nous n avons pas envisag dans cette th se d obtenir cette valeur d humidit initiale par des simulations ext rieures MARINE II est toutefois possible dans une optique de pr vision en temps r el de simuler plusieurs courbes avec diff rentes valeurs d humidit initiale et de se recaler sur la courbe qui co ncide le plus aux observations Bien s r il serait possible d affiner ce calage a posteriori partir des observations une fois la crue pass e mais ceci ne constitue pas notre voie de recherche Ainsi les tests r alis s sur le bassin versant de l Orbieu pour la crue de novembre 1999 montrent qu il est possible partir d informations sur la morpho topographie du ter
102. param tres est ensuite r alis e par une exploration statistique de l ensemble du domaine de d finition de ces param tres Celle ci est r alis e l aide du logiciel GLUE qui r alise des simulations de Mont Carlo Le crit re d optimisation retenu peut tre de diff rentes natures nous avons opt pour l efficience Nash en s assurant de la conservation des volumes mais ce choix ne sera O pas sans cons quences sur les r sultats des simulations Dans le cas o d autres crit res seraient utilis s lors du calage ils seront alors pr cis s 11 2 3 2 2 Crues de 1995 dans le Gard Calage de TOPMODEL sur la crue a modeliser La proc dure de mise en uvre de TOPMODEL est telle que d finie ci dessus Dans chacun des cas pr sent s ci dessous nous avons cal les 5 param tres du mod le sur une crue partir des observations de cette m me crue et selon la m thodologie pr c demment d crite Crue du 3 10 95 a Saint Hippolyte du Fort La premi re simulation traite de la crue du 3 10 95 a Saint Hippolyte du Fort Rappelons sommairement les caract ristiques de cet v nement CRUE 3 10 95 Intensit maximale de la pluie 62 mm h D bit maximum 408 m s Tab 7 Pluie du 3 10 95 Saint Hippolyte du Fort Soit un d bit sp cifique maximum de 8 16 m s km Les param tres cal s obtenus sont les suivant e M 0 09 m taux de d croissance de la conductivit du sol avec son d ficit e LnT
103. peut se faire par deux m thodes distinctes l une utilise les Statistiques afin de caract riser la variabilit naturelle des processus et par suite de fixer une chelle d observation qui rende compte de cette variabilit alors que l autre totalement exp rimentale int gre les contraintes li es aux moyens de mesure dans la caract risation des chelles A partir de ces deux m thodes et de r sultats fournis par la litt rature nous en d duirons les ordres de grandeur des chelles des diff rentes donn es de notre modele 111 2 3 3 1 Analyse statistique des chelles des donn es Probl matique statistique Id alement chaque processus devrait tre envisag et mod lis selon sa propre chelle celle de sa variabilit naturelle Cependant les objectifs finaux de la mod lisation que nous envisageons nous permettent de d finir une incertitude tol rable sur les r sultats qui peut tre traduite par le biais de proc dures de changements d chelles et de statistiques par la d finition d chelles de travail maximales plus larges que celles des processus naturels mais adapt es nos besoins Nous faisons l hypoth se que cette m thode va nous permettre de passer de l chelle des processus naturels celle des donn es puis celle du mod le en supposant que les processus naturels sont continus spatialement Processus naturels Mesures Mod les O O OCW Fig 70 Changement d chelles depuis
104. plupart situ es dans des r gions o l annonce des crue peut y tre assur e les observations de ces v nements font quelquefois d faut ou bien ne sont pas suffisamment fiables _ 61 11 2 3 Application de mod les hydrologiques existants sur des crues eclair Dans ce chapitre nous nous int ressons aux mod les hydrologiques existants susceptibles de pouvoir reproduire des crues clair mais aussi capables de fonctionner en mode de pr vision op rationnelle Bien s r il existe bien d autres mod les auxquels nous ne ferons m me pas allusion car comme le rappelait Ambroise 1998 il y a presque autant de modeles que d hydrologues Nous nous pencherons donc sur des modeles tr s diff rents les uns des autres tant par les processus qu ils mod lisent que par leur finalit Apr s une premi re description de ces mod les nous mettrons en oeuvre ceux d entre eux qui sont disponibles et qui semblent correspondre nos objectifs 11 2 3 1 Presentation de quelques mod les existants susceptibles de r pondre notre probl matique 11 2 3 1 1 Sophie l outil op rationnel Depuis 1989 la DIREN31 avec l aide du CERGRENE dans un premier temps a implant de fa on op rationnelle le mod le SOPHIE sur le bassin sup rieur de la Garonne SOPHIE est un outil op rationnel de pr vision des crues en temps r el qui pr sente une interface homme machine pratique et simple d utilisation Lorsque les c tes cri
105. pour une pluie pr vue de 10 mm h une largeur de rigoles de 50m repr sentative d un coulement en nappe une longueur tablissement de la taille du pixel 50m les crit res deviennent S gt flowacc gt seuil2 1 22 10 35 flowacc S lt seuill 2 65 10 Nous obtenons le domaine de validit de la mod lisation du ruissellement superficiel par l onde cin matique suivant Fig 81 Domaine de validit de l OC en blanc valu a priori pour le bassin de Lagrasse Nous observons que l Orbieu son affluent principal et quelques points isol s situ s dans des zones tr s plates ne r pondent pas aux crit res d application de ce mod le 125 Etant donn que nous avons estim ce domaine par des ordres de grandeur nous allons tester la sensibilit de ce domaine a diff rents facteurs intervenants dans nos calculs Tout d abord une tude de sensibilit des seuils associ s aux deux nombres adimensionnels est envisag e Nous conservons les caract ristiques du bassin du ruissellement et de la pluie mais nous observons le comportement du domaine de validit pour les valeurs de seuils suivantes DO EEA n Fig 83 Sensibilit du domaine de validit de l OC en blanc pour les seuils 10 et 20 126 Les domaines de validit ainsi obtenus excluent les points du cours d eau principal ainsi que un ou deux de ses affluents suivant les seuils choisis Ensuite analysons
106. principale pour le MNT SPOT Les trois figures qui suivent repr sentent les hydrogrammes de crue simul s a diff rents endroits du Thor pour les deux MNT Q t Bief 50 1400 1200 ce IGN 25m 1000 SPOT 25m Flow m s 0 5 10 Time h 15 20 25 30 198 1400 Q t Bief 60 ne IGN 25m SPOT 25m Flow m s 0 5 10 Time h 20 25 30 Q t Bief 96 1200 GL IGN25m SPOT 25m Flow m s Time h Fig 142 Hydrogrammes de crue pour diff rentes positions le long du Thor en amont juste apres la confluence avec I affluent principal et en aval Les hydrogrammes ainsi obtenus sont semblables bien qu ils pr sentent quelques diff rences tout en amont du bassin Les volumes et volutions temporelles des deux simulations sont tr s proches le volume cumul l exutoire est de 4 62 10 m pour le MNT IGN et de 4 56 10 m pour le MNT SPOT diff rence n gligeable au vue de l ampleur de la crue due d une part la quantit d eau pr cipit e sur le km de diff rence des aires du bassin versant et d autre part au traitement des MNT bouchage de trous Ainsi la pr vision hydrologique de crues type crue clair l exutoire du basin n est pas particuli rement affect par la nature du MNT le r le int grateur du bassin versant 200 km
107. rae 600 30 500 2 C 40 s g j E z 400 50 bs g 300 e Fee 70 e 200 ee L 5 E 80 100 e Cece eooo Pa 0 eeeeee 100 10 3 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 5 1995 10 5 1995 19 12 0 00 4 48 9 36 14 24 19 12 0 00 4 48 Fig 39 Hydrogrammes de crue observ s dans le Gard pour les v nements de 1995 Les d bits sp cifiques des pics de crue de ces v nements sont respectivement de 8 4 3 6 3 2 m s km La DDE30 fournisseur des donn es a d j travaill sur la mod lisation de ces v nements Bressand 2001 constate que de fa on g n rale ces bassins se comportent de la fa on suivante e Les pluies l infiltration et le ruissellement superficiel qui se produisent sont fortement h t rog nes e Le sch ma hortonien a fourni des r sultats int ressants il semble bien adapt ce site e L organisation spatiale des bassins est correctement retranscrite par le MNT mis notre disposition Notons que certains des bassins tudi s peuvent pr senter des terrains karstiques par endroit 11 2 2 4 Bilan Nous avons donc rassembl dans cette partie toutes les informations recueillies concernant les crues que nous allons tudier par la suite Notons qu il s agit exclusivement de bassins versants du Sud de la France de taille relativement petite lt 1000km2 Les crues retenues sont rapides voire clair et de fait bien que pour la
108. rien un r sultat g n ralisable Estupina Borrell V Chorda J amp Dartus D 2003 Comparison of flash flood forecast with IGN and SPOT DEM with MARINE model ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing soumis 188 IV 2 3 2 1 Les donn es Pour cette tude particuli re nous avons travaill sur l v nement des 12 et 13 novembre 1999 et plus pr cis ment sur le bassin versant du Thor Il s agit d un bassin situ au Nord de celui de l Aude succinctement pr sent dans cette partie il n appara t pas dans le chapitre sp cifique la pr sentation des v nements exceptionnels du fait du manque d observations toutefois cette lacune ne g ne en rien l tude de sensibilit qui suit Les MNT utilis s Deux MNT ont t utilis s dans cette tude e MNT IGN BD TOPO d une r solution horizontale de 25m e MNT SPOT 4 d une r solution horizontale de 20m Le bassin versant concern est celui du Thor Sud de la France dont la superficie avoisine les 200 km L altitude du basin varie entre 215m et 1170m source IGN Le bassin est tr s encaiss au Nord par des gorges abruptes Fig 126 MNT SPOT du basin du Thor La pluie Il s agit d une lame d eau HY DRAM issue d une banque de donn es de M t o France Rainfall fall heigh mm o ND wo A a D N o Fig 127 Pluie tomb e sur le bassin du Thor La pluie cumul e sur 48 h
109. rieure ou gale au temps de concentration En effet Saghafian amp Julien 1995 expliquent que si la dur e de la pluie est sup rieure au temps de concentration du bassin alors le d bit de ruissellement superficiel augmente lin airement avec l intensit de la pluie les m thodes rationnelles ou de l UH hydrogramme unitaire sont applicables Au contraire si la dur e de la pluie n est pas suffisante alors des hydrogrammes d quilibre partiel sont obtenus et la relation entre la pluie et le d bit n est plus lin aire Il existe donc une chelle temporelle minimale en de de laquelle ce concept n est pas applicable e Le calage des isochrones selon le principe que le temps caract ristique d une ligne est proportionnel au temps d quilibre via le rapport des longueurs Maidment 1993 Kull amp Feldman 1998 implique qu il est conditionn par le comportement global du bassin et par la distance de cette ligne l exutoire seulement On perd alors les notions d h t rog n it s spatiales de la rugosit du sol de la pente ou encore de la lame d eau e Saghafian amp Julien 1995 remarque aussi que la position du point le plus loign temporellement de l exutoire varie avec la distribution de la pluie Ainsi si longueur de ruissellement maximale et temps de concentration du bassin varient avec cette r partition alors le passage entre l chelle du bassin et celle du pixel n est plus lin
110. sa construction elle contient un effet d chelle et un effet d agr gation Marceau ef al 1994 Dans les diff rentes applications de MARINE que nous avons r alis es dans cette th se les donn es spatiales ont t syst matiquement privil gi es toutefois le co t de leur 103 acquisition et de leur traitement a t un inconv nient qui nous a parfois amen a utiliser des donn es plus classiques Nous avons donc utilis la t l d tection pour les informations suivantes e les lames d eau pr cipit es M t o France e le relief du bassin DEM e occupation du sol du bassin Landcover e larugosit des cours d eau principaux Roughness Les autres types de donn es n cessaires au fonctionnement de MARINE sont fournis par des mesures ou observations in situ Les donn es issues de observation satellitale sont d finies pour toute la surface du bassin par un maillage r gulier constitu de pixels carr s qui d finit l chelle du support des donn es Les donn es non issues de l outil spatial seront spatialis es suivant chelle du support du mod le 111 2 3 3 Les techniques d analyse des chelles de donn es Les donn es ou observations sont suppos es tre repr sentatives des processus naturels une chelle qui n est pas la leur La d termination d une chelle acceptable d observation des processus va pr ciser chelle des observations Cette d termination
111. satur e Dans le cas d un sol stratifi macro pores de la couche de sol sup rieure et existence d interface l eau s accumule a l interface et sature la couche sup rieure Il y a alors coulement lat ral souterrain nappe perch e temporaire Si cette nappe gonfle et affleure 1l y a exfiltration et refus d infiltrer l eau de surface Ce fonctionnement quasi tout ou rien est fortement non lin aire bien qu il puisse tre lin aire dans le cas de faibles pluies lorsque le sol n arrive pas saturation La colonne de sol pourrait tre sch matis e par la juxtaposition d un milieu poreux homog ne r pondant la loi de Darcy g n ralis e prolong e par un r seau de macropores anisotropes drainant l eau suivant le principe gravitaire Les conductivit s lat rale et verticale different donc de un a deux ordres de grandeurs D apr s le concept des aires contributives satur es le versant est d fini par sa capacit d engorgement c est dire par sa capacit se saturer plus ou moins facilement Il s agit du rapport entre la capacit drainer de l eau a l amont et la capacit vacuer l eau en souterrain vers l aval Beven amp Kirkby 1979 les versants ainsi que le voisinage des rivi res seront les premiers concern s Le sol peut tre tr s rapidement satur et l eau de surface se mettre ruisseler totalement Dans la couche sup rieure du sol un coulement hypodermique appara
112. scientifique et Technique Paris vol Publications Soci t Hydrotechnique de France 65 76 Ducuing J Grazzini F Robert de Saint Vincent A Estupina Borrell V Dartus D Alquier M amp Goutorbe J 2003 Improving flood management by use of space techniques advanced modeling and information system technology International Conference on Advances in Flood Forecasting in Europe poster Ed R3395 W D H R Rotterdam The Netherlands vol book of abstracts 57 poster Dunne T 1983 Relation of field studies and modelling in the prediction of storm runoff J Hydrol 65 25 48 Dunne T Moore T R amp T C H 1975 Recognition and prediction of runoff producting zone s in humid region Journ Sci Hydrol 3 305 327 Durand P Robson A amp Neal C 1992 Modelling the hydrology of submediterranean montane catchments Mont Loz re France using TOPMODEL initial results Journal of Hydrology 139 1 14 Esteves M Faucher X Galle S amp Vauclin M 2000 Overland flow and infiltration modelling for small plots during unsteady rain numerical results versus observed values Journal of Hydrology 228 3 4 265 282 sage Estupina V Gonzales G Alquier M Chorda J Dartus D Le Guennec B amp Maubourguet M M 2000 Les risques d inondations cartographie des al as Rapport n tome 1 3 Resaerch Contract CNES programme ADEMA2000 SCOT IMFT Toulouse Estupina Borrell V amp Dartus D 2003
113. sultant deux niveaux e au niveau du calage temporel de l hydrogramme de crue En effet on constate un d calage de 1h sur la date d arriv e du pic de crue que l on retrouve d ailleurs d s le d but de la courbe de mont e de crue Cet cart correspond environ 4 d erreur sur la dur e de la mont e de crue e au niveau de l amplitude maximale de celui ci d environ 25 d cart L hypothese de stationnarit des isochrones a donc bien un impact sur l hydrogramme de crue tant que la pluie tudi e volue temporellement Il peut tre int ressant de se poser la question de la n cessit de relaxer cette hypoth se L impact de cette hypoth se se fera sentir pour des pluies dont l volution temporelle est marqu e Dans une optique de pr vision en temps r el des crues il semble difficile de pr voir l avance l volution temporelle de l v nement a venir Par pr caution 1l faudrait donc la relaxer Cependant devant la relativement faible r percussion sur les r sultats de cette hypoth se l introduction d un chevelu de pr vision pourrait tre tout aussi satisfaisant il s agirait de r aliser plusieurs simulations en parall le pour diff rentes lames d eau Cette solution pr sente un avantage consid rable en gain de calcul ainsi qu une vision priori des sc narios possibles en fonction du cumul probable de la pluie De plus il est possible d introduire une fonction r
114. sultat fourni ne peut tre appr ci e que par rapport une r f rence qui est en l occurrence observation de la c te d eau ou l estimation de d bits elle m me bien peu fiable et pr cise pour ce type de crue L information fournie doit tre pertinente au sens de la pr vision des crues Les temps de calculs doivent donc tre compatibles avec les contraintes de la pr vision en temps r el les simulations doivent tre termin es avant que de nouvelles donn es pluvieuses ne soient disponibles et les r sultats obtenus doivent nous renseigner sur certaines caract ristiques de l hydrogramme de crue Une attention particuli re sera accord e la courbe de mont e de crue en termes de date de d but de mont e de crue date pour laquelle la c te d alerte est atteinte date et valeur du pic de crue 111 2 3 Analyse des chelles des donn es disponibles 111 2 3 1 Particularit s des donn es teledetectees Puech et al 2004 Les donn es tant issues de la t l d tection les chelles auxquelles elles doivent tre observ es et les enseignements qu elles fournissent doivent tre tudi s avec pr caution Ainsi la mod lisation spatiale va s int resser des objets de l espace en interrelation les uns avec les autres La probl matique d chelle sur ces objets va faire appara tre un troisi me l ment l objet d tude ou unit de calcul On retrouve ainsi 3 r f rences d chel
115. t avec une vitesse fonction de la conductivit hydraulique verticale Dans cette th orie le volume d eau ruissel e correspond au volume de l coulement rapide de crue ainsi qu au volume de pluie tombant sur les aires contributives satur es Mais il ne s agit pas pour autant de la m me eau le ruissellement n est pas le m canisme dominant de la gen se de crue L intensit de la pluie ainsi que l occupation du sol n influencent en rien le ph nom ne l chelle du bassin versant Il y a connexion des zones contributives satur es entre elles au cours de l v nement Ces connexions brutales sont repr sent es par de fortes non lin arit s l chelle du bassin versant Le ruissellement se d veloppe donc de l aval vers l amont L augmentation de la lame d eau ruissel e entra ne localement une augmentation des vitesses mais pas globalement De plus la transition entre versant et bassin se fait par l introduction du r seau hydrographique Ceci sugg re donc un comportement plus lin aire et r gulier des bassins Aires contributives satur es et crues clair Ce fonctionnement par zones contributives satur es l chelle du bassin a d j t observ dans le cas de crues clair En effet Cosandey 1999 explique que ces crues c venoles sur le mont Loz re soudaines et brutales sont g n r es dans un premier temps par l extension des zones contributives satur es par l
116. tabul s propos s par Maidment 1993 Soil and cover fo mm h fe mm h B 1 min complex conductivit initiale conductivit finale taux de d croissance bare Standard agricultural 900 20 290 0 8 turfed 9 Eo od a bare 210 Fine sandy clay 670 turfed Tab 26 Exemple de valeurs pour ces param tres Tableau extrait de Maidment 1993 Ce mod le n cessite donc la connaissance de 3 param tres plus ou moins physiques Param tres du mod le de A caler pour tous les A caler pour chaque Horton v nements d un m me v nement RE OP Oo fo PX condition initiale es X S Tab 27 Param tres de Horton Nous avons compar la valeur du terme en exponentielle f f e celle de fc La somme des deux donnant la valeur de la vitesse d infiltration du sol Nous constatons que d s le premier pas de temps le quart d heure la valeur du terme en exponentielle devient n gligeable par rapport celle de la conductivit hydraulique saturation Ainsi les variations de la conductivit hydraulique en d but d v nement n ont qu une influence tr s faible sur les hydrogrammes de crue simul s Comparons ces valeurs de calage celles recommand es par CANOE 1999 Type de sol Capacit limite d infiltration Terres sableuses 15 25 mm h Terres lourdes 3 15 mm h Terres tr s argileuses Tab 28 Valeurs du param tre fc de Horton selon CANOE 1999 Les valeu
117. thode eul rienne Principe Dans le cas o l on observe une Dans le cas o l on observe une cascade d eau le suivi lagrangien cascade d eau le suivi eul rien consiste suivre chaque goutte d eau consiste observer les flux d entr e constituant la cascade le long de son et de sortie de la cascade travers parcours et ainsi de suite avec toutes une fen tre volume d observation les gouttes d eau constituant la cascade Cette observation se fait durant toute de fa on conna tre l tat de la la dur e de l coulement cascade dans son int gralit Pr d termination des chemins Bilans de masse horizontaux et potentiels de drainage pour tous les verticaux pour chaque pixel pixels du domaine point d impact de la pluie point d arriv e dans la rivi re principale temps de parcours Puis d termination des hydrogrammes Traitement suivi dans MARINE de crues par produit de convolution avec la pluie distribu e calcul temps r el D coupage de ruissellement en deux temps pr traitement d finition des chemins potentiels de drainage et r solution Avantages et la m thode de inconv nients Possibilit de complexifier les processus hydrologiques ais ment D gradation des chelles de convolution indispensable au travail suivant les cas au fonctionnement temps r el Possibilit de tester l importance et les cons quences d hypoth ses hydrologiques
118. travers de l Orbieu disponibles sont issus d observations terrain de photos de MNT et de donn es disponibles Ils sont sch matis s de la fa on suivante PPT TT TTT TTT TTT eee ey 148 571 125 714 135 114 286 91 4286 i 80 wi 68 5714 16 45 7143 34 2857 sd E 4206 7000 6000 623200 623150 623100 623050 623000 622950 2000 1000 Fig 10 Coupe en travers du lit de l Orbieu Lagrasse vers le Pont Neuf Barrau et al 2003 La rugosit du lit est relativement forte nous l avons valu e par un coefficient de Strickler compris entre 15 et 20 Gaume 2002 utilise d ailleurs pour un affluent de l Orbieu l aval de Lagrasse un coefficient de Strickler variant entre 20 et 30 Ces valeurs nous paraissent toutefois un peu lev es 30 Occupation des sols g ologie et nature des terrains L occupation du sol est interpr t e depuis une image LANDSAT TM du 20 11 99 fournie et partiellement trait e par la soci t SCOT Le d tail de ces traitements sera pr sent dans le chapitre IV calage Les classes th matiques r chantillon es sont ensuite regroup es en classes de comportements hydrologiques suppos s semblables Nous obtenons ainsi la carte d occupation des sols qui est utilis e par MARINE Nous avons ainsi notre disposition une image d occupation des sols comportant en 5 classes et r chantillonn a la taille du pixel du MNT 50m
119. tre r alis e Il s agit du m me genre d expertise tat degr diagnostic mais cette fois ci il concerne la surveillance du bassin tout entier Cette expertise est r alis e partir des expertises par stations appartenant ce bassin l tat et le degr sont ceux des stations les plus critiques et partir des donn es pluviom triques Bilan SOPHIE est un outil d aide la d cision pour la pr vision des crues en temps r el Il fournit des valuations sur la progression d une crue partir de donn es hydrologiques t l transmises trait es par une proc dure multi mod le Les r sultats obtenus sont proches de la r alit Toulouse par exemple les pr visions sont faites 6 heures L originalit de SOPHIE r side dans l utilisation de la proc dure multi mod le Celle c1 permet de gommer les effets de mod les qui ne fonctionneraient pas de fa on satisfaisante pour la crue consid r e La simplicit des mod les l mentaires utilis s pour les simulations permet aux op rateurs de r agir imm diatement pour apporter un jugement critique sur les r sultats fournis SOPHIE peut tre am lior e tout instant par Jl introduction de mod les suppl mentaires dans la proc dure multi mod le Il semblerait int ressant d introduire dans SOPHIE un mod le bas sur plus de consid rations physiques Un mod le m caniste c est dire d crivant les ph nom nes physiques de gen se et de prop
120. une heure de retard Toutefois les observations autour du pic de crue de l hydrogramme n tant pas fiables il est difficile de juger de la qualit de la simulation Quoiqu il en soit il semble d licat d anticiper a partir de mesures ou d observations physiques celles ci fussent elles disponibles les valeurs des param tres qui seront m me de simuler la crue a venir Crue clair de novembre 1999 a Lagrasse Etait il possible de simuler correctement cette crue par un calage direct Les valeurs des param tres cal s sur la crue clair Lagrasse sont e M 0 028 m taux de d croissance de la conductivit du sol avec son d ficit e LnTo 1 053 avec To en m7 h transmissivit de l paisseur de sol e SRmax 0 5 m profondeur du r servoir racinaire e SRinit 0 02 m perte du r servoir racinaire e ChVel 9350 m h vitesse de transfert superficiel effective TRE Pour une efficience de 0 65 la minimisation des fonctionnelles classiques prises en compte dans le logiciel conduisent des r sultats moins performants en terme d efficience que le calage manuel pr c dent Notons que la valeur des coulements superficiels manque de r alit physique Les param tres ont t cal s automatiquement de fa on maximiser l efficience et en respectant les volumes Observons la sensibilit des param tres sur les r sultats fournis par TOPMODEL 028 0 364 0 007 0 377 0 18 a 0
121. validit de la courbe de tarage peut bien s r tre discut e Celle ci tant construite partir de mesures de d bits relativement faibles et ne prend peut tre pas en compte toutes les modifications r centes du lit de la rivi re Comme nous l avons vu lorsque nous analysions les diff rentes d finitions des crues clair en d but de ce document les crues clair pourraient tre caract ris es par leurs d bits sp cifiques Le seuil toutefois n est pas net il s agirait de 4 fois le d bit d cennal de 9 m s km Minist re_Agriculture 1980 ou bien de 4 m s km Gaume 2002 Selon cet aspect de la d finition des crues clair il semblerait que la crue observ e a Lagrasse les 12 et 13 novembre 1999 n tait pas une crue clair Toutefois certains auteurs pr cisent que cette crue a t clair au vu de son tendue g ographique des d gats occasionn s des victimes de la rapidit de mont e des eaux mais pas forc ment au vu de la valeur des d bits de pointe observ s en certains endroits Cette derni re caract ristique constitue t elle une condition n cessaire la d nomination d une crue d clair _ 44 Dans tous les cas au vu de la difficult de caract riser une crue d clair ainsi qu au vu des caract ristiques de la crue tudi e nous la qualifierons dans ce document de crue clair _ 45 1 2 2 2 Bassin de l Aude a Narbonne crue des 12 et 13 novembre 1999 11 2
122. 0 2 S avec P Volume en exc s qui participe aux coulements superficiels P Pluie cumul e S Capacit maximum de r tention du sol Le param tre S d pend lui m me d un autre param tre appel Curve Number CN selon l quation suivante 25400 254 CN CN La figure ci dessous repr sente la sensibilit des r sultats au parametre CN T 700 e Observations 600 CN 45 CN 35 gt CN 40 400 CN 50 Q m3 s 300 200 100 Fig 61 R sultats obtenus avec SCS CN Ce mod le empirique est tr s facile caler La valeur optimale du CN obtenue est de 45 40 ce qui ne correspond pas la valeur du CN recommand e pour le type et l occupation du sol tudi de l ordre de 80 Contrairement aux autres mod les d infiltration test s pr c demment la mont e de crue n est pas la partie de l hydrogramme de crue la plus sensible ce param tre Adaptation d un mod le de ruissellement Snyder unit hydrograph UH Cette m thode se base sur le principe de l hydrogramme unitaire Snyder d finit celui ci a l aide des caract ristiques du bassin _ 88 La valeur du lag time T dur e entre le centroide de la pluie et le d bit de pointe de l hydrogramme peut tre d finie par la formule suivante 0 3 n T 0 75 C LL avec Cr Coefficient du bassin L Distance entre la limite du bassin et l exutoire Lc
123. 14 24 19 12 0 00 temps Fig 146 Comparaison de MARINE amp TOPMODEL cal s sur une autre crue L Efficience Nash 06 04 Coefficient de Corr lation R 0 69 Tab 36 Valeurs des crit res pour les simulations Alors que TOPMODEL sous estime cette crue MARINE exag re les variations de la courbe de mont e mais reproduit correctement le paroxysme de la crue Notons que TOPMODEL peut tre plus performant en tant cal directement sur cette crue chapitre II D autres essais de calage ont t r alis s sur MARINE nous avons obtenus 208 Hydrogramme a Saint Hippolyte le 13 10 1995 Ko 75 mm h Hmax 100 200mm Hini 50 Hini 100 et pluie abattue de 0 5 Ko 20 mm h Hmax 100 200mm Hini 50 300 0 r 0 000 10 000 250 0 20 000 30 000 oe EM hy to mm h e d bits observ s 40 000 150 0 50 000 MARINE coef de ruissel cte MARINE horotn1 100 0 MARINE horotn 2 d bits m3 s pluie mm h 60 000 70 000 80 000 50 0 90 000 0 0 100 000 10 13 1995 10 13 1995 10 13 1995 10 13 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 15 1995 4 48 9 36 14 24 19 12 0 00 4 48 9 36 14 24 19 12 0 00 temps Fig 147 Essais de calage de MARINE MARINE Cr MARINEHI MARINE H2 Efficience Nash 06 0 15 066 Coefficient de Corr lation R Tab 37 Valeurs des crit
124. 2 IV 1 4 Bilan sur l tape de pr d termination des param tres de MARINE 163 V5 Zz Sensible de MARINE Sn tt Sate ie tn eue 164 IV 2 1 Sensibilit aux mod les et ou param tres 164 IV 2 1 1 Sensibilit aux mod les de ruissellement 164 IV 2 1 2 Sensibilit aux mod les d infiltration MARINE versant 171 IV 2 1 3 Sensibilit au mod le de propagation 1D MARINE riviere 176 IV 2 2 Sensibilit la distribution spatiale de la pluie 180 IV 2 2 1 Lames d eau issues du radar m t orologique et pluviographes 180 IV 2 2 2 Pluie distribu e par le radar m t orologique 182 IV 2 3 Sensibilit la r solution spatiale et la pr cision des MNT 184 IV 2 3 1 Influence de la r solution des MNT 185 IV 2 3 2 Influence de la pr cision des MNT cececccceeeeeeeceeeceeeeeeeeees 188 IV523 3 Conclusionde Cette CU tee a e 199 TV 2 Ae Bilan d s tests d Sensi Fle Sn a na Te 200 IV 3 Test de possibilit s d extension de MARINE cc ceeeeeesseeeeseeeeeeeeesseesseeeeeeeeeees 202 IV 3 1 Discussion sur les crit res d valuation d une simulation 202 TV 3 2 T stde validation sur Orbiewiicersiin nement 203 IV 3 3 Application de MARINE pour les crues rapides mais non clair sur de petits DASSINS versants SAFdOIS nn M nn ini 206 IVa Vis COMES CPODI C LR es a ent aie 206
125. 2 2 3 2 Crues survenues au cours de l ann e 1995 Pluie La pr sence de la cha ne des C vennes d un c t Mont Aigoual et l influence de la mer m diterran e de l autre Golf du Lyon r unissent les conditions n cessaires la g n ration de violentes pluies appel es pluies c venoles La pluviom trie fournie par le SAC du Gard est une pluviom trie radar Elle fournit les intensit s pluvieuses toutes les 6 minutes avec une r solution de 1 km Ces mesures radar n cessitent une correction par des relev s classiques de pluviom trie sur le terrain afin de fournir une information suffisamment fiable et utilisable Toutefois l erreur commise par le RADAR sur les intensit s pluvieuses diminue lorsque l v nement est intense ce qui correspond nos v nements Les v nements notre disposition sont ceux du 04 10 1995 et du 14 10 1995 Ces v nements peuvent tre consid r s comme tr s intenses car ils repr sentent suivant les bassins des pr cipitations comprises entre 130 et 231 mm mesur es sur moins de 48 h Hy tographe de la pluie du 03 10 1995 Saint Hippolyte du Fort 60 000 50 000 40 000 intensit pluvieuse mm h 30 000 20 000 10 000 0 000 10 3 1995 18 00 10 3 1995 20 30 10 3 1995 23 00 10 4 1995 1 30 10 4 1995 4 00 10 4 1995 6 30 10 4 1995 9 00 10 4 1995 11 30 10 4 1995 14 00 10 4 1995
126. 2000 0 Fig 50 Sensibilit des r sultats par rapport chacun des parametres de TOPMODEL Ainsi le param tre SRmax est insignifiant Les autres param tres peuvent avoir une influence cons quente sur la valeur de l efficience Trois d entres eux pr sentent des valeurs seuils au del desquelles une modification de la valeur aurait peu d influence sur les r sultats Nous retiendrons donc plut t une valeur de ChVel de 3600m h plus physique Voici l hydrogramme obtenu pour la crue clair Lagrasse iy om Crue de novembre 99 a Lagrasse TOPMODEL 600 0 500 0 m observations Simulation ChVel 3600 400 0 Simulation m 300 0 d bit m3 s 200 0 100 0 0 0 11 12 1999 0 00 11 12 1999 9 36 11 12 1999 19 12 11 13 1999 4 48 11 13 1999 14 24 11 14 1999 0 00 11 14 1999 9 36 Fig 51 Hydrogramme de la crue de l Orbieu en 1999 Lagrasse obtenu avec TOPMODEL Bien que la valeur de l efficience soit faible l hydrogramme simul pr sente une courbe de mont e de crue satisfaisante Celle ci pr sente une forme et une dur e concordantes aux observations Le d bit maximum est bien anticip avec une avance d environ Ih La c te d alerte fix e 2 m soit pour un d bit d environ 80 m3 S est atteinte un peu avant 17h les simulations la pr voient pour un peu apr s 18h alors que les pluies prises en compte sont les pluies observ es et non
127. 26 V2 2 INVESUS ALON p t echelle dima 226 V 2 2 2 Assimilation de donn es l chelle du bassin cccceeeeees 227 ANNEXES ad mine intel tint di nn ie 229 BIBLIOGRAPHIE SR vee eon and dap ee gaa es 245 10 I Chapitre I Introduction generale 1 1 Contexte des inondations et de la gestion des risques La gestion de l eau est d une importance capitale dans le d veloppement de l occupation du territoire elle pose des probl mes d usage de p nurie et d inondation Nous nous sommes int ress a ce dernier probleme qui constitue une des catastrophes naturelles qui touchent le plus de communes en France On comptabilisait entre 1982 et 2001 hors crues de 1999 54 672 occurrences de ce type crues et inondations sur 24 269 communes IFEN 2002 On se trouve confront un probl me de gestion de risque De fa on classique l analyse d un risque consiste faire une synth se entre l al a le ph nom ne g n rateur du risque et la vuln rabilit les inconv nients potentiels Alors que l analyse de la vuln rabilit est du ressort des sciences socio conomiques l analyse de l al a est du ressort de l analyse m t orologique et de l analyse hydrologique La gestion du risque d inondation peut se d composer en trois phases e La d cision d occuper un territoire constitue la phase pr liminaire de la gestion du risque dite phase de pr vention Les
128. 4 et IGN BD TOPO Cette partie de l tude est une tude comparative de la topographie des deux MNT Les MNT sont utilis s sous leur version brute Les r solutions horizontales des deux MNT sont tr s proches 20m pour le MNT SPOT et 25 m pour le MNT IGN Dans un premier temps nous les r chantillonnons de fa on avoir exactement les m mes r solutions La m thode de r chantillonnage est celle de ArcView resampling avec une m thode bilin aire Nous avons utilis les points g od siques de IGN pour avoir une premi re id e des diff rences d altitude entre les MNT Ces points sont g or f renc s et la pr cision sur leur altitude est au pire gale a 0 1 m Certains de ces points sont des points particuliers sommet du clocher d une glise sommet d une colline Nous ne les utiliserons donc pas La diff rence moyenne d altitude entre ces points de r f rence et le MNT IGN est de 0 45 m et entre ces points et le MNT SPOT est de 3 81 m Bien que le MNT IGN soit construit en tenant compte de ces points il existe une petite diff rence en altitude Ceci s explique par la nature discr tis e suivant un maillage r gulier du MNT La diff rence entre altitude de ces points et du MNT SPOT est principalement due au fait que le MNT SPOT n est pas un MNT mais un MNE Mod le Num rique d El vation Ce qui signifie que les altitudes du MNT SPOT sont en fait les altitudes du sursol et non pas du sol Dans
129. 5 4 P P 20 3 f CN aP a P bP P cP cP d Co O a EP Pek ary k lt lt PF 26 En terme de variabilit les valeurs moyennes n interviennent pas soit 119 q P B gt O amp aOp Pa Pp gt 4 SAs 27 La lin arisation entra ne galit ie variabilit s entre donn es et sorties du mod le Ce qui se comprend puisque l on a t amen n gliger les variations par rapport a la valeur moyenne ce qui constitue une hypoth se erron e dans notre probl matique puisque la pluie l occupation du sol l altitude peuvent varier du tout au tout entre deux points de notre mod le Ces deux solutions n tant donc pas adapt es notre contexte nous affecterons l chelle du support du mod le la plus petite des chelles maximales des donn es Nous veillerons cependant ce que le mod le soit suffisamment sensible la variabilit de la donn e retenue Pour les autres variables d finies des chelles plus grandes que celle retenue cas des processus pr sentant une faible variabilit nous garderons une valeur constante sur plusieurs sous mailles Dans le cas o il existerait des variables d finies des chelles plus fines que celle retenue il faudrait alors utiliser des mod les sous mailles puis globaliser les r sultats obtenus l chelle de la maille Artan ef al 2000 propose de moyenner les donn es du MNT et de conserv
130. 947779 0 474288 0 001000 Free surface flow for a smooth major bed Water elevation m Free surface flow for a rough major bed standard deviation 1 m Fig 118 1 R sultat sans bruit 2 Bruit de 0 50m en moyenne 3 Bruit de Im en moyenne Ainsi au vu de ces r sultats il semblerait que la connaissance du lit mineur doit tre suffisamment fine pour ne pas influencer nos mod lisations et bien que la pr cision de l altitude du lit majeur peut tre moins bonne les MNT que nous utilisons ne sont pas toujours a m me de la fournir 179 IV 2 2 Sensibilit la distribution spatiale de la pluie Le mod le peut int grer selon les disponibilit s des pluviographes ou bien des lames d eau issues du radar m t orologique trait es par M t o France Dans le cas ou les donn es sont constitu es par des pluviographes nous avons cr une distribution spatiale des pluies l aide de la m thode de polygones de Thiessen lorsque nous disposions de plus d un poste sur le bassin Ces deux sources d informations fournissent donc diff rentes distributions des lames d eau pr cipit es dans cette partie nous en avons test les cons quences sur les hydrogrammes de crue a l exutoire des bassins lV 2 2 1 Lames d eau issues du radar m t orologique et pluviographes Les lames d eau radar se pr sentent sous la forme suivante Toulouse Radar 250 km Fig 119 Exemple de lame d eau radar uti
131. 99 CTU Stretegia HILL Fig 25 Les 3 images radar disponibles Nous disposons aussi d une image radar cumul e sur toute la p riode de l v nement 50 Legende H en mm Pas de pluie o lt lt 10 Cumul de pluie du 12 11 99 0600 au 14 11 99 0600 Strategis N 991106 Fig 26 Cumul de pluie sur tout l v nement Sur ces images nous constatons que l picentre de l v nement se situe au dessus de L zignan Corbi res Nous disposons aussi des images pr vues par M soNH qui est un mod le de recherche non hydrostatique pour la France mais qui ne fonctionne pas en pr vision op rationnelle Ces images sont disponibles toutes les 15mn avec une r solution horizontale de 2 5 Km durant 18 h couvrant l v nement MesoNH Aude novembre 1999 _ p mergan au TATE EEE LE EE Tee et ees Thee tee PR r ele et de be oes papi Til ie oy 7 T 4 LIT SE FAT ESSC 21 Qs RET wwz Ba EET bois li SRE GM o DIE Dko SNL IR Meos Le E F H eJ W LITE 31 200 1 782 F123 Fig 27 Extrait d une image de pluie calcul e par MesoNH pour la crue de l Aude en novembre 1999 Etat hydrique antecedent du bassin Le rapport de DIREN 1999 fournit des informations quant aux situations pluviom triques et hydrologiques des semaines pr c dant la crue de mi novembre Jusqu au 17 novembre 1999 le d but de l automne a t doux et humide en Languedoc Roussillon Des 5 pr ci
132. 990 Quantitative and qualitative aspects of surface and groundwater flow vol 2 Marceau D J Howarth P J amp Gratton D J 1994 Remote sensing and the measurement of geographical entities in a forested environment 1 The scale and spatial aggregation problem Remote Sensing of Environment 49 2 93 104 MATE 2000 Les crues des 12 13 et 14 novembre 1999 dans l Aude l H rault les Pyr n es Orientales et le Tarn Minist re de l Am nagement du Territoire et de l Environnement Inspection g n rale de l environnement Meentemeyer V 1989 Geographical perspectives of space time and scale Landscape Ecology 3 163 173 Mein R G amp Larson C L 1973 Modeling infiltration during a steady rain Water Resources Research 9 2 384 394 Mesa O amp Poveda G 1993 The Hurst effect the scale of fluctuation approach Water Resources Research 29 12 3995 4002 Minist re_Agriculture 1980 Synth se nationale sur les crues des petits bassins versants SRAE CTGREF Montz B E amp Gruntfest E 2002 Flash flood mitigation recommendations for research and applications Environmental Hazards 1 15 Moody A amp Woodcock C E 1995 The influence of scale and the spatial characteristics of landscapes on land cover mapping using remote sensing Landscape Ecol 10 363 379 Moore I amp Foster G 1990 Hydraulics and overland flow 215 254 Morel Seytoux H J 1988 Recipe for a simple but phy
133. CRDT Midi Pyr n es 1999 au projet Eau et Feu financ par l Agence Spatiale Europ enne en 2000 aux projets ADEMA financ s par le CNES en 2000 et 2001 au projet PACTES financ par le Minist re de la Recherche et de la Technologie en 2002 Je joins a ces partenaires le SCHAPI qui en croyant aux possibilit s de MARINE a donn une dimension op rationnelle mes travaux de recherche Je tiens remercier tous les membres du jury M Tanguy et M Desbordes les rapporteurs de mes travaux de th se en d pit de leurs lourdes charges de travail M Puech et M Gr sillon les examinateurs ainsi que M Roques et M Alquier les invit s Leurs travaux de recherche respectifs ont t pour moi des r f rences scientifiques et le d bat qu ils ont orient lors de la soutenance de cette th se a apport une r elle conclusion ces travaux en incluant toutes les perspectives d volution Je remercie la soci t SCOT d avoir cofinanc et co encadr ces travaux de recherche Je tiens remercier plus sp cifiquement au sein de la direction Jean Claude Cazeau qui m a accord sa confiance non sans quelques mises en garde en acceptant de financer mes travaux Mais aussi Jean Michel Roques Philippe Puyou Lacassi s Ghislain Gonzales Thierry Rabaute et St phane Dupuy mes co encadrants ou interlocuteurs pour leur professionnalisme leur aide et leurs conseils Merci galement pour la rapidit de r action dont ils ont fait preu
134. E 99 IT 2 1 D finition de la notion d chelle ec ccccccccececcececeeeceeeeeeceeeeeeeeeess 99 If 2 1 1 La hi rarchisation du paysage hydrologique 99 HEZ LC Wea OU On d celer ee aitu 100 HEZ Node dere SatiOmid ECHENCS ss nn ns nait us 100 IL 2 1 4 Changement d chelle dans MARINE 101 IIT 2 2 Echelles des variables mod liser cece cccccccccccecececeeeeeeeeeeeeeeeess 102 IT 2 3 Analyse des chelles des donn es disponibles eeseeseeeeeeees 102 IIL 2 3 1 Particularit s des donn es t l d tect es Puech et al 2004 102 IIL 2 3 2 Les themes de donn es n cessaires MARINE 103 II 2 3 3 Les techniques d analyse des chelles de donn es 104 IIT 2 3 4 De l chelle des observations l chelle du modele 119 IIL 2 4 Echelles des quations repr sentatives du processus dominant 121 IIL 2 4 1 MARINE Echelles de travail du mod le 121 IIL 2 4 2 Formulation de l approximation de l onde cin matique 122 IIL2 4 3 Validit de l expression de la vitesse de ruissellement superficiel pasce sur le concep de TOC Meisa a A ened ach ER 123 IIT 2 4 4 Bilan sur le domaine de validit de l onde cin matique 131 II 3 Equations repr sentatives du comportement des processus physiques 133 IIT 3 1 Mod les de ruissel
135. Horton peut tr s bien s accommoder d autres mod les d infiltration 1D verticale en sol homog ne tels que la th orie d infiltration de Green et Ampt celle de J R Philip On reste quand m me avec ces diff rentes th ories dans le sch ma Hortonien qui explique la gen se du ruissellement uniquement comme une limitation de la capacit d infiltration chelle de la parcelle Le sch ma hortonien consid re la parcelle comme une colonne de sol homog ne caract ris e par des propri t s intrins ques dont la surface contr le l infiltration L coulement appara t lorsque l intensit de la pluie d passe la capacit maximale du sol absorber l eau Cette capacit caract ris e par l infiltrabilit du sol est suppos e d croissante dans le temps jusqu une valeur constante L coulement de surface se produit donc lorsque la capacit d infiltration devient inf rieure l intensit des pr cipitations Toute l eau qui ne peut pas tre infiltr e dans le sol participe au ruissellement Principe du taux d infiltration Horton Fig 4 Taux d infiltration pour une pluie uniforme Musy A 2001 Cours d hydrologie g n rale Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne http derwww epil ch HYDRAM e drologie chapitres chapitre1 1 main html PU Cette infiltration est suivie par une percolation lente vers une nappe profonde Les transferts lat raux par la nappe pro
136. INP TOULOUSE THESE Pr sent e pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole Doctorale Sciences de P Univers de Environnement et de l Espace Sp cialit Hydrologie Par M Val rie ESTUPINA BORRELL Vers une mod lisation hydrologique adapt e la pr vision op rationnelle des crues clair Application de petits bassins versants du sud de la France Soutenue le 21 avril 2004 devant le jury compos de M Christian Puech Pr sident du jury M Jean Michel Tanguy Rapporteur M Michel Desbordes Rapporteur M Jean Michel Gr sillon Examinateur M Denis Dartus et M Rachid Ababou Directeurs de th se M Jean Michel Roques soci t SCOT Invit M Michel Alquier Invit N d ordre 2100 REMERCIEMENTS Je remercie toutes les personnes qui m ont permis d aller au bout de ce travail et je pr sente mes excuses a toutes celles que je pourrais oublier de citer dans ces quelques lignes Ce travail de these comporte une dimension collective qu il convient de souligner Je tiens a remercier tous ceux et celles qui y ont particip au sein de l IMFT et de la soci t SCOT qui m ont accueillie et aussi au sein des organismes ext rieurs publics et priv s partenaires des diff rents projets de Recherche et D veloppement dans lesquels j ai t int gr e Je fais en particulier allusion aux projets EICRIN et SPHINCS cr s dans le cadre de l appel a projet du C
137. IV 3 3 2 Calage et portabilit sur un m me Site ee eeeeeeeeeeeeteeeeeees 206 IV 3 3 3 Calage et portabilit vers un site diff rent cc eeeeeeeeeeeees 209 ENS SE CON CIS OMe a a din 211 IV 3 4 MARINE 2D sur la crue de l Aude en 1999 validation des laisses de crue ODUCHUIES pare kedere C HOM esis nn and terme min 212 ENS ee CONMEXIS rae ere ee een N wee ee ae ener ree 212 TV34 2 Approche Proposee snac a 212 IV 3 4 3 Donn es US ES he den a a e 213 IV 3 4 4 R sultats des modGlesni scsca nude ein nia decent bane 213 PV AS CONCIUSIOME SSSR nm ce enti 217 IV 3 5 Application op rationnelle de MARINE dans le cadre du projet PACTES Sur la Grue du Thore Civ 19990 nn A mares octuadnaesersev eaeutaes 219 NL COE omer eee tt di ou 219 FV 3 5 2 L approche propOsee int ideas 219 PY 3 5 3 Les resultats obtenus resina Re 220 EVE Ae ONC WISI ON ER nd ee ele 221 V Chapitre V Perspectives t CONCIUSIONS etienne mine 223 NV COMIC IIS LOLN aaa 2atas nn te ne titi te ce aR 223 NM 2a Perspectives A ame MOLAMON ns nn a anti Diane 224 V 2 1 Vers une mod lisation en continu de MARINE 224 V 2 1 1 MARINE coupl TOPMODEL ss 224 V22 MARINE couple dISBA ehiin minimes 225 V 2 1 3 MARINE coupl BIGFLOW i cccccccceceesessesesenssnsneeeeees 225 V 2 2 Meilleure valuation des valeurs des param tres de MARINE 2
138. K 11 P 232 73 DIT H P Ce coefficient devra tre recal chaque pas de temps Le probl me principal de cette m thode r side dans le calage de b initial qui n a pas vraiment de sens physique Ainsi plusieurs b initiaux sont d finis et chacun est utilis dans un mod le diff rent le multi mod le favorisera celui dont les r sultats obtenus seront les plus proches de la r alit Les donn es pluviom triques utilis es sont celles des pluviometres et non pas celles des radar Les mod les pluie d bit peuvent aussi tre d finis pour un b variable Les mod les relations puissances Ces mod les permettent de pr voir le d bit en fonction d une variable explicative donn e hydrologique Q Ar D aV c 74 Ce mod les n cessitent donc le calage de 2 1 1 param tres A partir d une station amont on peut construire le mod le 75 Qaa At aQ t Dans ce cas le pas de temps est le temps de propagation Ce mod le ne fonctionne que pour les hautes eaux montantes Les mod les relations multiples Ces mod les combinent les relations lin aires et les relations puissances Ils prennent en comptent les temps de propagation entre stations amont et aval mais ne fonctionnent que la mont e des eaux lors d une crue De plus ils n cessitent de nombreux calages de param tres Les mod les r glette B chet Il s agit de m thodes graphiques reliant les hauteurs des stations a
139. Le Guennec pour m avoir fait confiance en m introduisant dans un certain nombre de vos enseignements Merci a toute l quipe du BEI ERE pour ces lundis apr s midi a jamais grav s dans ma m moire Merci Paul Duru pour ton humour plein de ressources et pour ta grande disponibilit encore merci pour le dimanche que tu as pass l ENSEEIHT pour m aider a pr parer mes TD alors qu on se connaissait peine Merci a Denis Dartus et Michel Alquier de m avoir permis de co encadrer les TD d informatique et d hydrologie Merci Alain Deltour de m avoir introduite dans lunivers des concours communs polytechniques Merci a V ronique Roig pour ta bonne humeur et les TD que tu m as confi s Merci Alexei Stoukov pour tes irrempla ables comp tences en informatique et ta disponibilit Enfin merci Jacques Georges le directeur du D partement Hydraulique de l ENSEEIHT pour la confiance que vous m avez accord e Merci encore a Rachid Ababou pour notre exp rience de formation continue tout r cemment dispens e on remet a quand tu veux et merci au GDTA en particulier Philippe Mounier et Herv Joannes la Formation Continue de l INPT et au SCHAPI en particulier Jean Marie Carri re et Jean Michel Tanguy de nous avoir permis cette excursion Enfin un grand merci aux personnes en apparence ext rieures ces travaux et pourtant si intimement m l es cette histoire Fran ois Dabireau C cile Mondine et Sandra Zecchin mes a
140. O wo O Temps Fig 58 Influence de la Conductivit 86 700 Influence de la capacit d adsorption 600 Observations HEC HMS correcte w 316 3 mm 500 W 218 5 mm gt W 49 5 mm 400 k w 110 1 mm Q m3 s e w 239 mm 300 200 100 Temps Fig 59 Influence de la capacit d adsorption du sol 700 Influence de la porosite 600 e Observations HEC HMS correcte p 0 398 500 p 0 332 gt p 0 464 400 p 0 501 Q m3 s 300 200 100 Temps Fig 60 Influence de la Porosit Les param tres qui influencent le plus les r sultats sont l humidit initiale et la conductivit le moins important tant la porosit du sol Les variations se font davantage ressentir en d but d v nement sur la courbe de mont e Ce point peut s expliquer par le fait que ce mod le repr sente l infiltration comme un processus d croissant dans le temps La valeur optimale cal e correspond aux valeurs suivantes 0 398 218 5 mm Tab 14 Param tres de Green et Ampt 87 Elle correspond la texture du sol Sandy clay loam observ dans l tude g ologique Scs curve number Il s agit d un mod le empirique d velopp par le Soil Converstion Service SCS qui repr sente les pertes par infiltration avec l quation suivante _P 0245 5 P
141. Q g Sf 1 08 5 O m Temps h Fig 112 Sensibilit la valeur de la succion mod le de Green amp Ampt Influence de la valeur de la porosit pour un sol donn Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur de la porosit dans Green amp Ampt 800 ave poro 0 389 600 poro 0 332 S poro 0 464 D bit m3 s Temps h Fig 113 Sensibilit la valeur de la porosit mod le de Green amp Ampt On constate que de tous les param tres celui qui influence le plus les r sultats est la conductivit hydraulique effective du sol 175 La valeur de la succion ayant aussi un effet marqu sur les courbes r sultantes On note que pour les sols lourds argileux la forte valeur de la succion modifie la forme du d but de la courbe de mont e L humidit initiale par contre a une influence moins marqu e sur les hydrogrammes de crue son influence est cependant li e la valeur de la conductivit hydraulique du sol Ce point peut s expliquer de la fa on suivante la pluie forme une flaque en surface du sol Lors de crues clair les intensit s pluvieuses sont telles qu elles vont diminuer la dur e d obtention de cet tat Une fois que la flaque est form e le taux d infiltration effectif dans le sol sera le taux potentiel d infiltrabilit du sol Dans ce cas plus la conductivit hydraulique effec
142. T repr senter le r seau hydrographique de drainage Charleux Demargne 2001 Il a montr de quelle fa on et sous quelles conditions les MNT pouvaient d voiler cette information Il a aussi travaill sur la pr cision minimale du MNT utiliser dans ce cas Borgniet ef al 2003 Zhang amp Montgomery 1994 de leur c t ont travaill de fa on empirique sur la r solution optimale du MNT utiliser pour r aliser de l hydrologie avec TOPMODEL Ils ont ainsi montr que le pas de r solution horizontal du MNT influen ait fortement les r sultats hydrologiques fournis par TOPMODEL Toutefois la correction d une erreur dans le calcul de l indice topographique par Saulnier 1996 a permis de att nuer cette influence D apr s Beven 1997 cette influence serait due au fait que certaines r solutions de MNT ne correspondent pas la r alit des processus physiques qui sont d crits dans le mod le L IRD a aussi travaill de mani re empirique sur le sujet en comparant diff rentes m thodes de d limitation du bassin versant partir d un MNT brut et du trac de ses cours d eau principaux ordre 1 et 2 l aide du logiciel ARCVIEW sur le bassin Amazonien MNT USGS r solution horizontale d environ 1 Km Il montre que ce type de MNT peut suffire extraire les r seaux hydrographiques de fa on satisfaisante compromis entre r solution du MNT et taille du bassin versant Kenward ef al 2000 se sont int re
143. Tha lande Modification de 30 gt 1050 m 100m Nang Rong loccupation du Source sol 30 m Californie Influence de 30 gt 1020 m 250 gt 500 m chelle et du paysage sur Voccupation du sol Europe Impact des Stat 33 000 250 lt 100 m pour les Meuse basin changements mod le totale m CORINE zones portuaires climatiques sur distribu land cover lt 100 m pour la les crues culture de riz lt 4 km pour les grandes for ts lt 4 km pour les sites industriels lt 2 km pour les cultures Moody Occup sol amp Woodco ck 1995 Booij Occup sol 2002 France Connaissance 0 8 gt 10 10 m pour identifier Montpellier des image le peuplement hydrosyst mes satellitale SPOTS Puech Occup sol 2000 Occup du For t pr s de Estimer Washington lV chelle de variabilit Simmo ns ef al 1992 Meente meyer 1989 Marcea Occup sol For t virtuelle Estimer Analyse gt 20 m pour et homog ne seuils fractale identifier le variabilit peuplement Occup sol D finition de la 30 gt 40 m pour RSO identifier le peuplement u et al 1994 Booij Texture 2002 f du sol Europe Impact des Mod lisati 1 gt 32 km 5 3 km Meuse basin changements on base totale source 1 km climatiques sur physique les crues Tab 22 Liste non exhaustive des travaux sur les chelles de travail optimales Pour chaque cas nous avons pr cis la nature de
144. Tregarot G 2000 Mod lisation coupl e des coulements a saturation variable avec h t rog n it s for ages et interfaces hydrologiques Toulouse Tribe A 1992 Automated recognition of valley lines and drainage networks from digital elevation models a review and a new method J of Hydrology 139 263 293 Troutman B 1983 Runoff predictions errors and biais in parameters estimation induced by spatial variability of precipitation Water Ressources Research 19 3 791 810 USACE 1979 Introduction and application of kinematic wave routing techniques using HEC 1 Hydrologic engineering center Davis CA USACE 1981 HEC 1 Flood Hydrograph package Users manual USDA 1986 Urban hydrology for small watersheds Washington Vahyne Analyse de l pisode pluvieux du 12 et 13 novembre 1999 Rapport n www environnement gouv fr telch 2001 tl inondation Ihm1 pdf univ Montpellier IT UMR5569 IRD CNRS Walsh S J Crawford T W Welsh W F amp Crews Meyer K A 2001 A multiscale analysis of LULC and NDVI variation in Nang Rong district northeast Thailand Agriculture Ecosystems amp Environment 85 1 3 47 64 Webster N 1965 Webster s Seventh New Collegiate Dictionnary Springfield Mass 252 Western A W amp Bloschl G 1999 On the spatial scaling of soil moisture Journal of Hydrology 217 3 4 203 224 Wigmosta M S Vail L W amp Lettenmaier D P 1994 A distributed hydrology veget
145. a distance centre a centre de deux pixels adjacents comme pr sent sur la figure elle est alors gale al chelle du support ou bien de la distance entre deux mailles et elle est alors nulle 111 2 1 3 L agr gation d chelles Pour comprendre un ph nom ne physique plusieurs niveaux d organisation doivent tre pris en compte Par exemple pour mod liser un d bit l exutoire d un bassin versant il faudra remonter des niveaux d organisation inf rieurs cf Tab16 Le changement d chelle depuis un niveau inf rieur vers un niveau sup rieur consiste relier les fonctionnements l mentaires aux fonctionnements globaux Il ne suffit pas d augmenter la taille de la parcelle pour simuler le fonctionnement du bassin on perd les notions d homog n it s de la nature du sol et de la couverture v g tale Plusieurs essais ont t r alis s dans ce sens et se sont av r es non probants Comme le pr cise Thirriot 1980 Il faut alors passer par des techniques agr gatives ou d sagr gatives par exemple Puech 2000 Beven 1989 Bl schl amp Sivapalan 1995 100 La technique agr gative consiste a discr tiser l espace selon un ensemble de cases l mentaires Chacune de ces cases est caract ris e par des informations de base et ces diff rentes cases sont reli es par des liaisons Il s agit d une d marche ascendante qui combine par synth se math matique les faits emp
146. a hauteur d eau qu il faudrait infiltrer pour faire affleurer la zone satur e si la zone non satur e tait initialement vide Il est homog ne au produit d une profondeur par une porosit Il met en vidence le r le de la topographie dans la variabilit spatiale des tats hydriques du sol Indice topographique Il s agit d un indice de similarit hydrologique qui traduit la propension d un point se saturer plus ou moins facilement C est un param tre dynamique propension la saturation par coulement lat ral et non pas statique caract risation physique verticale du sol Cet indice est un concept permettant de fortement simplifier certains processus mais il n en est pas moins une grossi re approximation de la r alit qui ne convient pas partout Beven 1997 Mod lisation l chelle du versant Dans les notations suivantes les grandeurs indic es 1 sont celles du pixel exutoire Elles repr sentent le versant amont rattach ce pixel R gime permanent 236 VERSANT i as de ruissellement de surfe D ficit dit PIXEL i 78 Entre deux pas de temps mois jour heure et en l absence de ruissellement de surface on consid re que le sol atteint un r gime permanent Il n y a pas d accumulation la nappe passe par une succession d tats d quilibre On a alors pour chacun des pixels consid r s galit des lames d eau entrant et sortant d un
147. a pluie peut quelques fois avoir un r le effac sur la r ponse hydrologique du bassin alors que d autres fois ce r le sera pr dominant Cette diff rence de comportement hydrologique n tant pas pr visible seul un retour d exp rience peut nous en faire prendre conscience Cosandey amp Robinson 2000 estiment que les intensit s dur es et extensions spatiales des pr cipitations sont des facteurs d terminants de la formation des coulements de crues Dans le cas de la pr vision de crues clair le risque encouru en la n gligeant semble pouvoir tre consid rable Nous reviendrons plus loin dans ce m moire sur cette discussion pour montrer l importance que peut avoir l extension et la variabilit spatiales de la pluie sur la pr vision des crues clair que nous avons tudi es L acc s a la connaissance de la pluie peut se faire de diff rentes fa ons Les techniques classiques d observation pluviom tres et pluviographes restent les appareils de mesure les plus utilis s Cependant ces instruments ont tendance sous estimer la pluie Ce ph nom ne est d autant plus amplifi que les pluies sont fortes dur e de basculement de l auget 0 5 s De plus la ponctualit de la mesure ne rend pas compte de la distribution spatiale de la pluie sauf cas particulier de petits bassins versants tr s dens ment instrument s Enfin ces appareils ne sont pas a l abri de subir des d t riorations au cours des orages
148. a rivi re avec l onde cin matique ou l onde diffusante Ce mod le pr sente l avantage d int grer l imagerie satellitale d utiliser des quations physiques pour mod liser les processus de gen se et de propagation de crues et de se pr senter sous la forme d une interface conviviale Toutefois il n cessite une grande quantit 8 Manuel de r f rence technique vu par les l ves ENSEEIHT du BEI 2000 2001 http www enseeiht fr hmf travaux CD0001 travaux optsee bei 2 24 index htm Manuel officiel http www bossintl co uk products download item HEC HMS html _ 64 d informations pour son calage initial De plus son pas de temps horaire est tr s limitatif pour la pr vision des crues clair 11 2 3 1 5 TOPKAPI les ondes cin matiques op rationnelles TOPKAPI signifie TOPographic Kinematic Approximation and Integration Il a t con u et d velopp par Liu amp Todini 2002 Il s agit d un mod le hydrologique distribu base physique Les quations de l onde cin matique sont int gr es diff rentes chelles pour permettre une r solution de la transformation pluie d bit et de la propagation de la crue dans la rivi re rapide Il prend en compte l vapotranspiration la fonte des neiges et les transferts de l eau dans le sol en surface et dans les cours d eau En particulier 11 mod lise l apparition du ruissellement superficiel par saturation des zones contributives Les par
149. a teneur initiale en eau e Del intensit et de la taille des gouttes de pluie e De la v g tation e De la saison temp rature travail des micro organismes e Del air occlus dans le terrain e Ceci fait pressentir les difficult s que l on rencontre pour estimer le taux d infiltration moyen sur un bassin versant complexe Les valeurs de ces param tres peuvent tre cal es ou extraites de la litt rature Toutefois suivant les types de sol et la nature des pluies cette quation peut pr senter le grand d faut de contenir des param tres dont les valeurs usuelles sont tr s grandes devant 145 les intensit s de pluie De fait la capacit d infiltration est une fonction du temps qui va d croitre m me si les intensit s de pluies sont tr s faibles Ceci a pour cons quence de sous estimer les capacit s d infiltration du sol Pour corriger ce probl me la forme int gr e de l quation de Horton est utilis e En int grant f entre la date du d but de l averse et le temps courant on obtient le volume d eau infiltr depuis le d but de l averse condition que l intensit de la pluie ait t sup rieure ou gale la capacit normale d infiltration du sol pendant toute l averse F t f 1 de qe avec F t Hauteur d eau cumul e infiltr e dans le sol depuis le d but de l averse Afin de ne pas sur estimer la quantit d eau r ellement infiltr e dans le sol l id e est d
150. abilit s des donn es ne sont pas prises en compte convenablement et d autre part la surface minimale du sous bassin a partir de laquelle il est envisageable d obtenir une pr vision interm diaire au bassin versant est trop importante Afin de les repr senter correctement nous devons partir d une chelle du support plus fine de l ordre de 50m dans notre exemple Ce qui retire du domaine de validit du mod le le r seau hydrographique principal L approximation de l onde cin matique telle que nous l envisageons sur les versants se fait dans une otique hydrologique o les chemins d coulement sont enti rement d crits par le MNT largeur de rigole et longueur d tablissement constantes Nous retiendrons des tests pr c dents que si une partie du bassin versant doit ne pas r pondre aux crit res d application de ce mod le alors il s agira pr f rentiellement des cours d eau principaux permanents Cette constatation est d ailleurs confirm e par Moore amp Foster 1990 et Maidment 1993 qui pr cisent que l onde cin matique n est pas applicable pour repr senter le transfert 131 dans le r seau hydrographique principal moins que la courbe de mont e de l hydrogramme de crue soit tr s lente que les pentes soient mod r es voire importantes et que l att nuation de l hydrogramme soit tr s faible Toutefois le r seau exclure du domaine de validit se densifie lorsque l on ne
151. act ristiques des crues clair Apparition et volution soudaines r ponse hydrologique rapide temps de mont e de crue rapide violence 1974 Patton amp Baker 1976 Lanza 2000 Montz amp Gruntfest Carbonnel AGI 1972 AHS etal gt lt Pluies diluviennes qui en sont r e a Importance des d bits dans les rivi res des d bits dans les rivi res e ES ee ee Locales g ographiquement x Difficult a les pr voir et ventuellement des d gats qu elles engendrent Tab 1 Tableau r capitulatif des caract ristiques associ es aux crues clair dans la litt rature Dans tous les cas l aspect exclusivement qualitatif et non exhaustif de ces d finitions ainsi que le fait de ne caract riser ces crues qu travers leurs volutions et leurs cons quences laisse entrevoir les difficult s auxquelles on est confront lorsque l on envisage de les tudier De plus parmi toutes ces d finitions aucune n en donne une description quantitative Cette lacune peut se justifier par le manque chronique d observations de ces crues relativement leur violence et leur rapidit Il est n anmoins possible de trouver des auteurs qui caract risent quantitativement les crues clair Citons Short 2000 par exemple qui sous certains aspects tend la notion de crue clair des crues qui pourraient appara tre sans avoir t pr c d es de fortes pluies ou des crues pour les
152. acult d un bassin tre d crit par un MNT pour tre utilis des fins de mod lisation hydrologique 195 Afin de comparer les processus de ruissellement superficiel sur les deux MNT le modele MARINE va tre appliqu dans la partie suivante IV 2 3 2 5 Modelisation hydrologique complete avec MARINE Analyse des resultats du module hydrologique de MARINE Le modele de ruissellement r partit les apports lat raux provenant des sous bassins versants le long de la rivi re principale Les hydrogrammes ainsi obtenus sont les conditions a la limite du module hydraulique Aucun affluent n est entr dans le programme la tendance de l eau a se concentrer en rigoles cours d eau potentiels de drainage se d duit du MNT Les affluents sont donc naturellement d finis par les propri t s du ruissellement sur les versants Sur la figure ci dessous nous avons repr sent le volume cumul des hydrogrammes de chacun de ces affluents et nous les avons repr sent s en respectant leur r partition g ographique le long du Thor 7000000 Con SPOT DEM __ ences IGN DEM 5000000 4000000 3000000 Volume m3 2000000 1000000 0 el Ni Le T T 0 5000 10000 15000 20000 Position along the Thor river m Fig 136 Profile longitudinal du cumul des apports lat raux le long du Thor Sur la figure ci dessous est pr sent un hydrogr
153. agation d une crue par des quations de la m canique des fluides Ce mod le n cessiterait alors moins de param tres de calage serait plus autonome et permettrait de d crire plus fid lement les ph nom nes physiques qui interviennent lors d une crue Mais bien d autres types de mod les pourraient tre introduits dans SOPHIE Un projet de mod le bas sur le principe de la communication des fourmis est en cours de d veloppement Ce mod le relie toutes les informations hydrologiques sur toutes les stations du bassin pour faire des pr visions en une station quelconque Les r sultats test s ce jour sont excellents pour la phase de mont e des eaux particuli rement m me si le sens physique de l hydrologue en est affect 234 TOPMODEL Introduction TOPMODEL est l acronyme de TOPography based hydrological MODEL Il est apparu dans les ann es 1970 en Angleterre avec Beven 1979 Il s agit d un mod le ayant pour but de formaliser le principe des aires contributives satur es ainsi que l influence de la topographie sur le fonctionnement hydrologique d un bassin versant Il repr sente une r alit conceptuelle Saulnier 1997 TOPMODEL mod lise donc les processus lat raux sous la forme d une nappe temporaire s coulant vers le r seau hydrographique On lui associe diff rents modules d interception de fonte des neiges d vapotranspiration de transfert de surface Au bilan nous o
154. agrasse Influence de la valeur du volume initial infiltr dans Green amp Ampt 800 700 590 Fini 0 00001 500 Fini 0 01 Q g Fini 0 0000000001 F 400 5 oO A 300 200 100 ES N Temps h Fig 167 Sensibilit la valeur de l infiltration cumul e mod le de Green amp Ampt Cette valeur est sans influence notable sur les r sultats 243 70 ANNEXE 3 MESURES DE L ERREUR COMMISE SUR UNE PREVISION Selon Lettenmaier amp Wood 1993 la pr cision de la pr vision est une mesure de l erreur commise sur cette pr vision Il faut donc comparer les valeurs compar es aux valeurs simul es Les erreurs sur les pr visions peuvent tre syst matiques r currentes ou al atoires dues des conditions sp cifiques Notons Q1 l hydrogramme de crue simul et Q i l observ Mf et Mo sont les moyennes de ces quantit s 98 M 5 0 0 and M 0 0 Les m sures des erreurs sur les pr visions les plus utilis es sont les suivantes Biais B M M P 2 99 Mean Squared Error MSE 35 lo i Q i N iz Variance V MSE B Mean Absolute Error MAE 2 gt Q i Q i N iz 7200 D M M 1 z 2 2 1 2 2 DE m 0 u Squared Correlation Coefficient R 100 Y 0 6 0 Nash _______ 5 0 0 M i l 244 BIBLIOGRAPHIE Ababou R amp Bagtzolglou A 1993 BIGFLOW a Numerical Code
155. aidment 1993 Il a t le premier rendre ce concept distribu sur la base d un MNT Il a justifi ce choix par importance de l impact des caract ristiques topographiques du bassin versant en particulier la pente et la surface du bassin sur les directions de ruissellement leurs concentrations ainsi que leurs vitesses Toutefois il a consid r une vitesse de ruissellement constante dans ses travaux e Le caract re empirique de ce concept peut tre att nu par l introduction de mod les base physique dans l estimation des vitesses de transfert de l eau en surface 111 3 1 1 2 Hypoth ses retenues Dans l optique de d crire le ruissellement superficiel sur les versants par le concept du Time Area nous avons retenu l id e de cr er des isochrones variables avec les hypoth ses suivantes e Les bassins versants concern s sont de petite moyenne taille quelques centaines de km le concept du Time Area ne sera utilis que pour mod liser le ruissellement sur les versants et dans les cours d eau de petits ordres Le transfert dans les cours d eau 14 Ababou R 1999 Cours d hydrologie g n rale ENSEEIHT INPT 136 principaux sera repr sent par les quations de Saint Venant suivant le m me d coupage que celui dict par l approximation de onde cin matique N e Le concept du Time Area devra tre distribu de fa on prendre en compte l influence des caract ristiques top
156. alage3 60 000 lage2 Or 60 0 calage 70 000 A 40 0 Y 80 000 20 0 4 90 000 0 0 assesses lt A 100 000 10 13 19 10 13 19 10 13 19 10 13 19 10 14 19 10 14 19 10 14 19 10 14 19 10 14 19 10 15 19 95 4 48 959 36 95 14 24 95 19 12 US 95 4 48 959 36 95 14 24 95 19 12 95 0 00 emps Fig 45 Influence du calage de TOPMODEL en fonction de la crue de r f rence Chaque courbe correspond un calage r alis ant rieurement sur un autre v nement Les calages intitul s calage3 et calage4 correspondent aux simulations r alis es partir de la crue de Corb s du 3 10 95 pour diff rents crit res d optimisation respectivement optim et optim le calagel est le calage sur la crue en question et le calage2 est r alis partir de la crue de Saint Hippolyte du 3 10 95 Exception faite de la courbe calage3 le calage influence les r sultats essentiellement en terme d amplitude sa forme variant globalement peu Essai d anticipation L application des param tres en l tat ne permet pas une anticipation convenable Toutefois l tat initial d humidit des sols est un facteur qui influence fortement l amplitude de la crue ainsi que le d but de la mont e des eaux On consid re que ce facteur est automatiquement mis Jour pour chaque crue dans TOPMODEL via une quation reliant le d bit de base l exutoire du bassin indicateur de l tat des nappes profondes au d fici
157. ale C M U amp Tarboton D G 2000 Characteristic length scale of input data in distributed models implications for modeling grid size Journal of Hydrology 227 1 4 128 139 ASCE 1996 Hydrology handbook ASCE New York 2 d Barrau C Bouchama S Ecuyer R Gastinet L amp Groud F 2003 Bureau d Etudes Industrielles Energies Renouvelabes et Environnement Mod lisation hydrologique et r action en cas de crue ENSEEIHT Toulouse Betson R P 1964 What is watershed runoff Journal of geophysical Research 69 8 1541 1552 Beven K 1992 The future of distributed modelling Hydrol Processes 6 253 254 Beven K J 1982 On subsurface stormflow an analysis of response times Hydrologycal sciences Journal 4 12 505 521 Beven K J 1982 On subsurface stormflow Prediction with simple kinematic theory for satured and unsatured flows Water Ressources Research 18 6 1627 1633 Beven K J 1989 Changing ideas in hydrology the case of physically based models Journal of hydrology 105 157 172 Beven K J 1997 Distributed Hydrological Modelling Applications of the TOPMODEL concept Wiley amp sons Landcaster UK vol 1 245 Beven K J amp Kirkby M J 1979 A physical based variable contributing areas model of basin hydrology Hhydrology Sc Bull 21 1 43 69 Bian L amp Walsh S 1993 Scale dependencies of vegetation and topography in a montaneous environment in Mont
158. ale du bassin franchissant ainsi un nombre parfois trop lev de niveaux d organisation du paysage Toute la difficult r side alors partant de l chelle laquelle le comportement doit tre correctement reproduit dans la d finition des chelles des processus l mentaires consid rer ainsi que dans celle des quations qui permettent le raccordement entre ces chelles locale et globale La m thodologie d identification des chelles de travail retenue est la suivante e Rappel des objectifs de simulation th me chelle et pr cision e Analyse des donn es disponibles th me chelle et pr cision e D termination des quations repr sentatives du comportement des processus physiques dominants telles que e l chelle d entr e du mod le co ncide avec l chelle des donn es e chelle de sortie du mod le coincide avec l chelle des objectifs e le domaine de validit des quations permette le saut entre chelles d entr e et de sortie du mod le Une fois ces chelles de travail d finies on s attachera proposer les quations qui d criront les autres processus intervenant dans la gen se des crues clair Devant la difficult d finir un unique mode de gen se de ces coulements et obtenir des donn es de calage nous avons construit lors de cette th se un mod le hydrologique MARINE pr sentant une structuration modulaire mise en parall le ou en s rie de diff re
159. alidit de la pr vision en d autres points que l exutoire du bassin Enfin les ouvrages sur la rivi re et l hydraulicit en g n ral peuvent fortement influencer la r ponse hydrologique du bassin Un couplage a un code sp cifiquement hydraulique en aval serait pr f rable Ceci sans faire allusion la difficult de rendre op rationnel un code d une telle structure sans son code source 94 11 3 Conclusion du Chapitre Il Les pistes d am lioration a explorer Les crues clair sont encore peu observ es et par suite les processus physiques qui en sont l origine mal connus ce qui rend d licat le choix du mod le base physique mettre en uvre pour les mod liser Afin de trancher sur ce point nous avons r alis des essais de simulations avec diff rents logiciels hydrologiques disponibles sur quelques crues rapides ou clair particuli res Il en ressort que les mod les traduisant une gen se de type hortonienne au sens large et une propagation approch e par l approximation de l onde cin matique fournissent des r sultats plus fid les aux observations que les autres Le mod le SCS constituant aussi une piste int ressante Enfin la connaissance de la r partition spatiale des pluies peut aussi tre une information ne pas n gliger Dans la suite de ce travail nous allons donc envisager la conception d un mod le hydrologique d terministe distribu v nementiel et base physique sus
160. am tres de ce mod le sont invariants par changement d chelle et se d terminent a partir de diff rentes donn es le MNT la carte des sols la carte de la v g tation la carte d occupation des sols Il a t utilis pour l analyse de crues extr mes la d termination des impacts des changements climatiques l extension des bassins non jaug s le couplage avec des mod les g n raux de circulation Il a t appliqu en Italie de fa on op rationnelle Todini ef al 2003 Il s agit donc d un mod le complet bien document traitant les changements d chelle Toutefois il a t publi trop pr s de la fin de nos travaux pour pouvoir tre utilis 11 2 3 1 6 MIKE SHE la mod lisation hydrologique complete MIKE est une famille de logiciels qui traitent d coulements dans les rivi res de crues en et 2D d hydrologie int gr e MIKE SHE et de management hydrologique assist par un Syst me d Information G ographique MIKE SHE qui est un mod le physique au sens de Bonell 1993 comprend plusieurs modules e Evapotranspiration e Ecoulement dans la zone non satur e bas e sur l quation de Richards e Ecoulement dans la zone satur e e Ecoulement superficiel dans les cours d eau et sur les versants selon l quation de l onde diffusante Ainsi que des modules propres des applications particuli res comme l irrigation Les inconv nients majeurs de ce type de logiciels r sid
161. amme complet pour un affluent calcul a partir des deux MNT On y constate la bonne correspondance des deux courbes S 4470 m Discharge m3 s wo oO 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time h Fig 137 Exemple d hydrogrammes de crue issus d un apport lat ral sortie de MARINE hydrologie obtenus par les deux MNT Toutefois vers le milieu du Thor on peut noter une diff rence importante dans la localisation d un de ces apports entre les deux MNT abscisse 12750 m et d calage de 500 m 196 environ A cet endroit se trouve la confluence du Thor avec son affluent principal dans une zone particuli rement plate Il devient alors d licat d tablir des chemins de drainage coh rents sur ce type de relief A titre d illustration est pr sent ci dessous le r seau potentiel de drainage obtenu par ArcView Le r seau obtenu est constitu de drains parall les et rectilignes extr mement rapproch s Ce probl me courant dans les r gions plates pourrait tre r solu en utilisant d autres couches d information r seau hydrographique observ par exemple ou des m thodes d extraction du r seau potentiel de drainage plus sophistiqu Charleux Demargne 2001 Fig 138 Estimation du r seau potentiel de drainage par ArcView dans une r gion plate Ce grand sous basin versant collecte les apports de trois rivieres Cette caract ristique se retrouve
162. amont du bassin l o les sols sont les plus DS gt minces sur lesquelles l eau ruisselle puis s infiltre plus en contrebas Dans un second temps s 1l continue de pleuvoir l aval se transforme aussi en zones contributives satur es et la le ruissellement superficiel se g n ralise et touche tout le bassin Il appara t alors un seuil de fonctionnement mis clairement en vidence par l exemple de la crue de Vaison La Romaine Ce sch ma des zones contributives satur es est n de d ductions et d hypoth ses m mes si l origine il a t inspir par des observations Il suppose que le ruissellement et l infiltration ne se produisent pas au m me endroit il peut y avoir pluie sans qu il y ait ruissellement et inversement le ruissellement peut appara tre l o il ne pleut pas Toutefois ce principe va l encontre du principe selon lequel il existe des zones fixes g n rant des sources pour le ruissellement superficiel Betson 1964 La position de ces sources pourrait tre li e des sols fins ou des roches mises nu Ces sources sont aussi appel es t tes des r seaux de drainage Dunne ef al 1975 Il n a pas non plus t mis en vidence sur les versants o le ruissellement g n ralis de type hortonien avait t observ pr c dent Il ne s agit donc pas plus d un fonctionnement universel que ne l tait le fonctionnement hortonien Ce type de formation de crues pourrait tre re
163. ana Prof Geogr 45 1 11 Blazkova S amp Beven K 1997 Flood frequency prediction for data limited catchments in the Czech Republic using a stochastic rainfall model and TOPMODEL Journal of Hydrology 195 256 278 Bl schl G amp Sivapalan M 1995 Scales issues in hydrological modelling a reveiw Wiley Chichester Boiffin J 1982 La d gradation structurale des couches superficielles des sols sous l action des pluies Institut national agronomique Paris Grignon Paris Bonell M 1993 Progress in the understanding of runoff generation dynamics in forests Journal of Hydrology 150 217 275 Booij M J 2002 Appropriatemodelling of climate change impacts on river flooding Twente Borgniet L Estupina Borrell V Dartus D amp Puech C 2003 Les MNT pour le routage des crues clair sur les bassins versants robustesse et coh rence pr cision n cessaires Canadian Journal of Remote Sensing 29 734 740 Bousquet J C 1997 G ologie du Languedoc Roussillon Les presses du Languedoc Editions du BRGM Bressand F 2001 Le projet ALTHAIR du service d annonce des crues eclair 167 session du Comit scientifique et technique de la Soci t Hydrotechnique de France Imagerie satellitaire et radar au service de l eau Ed SHF Toulouse France Cadet P amp Albergel J 1999 Passive transport of phytoparasitic nematodes by runoff water in the Sudano Sahelian climatic area Journal of Hydrology
164. ant chacun des MNT SPOT et IGN sur le trac en plan du cours d eau principal extrait de la couche rivi re de la BD TOPO de IGN chemin observ e en projetant chacun des MNT SPOT et IGN sur le trac en plan du cours d eau principal calcul par les m thodes hydrologiques de ArcView chemin potentiel de drainage Sur la figure ci dessous sont repr sent s les traces en plan du Thor obtenues par les 3 m thodes pr cit es THORE pour le trac obtenu a partir des mesures du g om tre SPOT 190 HYD et IGN HYD pour les trac s obtenus par projection des MNT sur leurs chemins potentiels de drainage 1831000 1830500 1830000 y Lambert Il E 1829500 IGN HYD SPOT HYD THORE 1829000 l l 615000 617000 619000 621000 623000 625000 x Lambert II E Fig 130 Comparaison des trac s en plan du Thor Les 5 profils en long du Thor ainsi obtenus sont repr sent s ci dessous EN O jam o Oo O O amp D O Elevation m N oO IGN HYD SPOT HYD oe IGNTHORE SPOTTHORE sae GEOMETRE lt 2Km__ 260 Position along the river Fig 131 Comparaison des profiles longitudinaux du Thor Le profil en long obtenu partir des donn es du g om tre GEOMETRE pr sente une d croissante monotone du lit De nombreux seui
165. apparition de non lin arit s dans la gen se des crues Une limitation souvent d nonc e est le fait qu entre deux pas de temps le sol n atteint pas un r gime permanent Mais cette r alit instationnaire est elle cruciale au point de remettre en cause le concept Obled 1999 Par la suite le mod le a t revu et am lior par diff rents auteurs et diff rents niveaux Citons par exemple Saulnier 1996 qui a revu le calcul des aires contributives travers l indice topographique et de fait corrig la grande influence du mod le la r solution des donn es il a aussi rendu l paisseur des sols variable travers le param tre M Iorgulescu amp Jordan 1994 et Blazkova amp Beven 1997 qui ont travaill sur la spatialisation de la fonction de transfert Datin 1998 qui a constat que le mod le ne fonctionne pas si les pluies sont trop faibles et qui a d velopp une version spatialis e selon la pluie et les d ficits de TOPMODEL nomm e TOPODYN et enfin Habets 2001 qui a coupl ISBA TOPMODEL mais les r sultats obtenus sont peu probants puisque le mod le ne reproduit plus les crues De plus l introduction d un sous maillage pour param triser le ruissellement a d grad les r sultats 241 ANNEXE 2 DETAILS DE LA MODELISATION DE L INFILTRATION DANS MARINE Programmation du concept de Horton Pour le temps t la valeur de la capacit d infiltration est fp et le volume d
166. ar exemple trouve une longueur de corr lation de l altitude d finie partir de diff rents MNT qui varie avec la r solution du MNT plus le pixel de r solution du MNT est grand 30m gt 1000m plus la longueur de corr lation moyenne associ e est grande 527m gt 4138m On retrouve d ailleurs ce r sultat en 1D avec Ababou et XX al 1985 of o A A On per oit une longueur de corr lation partir des observations A qui n est pas la longueur de corr lation des processus Plus L augmente plus l cart entre variabilit r elle et apparente augmente et plus cette longueur de corr lation apparente augmente On retrouve l id e d un resserrement des valeurs autour de la moyenne dans le cas du upscaling Western amp Bloschl 1999 trouvent des r sultats analogues en tudiant l humidit des sols Une solution pour 107 limiter cette influence consisterait en l acquisition d images Tr s Haute R solution Leur traitement nous fournirait une estimation de la longueur de corr lation qui bien que biais e serait d j plus repr sentative de l chelle des processus naturels que l on veut mod liser e Le biais autoris entre les variabilit s r elle et apparente est fix de facon arbitraire a 10 Il faudrait tudier pour chacune des variables et pour le modele dont il est question l influence du choix de ce seuil sur les r sultats en terme d incertitudes Il serait alors possi
167. ation in the hydrological cycle Transaction American Geophysical Union 14 446 460 Horton R E 1940 An approach toward a physical interpretation of infiltration capacity Soil Sc Soc Am 5 399 417 IAHS UNESCO amp WMO 1974 Flash floods proceedings of the Paris symposium Ed IAHS UNESCO WMO vol publication 112 IFEN 2002 Catastrophes naturelles et plans de pr vention des risques Les donn es de l environnement risques naturels 1 4 Iorgulescu I amp Jordan J P 1994 Validation of TOPMODEL on a small Swiss catchment Journal of hydrology 159 255 273 Iorgulescu I amp Jordan J P 1997 Analyse du comportement hydrologique par une approche int gr e l chelle du bassin versant application au bassin de la Haute Mentue Ecole Polytechnique f d rale de Lausanne Jones J 1997 The role of natural pipeflow in hillslope drainage and erosion extrapolating from the Maesnant data Phys Chem Earth 22 3 4 303 308 Kavvas M L 1998 Areally averaged overland flow equations at hillslope scale Hydrological sciences journal 43 3 361 378 Kenward T Lettenmaier D P Wood E F amp Fielding E 2000 Effects of Digital Elevation Model Accuracy on Hydrologic Predicitions Remote Sensing of Environment 74 432 444 Klemes V 1983 Conceptualization and scale in hydrology Journal of Hydrology 65 1 3 1 23 Krajewski F W Lakshmi V Georgakakos K P amp Subhash C J 1991 A Monte Car
168. ation model for complex terrain Water Ressources Research 30 1665 1679 Wood E F amp Hebson C S 1986 On hydrologic similarity 1 Derivation of the dimensionless flood frequency curve Water Resosurces Research 22 11 1549 1554 Wooding R A 1965 A hydraulic model for the catchment stream problem I Kinematic wave theory Journal of Hydrology 3 3 4 254 267 Woolhiser D amp Liggett J 1967 Unsteady one dimensional flow over a plane the rising hydrograph Water Resosurces Research 3 3 753 771 Zhang W amp Montgomery D R 1994 DEM grid size landscape representation and hydrologic simulations Water Ressources Research 30 1019 1028 Zribi M Mascle le Hegarat S Zin I amp Guerin C 2003 Combining radar remote sensing data and topographic analysis for a soil surface moisture disaggregation scheme development Hydrology from space Ed LEGOS C Toulouse France vol Poster and abstract 253 RESUME DE THESE La pr sente th se traite de la pr vision des crues d vastatrices engendr es par des al as extr mes et se situant principalement dans des r gions m diterran ennes fran aises souvent qualifi es de crues clair Une analyse des diff rents processus hydrologiques principalement responsables de la gen se et de la propagation de telles crues montre qu une mod lisation distribu e base physique l chelle temporelle de la crue moins de 2 jours et l che
169. autres donn es que les MNT bruts un premier traitement bas sur la d termination des chemins de drainage potentiels de l eau la surface du sol et n alt rant pas le MNT de facon brutale sortie annexe du module hydrologique de MARINE peut dans certaines conditions ne pas conduire une bonne reproductibilit de la fronti re du bassin tudi Par exemple le bassin du Thor est encaiss surtout dans sa partie Nord Est par des gorges tr s troites et tr s abruptes qui peuvent ne pas tre reproduites assez pr cis ment pour certains MNT pour les besoins de nos tudes Dans le cas pr sent ici la surface drain e valu e par MARINE est trop grande ce qui en soit peut ne pas induire d erreurs lors de la phase de r solution de MARINE puisqu il est possible dans MARINE de forcer la fronti re du bassin versant Cependant il arrive que le cas inverse se produise et alors la surface drain e calcul e ne couvre pas la totalit du bassin versant Dans ce cas le for age des valeurs des points concern s du MNT va g n rer un relief synth tique drainant la rivi re principale mais dont les valeurs des pentes seront erron es Bien sur il serait possible de modifier les MNT avec des donn es ponctuelles ou bien de forcer les lignes d iso altitudes a partir de simples cartes papier IGN ou bien encore de mettre en ceuvre des proc dures plus complexes mais fournissant des MNT plus fiables en accord avec le r seau perma
170. be de r cession Toutefois au vu des fortes incertitudes li es aux observations des crues clair ainsi qu la dualit de cette d finition nous n utiliserons pas ce mode de d finition Ce concept global et empirique suppose donc de fortes hypoth ses Toutefois il est possible de relaxer certaines de ces hypoth ses e Les postulats de base de l hydrogramme unitaire sont quivalents admettre que l on passe de la pluie nette au d bit ruissel par une transformation lin aire Cette hypoth se d forme la r alit puisque le temps de base d un hydrogramme tend d cro tre lorsque l intensit de la pluie augmente augmentation de la vitesse de ruissellement sur le sol Rodriguez Iturbe et al 1979 Ponce 1989 Ainsi la prise en compte de l intensit de la pluie dans la d finition des temps caract ristiques des lignes isochrones permettrait de relaxer cette hypoth se e L hypoth se d uniformit de la pluie peut tre contourn e si l on subdivise le bassin et le temps en l ments de tailles suffisamment petites pour consid rer qu elle l est sur ces l ments e Une autre hypoth se consiste n gliger les effets de stockage sur le bassin Cette hypoth se a t relax e par Clark 1945 Son mod le a suscit un int r t consid rable pour synth tiser des hydrogrammes unitaires sur des bassins versants urbains et ruraux e Le principe de globalit de ce mod le a t revu par M
171. bilit nous recommanderons donc par pr caution de travailler avec des chelles de support des donn es du MNT plus fines de l ordre de 50m IV 2 3 1 2 Sensibilit a la r solution du MNT sur les hydrogrammes de crue l exutoire Lorsque l tape pr c dente a t franchie avec succ s le MNT qui suffit d crire correctement les surfaces drain es de chaque point du bassin peut alors tre utilis pour g n rer des MNT de r solution plus l che La fronti re du bassin reste fix e par le MNT d origine puis les nouveaux MNT de maille plus grande sont introduits dans MARINE pour valuer les hydrogrammes de crue Dans ce cas les valeurs moyennes des pentes g n r es restent les m mes que celles du MNT d origine les fronti res impos es ne sont plus sensibles aux MNT et MARINE peut tre mis en uvre On constate alors que les r sultats obtenus sont tr s stables par rapport aux changements de r solution du MNT 187 Influence de la r solution du MNT Modele sans infiltration version 3 sur le bassin de Saint Hippolyte 50km o Il B E 250 MEE hy to mm h 10 090 j MNT 50m 15 000 f MNT 200m 20 000 del 150 Le A MNT 500m S A H MNT 1000m 25 000 B 2 100 30 000 50 A 35 000 0 T T T T T 4 0 CI 0 0 0 v 9 oe 9 CL Cu v 9 X y X y X 9
172. ble de d finir la valeur seuil du biais autoris en fonction de nos objectifs D finition des chelles de support des donn es R alisation des simulations a ces chelles Comparaison des r sultats obtenus aux observations Confrontation entre les valeurs des incertitudes a priori tol rables et celles qui affectent les r sultats obtenus Retour sur la d finition des chelles de support des donn es si les incertitudes des r sultats des simulations sont trop fortes Donn e A Resultats MODELE Res Al A R s An Observations Lsup A optimale Incertitude tol rable Fig 72 M thodologie de d finition des chelles de travail Bilan Cette m thodologie statistique va donc nous permettre de d finir une chelle du support du mod le maximale ainsi qu une chelle de l tendue du mod le minimale Les courbes ainsi obtenues sont g n ralisables pour tous les champs de donn es r pondant aux hypoth ses pr cit es Ainsi pour un biais de 10 sur les variabilit s le rapport des chelles vaut 0 21 s agissant du support et 5 s agissant du domaine Liow 0 001 0 21 1000 0 001 5 1000 Fig 73 Biais sur les variabilit s en fonction du rapport des chelles 108 Les limitations de cette m thode r sident principalement dans la d termination de la longueur de corr lation qui est souvent d duite des observations et donc d ja influenc es par leurs chelles Nous retirerons de c
173. btenons un mod le hydrologique constitu par un ensemble d outils permettant de mod liser des processus hydrologiques Beven 1997 TOPMODEL n a pas la pr tention d tre un mod le complet mais plut t un ensemble de concepts qui doivent tre utilis s de fa on appropri e Il est facile mettre en uvre il utilise peu de param tres il est facile initialiser en d but d v nement et il est compatible avec les MNT et les SIG Le sch ma de fonctionnement de TOPMODEL a t d crit en d tail dans la th se de Saulnier 1996 a laquelle on pourra se reporter Seuls les principes fondamentaux n cessaires la bonne compr hension de ce m moire sont expliqu s ici Description de la version initiale Beven amp Kirkby 1979 TOPMODEL constitue la fonction de production du bassin versant Il pr cise la transformation entre l eau pr cipit e et l eau disponible pour l coulement rapide de crue Echelles de travail Echelle du versant VERSANT i 77 La mod lisation de la plupart des processus hydrologiques dans TOPMODEL se fait a l chelle du versant Celui ci est d fini par une ligne de cr te l amont des lignes de courant lat ralement et une ligne de niveau orthogonale aux lignes de courant l aval de largeur unit Echelle du bassin versant D autres processus physiques ainsi que les bilans sont effectu s l chelle du bassin versant Les variables r sultats d bit
174. c de quelques cm s pour les petites crues ou au m s pour la crue clair Des tests de sensibilit ont montr que ce param tre n influen ait plus beaucoup les r sultats au del d une certaine valeur e Le param tre M est en fait une sorte d indice de la profondeur hydrologiquement efficace des sols si ge des processus contributifs la r ponse rapide du bassin en p riode de crue il est d son histoire g omorphologique d gradation des sols p rennit des chemins d coulement De cette paisseur d pend la formation du ruissellement et la courbe de d crue comme nous l avons vu pr c demment Les diff rents essais ont montr qu il restait relativement constant pour la cat gorie d v nements test s e Seul le param tre To a une grosse influence sur les r sultats Sa grande variabilit traduit la difficult de calage de ce param tre Nous avons donc opt pour conserver tous les param tres cal s intacts et ajuster manuellement le param tre To afin de simuler d autres crues Voici les r sultats obtenus sur la crue de Saint Hippolyte du Fort du 13 10 95 Hydrogrammes de crue Saint Hippolyte le 13 10 1995 200 0 E ge 000 180 0 10 000 160 0 20 000 140 0 EE hy to mm h 30 000 2 120 0 e d bits observ s 40 000 100 0 calage1 50 000 D ae calage4mod 60 000 2 60 0 calage2mod 70 000 40 0 80 000 20 0 90 000 0 0 7
175. ceptible de reproduire des crues clair avec le peu de mesures disponibles selon un premier objectif d analyse de ces crues mais aussi en gardant l esprit qu il devra pouvoir fonctionner terme de mani re op rationnelle Une attention toute particuli re sera accord e la mod lisation du ruissellement superficiel La propagation de celui ci sera pr f rentiellement approch e par le mod le de l onde cin matique et sa gen se par refus d infiltration dans un sol initialement non satur _ 95 _ 06 Ill Chapitre Ill MARINE un mod le adapt aux crues clair R sum du Chapitre III La mod lisation d un processus physique caract ristique de l chelle du bassin versant passe par une compr hension du comportement de ce dernier une chelle plus fine Toutefois autant la r ponse hydrologique l chelle d une parcelle est repr sentative des complexit s et h t rog n it s des processus qui s y op rent autant la r ponse hydrologique l chelle d un bassin versant peut para tre simple exemple de l hydrogramme unitaire Le niveau minimal de complexit s locales int grer dans un mod le de bassin doit alors tre d termin Un mod le qui se veut perceptuel s appliquant identifier et mod liser les processus dominants et n gligeant les autres ne peut pr tendre partir de la connaissance des processus une chelle locale et l agr ger jusqu l chelle glob
176. ch s le Gard en 1995 Etat hydrique antecedent du bassin Les informations sur l tat initial d humidit du bassin se limitent aujourd hui a la connaissance du d bit de base et aux cumuls pluviom triques des mois pr c dents _ 59 Hydrogramme de crue observe Nous avons eu acc s aux hydrogrammes relev s aux diff rentes stations de jaugeage de la r gion On a donc pu obtenir un couplage entr e sortie pour chaque bassin entre l v nement pluvieux extr me et sa r percussion l exutoire du bassin Hydrogramme de crue observe a Saint Hippolyte du Fort le 03 10 1995 450 roO 400 10 350 F20 30 300 oO F 40 250 E 50 amp 200 60 gt 150 j 70 100 80 50 J eue 20 0 T o T T T T T 100 10 3 1995 10 3 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 19 12 21 36 0 00 2 24 4 48 7 12 9 36 12 00 Hydrogramme de crue observ Saint Hippolyte du Fort le 13 10 1995 200 0 r 0 000 180 0 10 000 160 0 20 000 140 0 30 000 S 120 0 40 000 E g 100 0 50 000 E 2 8 80 0 60 000 Z 60 0 70 000 40 0 80 000 20 0 90 000 0 0 100 000 10 13 1995 10 13 1995 10 13 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 14 1995 10 15 1995 2 24 9 36 16 48 0 00 7 12 14 24 21 36 4 48 60 Hydrogramme de crue observe a Corbes le 03 10 1995 700
177. confluence se situe en aval de Saint Pierre des Champs le Libre Saint Martin des Puits le Sou au niveau du Chateau de Durfort ainsi que plusieurs petits affluents dont la confluence se situe en amont de Vigne Vieille En plus de ces cours d eau le r seau hydrographique compte un grand nombre d autres ruisseaux et de lits temporaires Nous avons estim le plus long parcours hydraulique sur ce bassin l aide du logiciel ArcView a 46 7Km Nous disposons d un Mod le Num rique de Terrain MNT de la BD ALTI IGN avec une r solution horizontale de 50m TA a 2 Fig 8 Le MNT du bassin versant de l Orbieu en amont de Lagrasse et de ses alentours 22 LA Le relief de ce bassin est celui d un paysage de basse montagne les Corbi res constituent le prolongement nord est des Pyr n es Orientales La pente moyenne des versants est de 20 Le pic du bassin culmine environ 960 m d altitude la source de l Orbieu se situe aux alentours de 460 m et le point bas Lagrasse 117 m La pente de l Orbieu est en amont de 0 063 puis elle diminue pour atteindre 0 005 dans la partie basse du bassin 338s Profil en long de l Orbieu en amont de Lagrasse pente 0 06 pente 0 013 pente 0 008 pente 0 005 j T 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 abscisse curviligne en m Fig 9 Profil en long de l Orbieu Les profils en
178. constante et n gligeable par rapport aux autres charges mises en jeu dans la colonne de sol L eau est suppos e s infiltrer dans la colonne de sol suivant un coulement de piston Ceci a pour effet de d finir un front d humectation wetting front abrupt et horizontal hypoth se valid e par ESTEVES et al 2000 Ce front s pare un profil de sol enti rement satur du sol non encore mouill Il se d place sous l effet double d une force de succion capillaire effective et de la gravit une vitesse donn e et calculable Une hypoth se du mod le est donc d assimiler les forces capillaires agissant au niveau du front d humectation pourtant diffus dans l espace une valeur effective constante Ainsi la premi re tape du mod le consiste en la formation d une flaque a la surface du sol sous l effet de la pluie incidente Au cours de cette phase la valeur de la capacit d infiltration est gale a la valeur de l intensit de la pluie ip Cette tape dure t dur e qui peut tre valu e par la formule suivante Mein 1973 Maidment 1993 _1 S 0 P i E 58 K avec tp ponding time h K conductivit hydraulique effective mm h S la succion effective au front d humectation mm porosit du sol 1 humidit initiale 1 intensit de la pluie mm h Pour nos tudes ce temps sera toujours inf rieur au pas de temps de nos mod lisations quelques minutes tout au pl
179. creux partageant le double pic Pour le mod le de ruissellement les valeurs des coefficients de Manning pr sents dans l approximation de l onde cin matique sont celles propos es par Chow 1959 et le calage des temps des isochrones est effectu via la pr vision de l intensit de pluie l chelle du bassin 30mm h retenu Pour le mod le d infiltration coefficient de ruissellement constant nous avons utilis les donn es recueillies pour fixer la valeur du coefficient e carte d occupation des sols dominance de la for t e valeurs des pentes souvent sup rieures a 10 e sol a base de limon argile Ces informations nous ont permis d appliquer les valeurs correspondantes des coefficients de ruissellement de l ordre de Cr 0 5 Nous constatons que l hydrogramme obtenu est satisfaisant tant au niveau des dates d apparition des diff rentes phases de la crue que des valeurs des d bits Ce modele n a donc pas n cessit de calage a proprement parler a partir des observations Pour le mod le d infiltration selon Horton nous avons d utiliser les param tres pr conis s pour un sol tr s argileux de fa on obtenir des r sultats satisfaisants Nous avons fix les param tres B 0 1 min et fo 4 fc La valeur de fc a d tre ajust e fc 1 5mm h Pour le mod le d infiltration de Green amp Ampt nous avons utilis le m me sol limon argile avec les parametres pr conis s
180. crit res pour juger de la pertinence d un r sultat puisqu il faudrait d finir des crit res d valuation de la qualit d une simulation par rapport a une utilisation potentielle donn e Nous avons donc utilis les crit res suivants e coefficient de corr lation pour I erreur al atoire e biais relatif pour I erreur syst matique e Nash ou efficience pour une erreur globale De plus nous ferons suivre ces criteres d une valuation qualitative de la courbe de mont e et de la date d apparition du pic de crue 1 Gaume E 2000 Cours d hydrologie cycle de l eau et mod lisation pluie d bit ENGREF 202 IV 3 2 Test de validation sur l Orbieu MARINE a t test dans le cas de la crue de l Orbieu des 12 et 13 novembre 19997 Durant cette crue l Orbieu est l affluent de l Aude qui y a le plus contribu Nous avons choisi d tudier la partie amont de ce bassin en retenant le village de Lagrasse pour exutoire puisque des observations de d bits y taient disponibles cf chapitre IT Rappelons que les donn es de pluies disponibles ne sont pas completes l heure actuelle En effet nous disposons de 3 pluviographes sur le bassin que nous avons r partis suivant la m thode de Thiessen Les intensit s maximales observ es sont de 60 mm h la dur e de la pluie est de 1 5 jours et le cumul sur le bassin serait de l ordre de 300 400 mm Les hauteurs d eau observ es
181. ct ristique de ce que l on observe Le biais autoris devrait tre pr cis partir du mod le e Approche exp rimentale L sup max SH 0 24 B lt 0 5 borne pour image simple pour laquelle O caract rise une chelle exp rimentale caract ristique de ce que l on observe Le coefficient B est fix par la complexit de l image traiter et par l utilisation que l on veut en faire Les deux approches fournissent des r sultats comparables en terme de d finition de l chelle d observation maximale Lsup dans la th orie statistique et SH dans la th orie exp rimentale Dans les deux cas le rapport entre cette chelle maximale d observation et une chelle caract ristique de ce que l on souhaite identifier dans l image d origine est variable et doit tre pr cis au cas par cas Nous garderons a l esprit que la m thode statistique n cessite un jeu d observation et suppose des hypoth ses fortes La m thode exp rimentale Puech donne de plus acc s a l chelle d observation minimale mais elle implique que les variables qui nous int ressent aient d j t observ es et trait es Ordres de grandeur des chelles ainsi obtenues pr sents dans la litt rature Il est possible de trouver dans la litt rature quelques ordres de grandeur d chelles optimis es pour certaines variables Les r sultats obtenus sont directement reli s aux objectifs 115 de leur mod lisa
182. d une fonction de production et d une fonction de transfert de l eau sur le versant La fonction de production est d finie par e soit une infiltration constante e soit le concept de Horton e soit le mod le de Green amp Ampt La fonction de transfert est d finie par e soit par le concept des isochrones variables e soit par une r solution locale de l quation de continuit Ces deux m thodes tant bas es sur l approximation de I onde cin matique 152 Chaque m thode pr sente des avantages des inconv nients et des hypotheses d tablissement propres caract ristiques du concept particulier qu elle mod lise Toutes les m thodes ont t ainsi labor es pour tre compl mentaires Ainsi les mod les d infiltration propos s sont repr sentatifs d un fonctionnement du sol par refus d infiltration Plus le mod le est complexe et plus il est co teux en temps de calcul et en param tres de calage bien que celui ci gagne en sens physique On retiendra aussi que le concept des isochrones variables appel e aussi m thode lagrangienne est adapt l chelle du versant elle pr sente des temps de calcul courts et elle autorise de nombreuses variantes dans les hypoth ses de calcul alors que l approche eul rienne locale se focalise sur la surface l mentaire repr sentative du mod le et de fait peut plus facilement tre coupl e de nouveaux processus M thode lagrangienne M
183. d lisation Puis elle s infiltre et la lame d eau exc dentaire ruisselle sur les versants Nous d taillerons donc la fonction de transfert de MARINE sur le bassin versant Pour ce faire nous consid rerons que le ruissellement sur les versants est un processus extr mement complexe qui peut tre approch par l approximation de onde cin matique de deux fa on diff rente soit a travers le concept des isochrones variables soit travers la r solution maille maille de l quation de continuit Ensuite nous pr ciserons la fonction de production de MARINE sur le bassin versant L aussi nous avons utilis plusieurs approches une infiltration constante une infiltration approch e par le concept de Horton ou bien une infiltration d crite par le mod le de Green amp Ampt Nous pr senterons aussi le transfert de la crue dans les cours d eau principaux tel qu il est d crit par MARINE Lorsque l eau atteint la rivi re elle s y coule jusqu l exutoire selon les quations de Saint Venant Celles ci seront r solues en 1D pour r pondre nos contraintes temps r el bien qu une r solution en 2D puisse tre envisag e dans certains cas Pour chacun des mod les de ces parties nous pr senterons leurs hypoth ses d tablissement leurs donn es n cessaires leur calage ventuel les m thodes num riques cod es et les avantages et inconv nients de chacun d eux Nous finirons cette partie par u
184. de Aude de novembre 1999 pour diff rents sous bassins et l chelle du bassin entier mais aussi pour des crues survenues dans le d partement du Gard en 1995 Son impl mentation en 2002 dans un service d annonce des crues fran ais dans le cadre du projet PACTES et sa future implantation op rationnelle au SCHAPI offrent de r elles applications temps r el de ce code TITLE Towards a hydrological model for operational flash floods forecasting DISCIPLINE Hydrologie MOTS CLES Hydrologie Pr vision op rationnelle T l d tection Crues clair Mod lisation Echelles LABORATOIRE DE RATTACHEMENT Institut de M canique des Fluides de Toulouse UMR All e du Pr Camille Soula 31400 Toulouse Co encadrement et co financement par la soci t SCOT Parc de la Grande Plaine 5 rue Brindejonc des Moulinais BP 75878 31506 Toulouse cedex 5 254
185. de 50 m tres pas du MNT Regroupement en classes de rugosit pour introduction dans le mod le Fig 97 Exemple de tablissement d une carte d occupation des sols pour l Aude Comme nous l avons vu pr c demment nous avons opt pour deux conceptualisations diff rentes du ruissellement de surface se basant toutes deux sur la vitesse de ruissellement surfacique de l eau sur les versants suivante 213 h 63 U TP i pente 158 Nous avons not que le coefficient de Manning englobait erreurs et incertitudes li es a la mod lisation sa valeur devant alors tre ajust e partir d une valeur intrins que Le calage classe classe alors n cessaire mettrait en oeuvre des proc dures de calcul extr mement complexes ne faisant pas l objet de cette tude Afin de conserver la dynamique introduite par les diff rentes classes d occupation du sol tout en autorisant un ventuel ajustement des coefficients nous rempla ons le coefficient de Manning de l quation ci dessus par Ma R O Ma est le coefficient de Manning tabul tel que nous l avons vu et R un coefficient d ajustement qui pourra prendre des valeurs diff rentes de 1 si les observations le permettent et les besoins de l tude le justifient La r partition en classes diff rera avec le lieu seules les classes dominantes seront prises en compte et face aux incertitudes sur l attribution m me du coefficient de Manning tabul
186. de du logiciel Ark mie en 25 classes radiom triques Ces classes sont ensuite regroup es en 13 classes th matiques Parmi les themes repr sent s on trouve eau bois bois et garrigues garrigues et autres prairies et pelouses cf figure ci dessous Ces themes sont interpr t s a partir de quelques connaissances de la v g tation de la r gion ou de comparaisons avec des signatures spectrales sur d autres sites Ils diff rent donc suivant les r gions Notre travail consiste ensuite en un r chantillonnage de cette carte par rapport a la taille du pixel du MNT l aide du logiciel IMAGINE Les classes th matiques r chantillon es sont ensuite regroup es en classes de comportements hydrologiques suppos s semblables de fa on a se rattacher aux diff rentes classes des tables des coefficients de Manning Nous obtenons ainsi la carte d occupation des sols qui est utilis e par MARINE Image Landsat TM du 20 11 99 Classification non supervis e logiciel ark mie segmentation et classification en 25 classes radiom triques Regroupement en classes th matiques Bois ct garrigues Garrigues et autres sol nus et v g tation zone transition Prairies et pelouses en zone montagne Vignes avec vegetation herbac e Cultures annuelles dans p rim tre irrigu e Vignes Vignes sur sol nus Sol ne vignes et peri urbain Ur bain R chantillonnage au pas
187. de l ann e ou la nappe est profonde Il a observ sous de fortes intensit s de pluies un ruissellement superficiel g n ralis Il a utilis les diff rentes mesures qu il a recueilli sur ce site pour caler les mod les de Horton Philip et Green et Ampt Il a constat que les meilleurs r sultats ont t obtenus pour le mod le de Horton et que dans un sol homog ne avec une nappe profonde la limite minimale de l infiltrabilit et la conductivit hydraulique saturation au sens de Darcy sont semblables Enfin 1l a r alis des exp riences avec des traceurs g ochimiques et avec des marqueurs biologiques Cadet amp Albergel 1999 qui ont permis la mise en vidence l apparition du ruissellement hortonien Pour la crue de l Aude en novembre 1999 le maire de Lagrasse employ de la DDE a observ que des trombes d eau se sont abattues sur le village qui fut inond du fait du ruissellement des montagnes avoisinantes La promenade rue principale du village fut recouverte d une trentaine de centim tres d eau venue des collines situ es l est Cette eau vint s ajouter celle de l Orbieu dans la rue des deux Ponts parall le la rivi re et situ sur sa rive droite Ainsi la hauteur maximale de 1m60 a t atteinte dans la nuit et un fort courant emporta plusieurs voitures Le ruissellement superficiel est pr sent et sera donc d autant plus important sur les bassins m diterran ens qu
188. de ruissellement surfacique Le concept de Llamas a tendance a avancer la mont e de crue et a surestimer le pic de crue par rapport l approximation de l onde cin matique La forme globale de l hydrogramme de crue pour un sol suppos nu est semblable Enfin nous avons compar les hydrogrammes obtenus par approximation de l onde cin matique une fois prise en compte a travers le modele des isochrones et une fois a travers le mod le eul rien sur le bassin versant du Thor Dans ce cas nous avons conserv V hypoth se de stationnarit des isochrones et nous n y avons pas introduit de r seau de drainage 168 70 Comparaison module de ruissellement euler lagrange Bassin du Thor sensibilit au traitement du MNT 2000 1800 euler IGN25 bief96 1600 lagrange IGN25 bief96 1400 1200 1000 D bit m3 s 800 600 Temps h Fig 104 Comparaison des m thodes eul rienne et lagrangienne Alors que le mod le eul rien a introduit num riquement de la diffusion dans le mod le de transfert l hydrogramme r sultant est pourtant moins tal et moins aplati que celui obtenu avec l approche lagrangienne Ceci s explique par la non prise en compte du r seau de drainage dans le mod le des isochrones utilis dans cet exemple Il faudrait donc int grer la variabilit de la hauteur d eau par pixel en fonction de sa densit de
189. donn e capitale Ce r sultat n est en rien g n ralisable puisqu il suffit que le bassin pr sente certaines h t rog n it s d occupation des sols comme par exemple bois en amont et urbain en aval ou bien que les pluies sont localis es sur des occupations du sol aux 165 70 coefficients de Manning plus importants pour que celles ci affectent les hydrogrammes de sortie Evolution de l occupation des sols A partir d une carte d occupation des sols connue nous avons g n r d autres cartes pr sentant un plus fort taux d urbanisation Bassin versant du E pudre Fig 100 Modification de l occupation des sols par augmentation de l urbanisation Les hydrogrammes obtenus pour ces diff rentes occupations des sols sont pr sent s sur la figure ci dessous Le Repudre Comparaison des hydrogrammes de crue obtenus debits en m3 s pour differents parametrages des coefficients de rugosite 250 Urbanisation debits cas12 ref calees debits cas13 ref calees vill debits cas133 re valeurs du d bit de pointe diff rentes d callage temporel bit de pointe important 4 heures formes des courbes de mont e de crue diff rentes Fig 101 Hydrogrammes obtenus pour diff rentes occupations des sols la courbe bleue repr sentant la carte d origine et les courbes jaunes les occupations modifi es plus urbanis es Le d cala
190. drainage dans le calcul du temps de chaque isochrone On peut supposer a partir de ce graphique qu il existe une diff rence de volume sur les hydrogrammes Il n en est rien le taux d infiltration tant nul sur cette simulation seul le pr traitement de chacun des modules de ruissellement diff re En effet le pr traitement eul rien tel qu il a t mis en ceuvre ici impose des temps de transfert limit s pour assurer la conservation de la masse au cours de la dur e de la simulation Les pixels repr sentant des creux sont donc affect s d un temps de transfert plus court dans la version eul rienne par rapport a la version lagrangienne La comparaison de ces m thodes de r solution peut tre indicative de l chelle minimale a partir de laquelle les r sultats issus de MARINE ont une signification physique En effet puisque les observations ne nous permettent pas de valider ces approches a des chelles plus fines que celle du bassin dans son int gralit le plus souvent nous avons mis l hypoth se que ces deux m thodes eul rienne et lagrangienne devaient fournir des r sultats comparables en tout point du bassin Nous avons donc compar les r sultats diff rentes chelles Les r sultats obtenus ne pr sentent pas de diff rences marqu es lorsque les chelles d observation sont grandes cf exemple ci dessus par contre une diff rence notable a t not e pour un bassin versant de 20 km 169 300
191. e chelle plus grande va lisser la variabilit de la variable observ e et diminuer ainsi sa variance Marceau et al 1994 Booij 2002 Western amp Bloschl 1999 Bl schl amp Sivapalan 1995 On parle alors de variance r elle op et de variance apparente oL Le rapport de ces deux variances constitue le facteur de r duction de la variance K 18 x 0 I0 K est une fonction de Lsup chelle du support de la variable observ e et chelle de la variable naturelle Dans le cas d une moyenne glissante d un processus monodimensionnel elle s exprime par Ababou ef al 1985 der lite 2 19 Op sup Dans un cas bidimensionnel plus g n ral lorsque l chelle du support tend tre tr s petite ce facteur tend vers un maximum gal 1 Pour une chelle de support infinie ce facteur tend a s annuler La tendance est inverse si l on consid re l chelle du domaine Laom L incertitude tol rable sur les r sultats du mod le a laquelle nous faisions allusion au d but de cette partie nous am ne a d gager un cart acceptable entre les variabilit s naturelle et apparente pour les processus les plus sensibles Ce biais fixe ainsi l chelle du support du mod le maximale ou bien l chelle du domaine minimale consid rer pour notre mod lisation des processus Ce biais est couramment fix 10 ce qui conduit sup 2 O L 0 9 gt 0 2 comme le montre la
192. e pixel que le satellite observe est caract ris par son homog n it v g tation pente granulom trie Cette homog n it globale est en fait tiss e des h t rog n it s et discontinuit s a l chelle des chantillons petites asp rit s du sol venant du travail des racines de l rosion du sol touffes d herbes rigoles qui sont int gr es par le pixel Thirriot 1980 L homog n it d un objet en soi n existe pas elle d pend de l chelle laquelle on l observe Reprenons le cas o l on d sire identifier un pin Si la r solution de l image R est trop fine alors on ne va pas voir un pin mais seulement quelques uns de ces l ments constitutifs comme des pines de pins organis es de fa on al atoire Si au contraire la r solution de l image est trop l che alors on va observer une pin de tout enti re sans distinction particuli re entre les pins et buissons qui jonchent le sol Ainsi il faut d finir des seuils qui selon Meentemeyer 1989 sont des points critiques sur le continuum de l chelle spatiale pour lesquels l importance relative des variables d terminantes des processus change de fa on significative On y retrouve la notion de paysage hi rarchis On est donc amen a d finir la r solution optimale spatiale RSO ou le seuil minimum d observation et le seuil d h t rog n it SH ou la r solution spatiale maximale Fig 76 Repr sentation de la taill
193. e 300 plus de 500 mm ce qui avoisine les moyennes annuelles Les premi res pluies ont contribu saturer le sol puis la mont e de la crue a t soudaine Les basses plaines de l Aude la basse vall e de l Aude l Orbieu et la Cesse ont t mises en alerte simultan ment ce qui ne s tait jamais produit auparavant Localement les ruisseaux transform s en torrents ont tout emport sur leur passage arbres voitures terrains et vignes situ s proximit du lit mineur L Orbieu a vu le niveau de ses eaux monter de 4 7 m tres en 4 heures A Moussoulens le d bit de pointe observ a atteint plus de 3 000 m3 s ce qui ne s tait pas reproduit depuis la crue catastrophique de 1940 Cet v nement a touch galement les d partements voisins de l H rault des Pyr n es Orientales et du Tarn elle est responsable du d c s de 35 personnes et la disparition d une personne suppl mentaire Gaume 2002 Fig 2 Sall les d Aude crue de novembre 1999 Cette crue survenue r cemment dans le Sud de la France a t particuli rement violente et d vastatrice Elle rentre dans cette cat gorie de crues que l on qualifie de crues clair ou rapides Mais qu entend on exactement par crues clair Il est possible de trouver dans la litt rature plusieurs d finitions des crues clair voici un r capitulatif des caract ristiques des crues clair que les auteurs tudi s ont mentionn es _ 16 Car
194. e MARINE celles ci Des r solutions sup rieures pourront tre envisag es Dans ce cas la donn e la plus contraignante tant le MNT une tude de sensibilit par rapport cette variable devra tre syst matiquement r alis e Une r solution plus fine pourra ventuellement tre test e 11 faudra alors veiller la sensibilit de l occupation du sol Il semble difficile cependant de passer sous la barre des 10 20 m sous peine de modifier la th matique de cette variable Le r seau hydrographique est une donn e particuli re puisqu il s agit d une donn e vectorielle Elle sera trait e dans la derniere partie du chapitre traitant du changement d chelle entre les sous bassins et le bassin versant 118 111 2 3 4 De l chelle des observations a l chelle du mod le Booij 2002 propose d utiliser un mod le d j existant HECI USACE 1981 dont les objectifs sont comparables au mod le qu il construira Il tudie ensuite la sensibilit par rapport aux diff rentes chelles des variables d entr e sur la sortie du mod le afin de d terminer des poids d influence Enfin il calcule l chelle du mod le par une moyenne des chelles des entr es pond r e par les r sultats du test de sensibilit Cette m thode est discutable Imaginons le cas d un modele a donn es d influence quivalente Une des donn es tant d finie pour une chelle maximale de 10 m et l autre pour 100 m L
195. e Philippon pour votre disponibilit et votre efficacit Merci a Fabienne Grazzini de la soci t ASTRIUM pour l int r t que tu as t moign a mes travaux tes conseils et nos restos Merci la soci t ASTRIUM et a l quipe d Arnaud Robert de Saint Vincent et de Jean Louis Ducuing pour m avoir permis de suivre une formation GEOCONCEPT et pour m avoir accueillie dans vos locaux a de multiples occasions Merci mon employeur actuel la soci t SOGREAH pour m avoir permis d apporter les derni res touches ce rapport dans les meilleures conditions qui soient J ai eu la chance au cours de ma th se d tre monitrice puis Attach e Temporaire a l Enseignement et la Recherche l ENSEEIHT Merci Maryse Andr qui a toujours t pr sente lors de ma scolarit merci pour ton aide pr cieuse pour ton soutien pour ta ga t Un grand merci Christian Suzanne pour votre ternelle bonne humeur et vos histoires dr les irremplacables mais surtout merci pour votre aide et votre encadrement lors des enseignements que j ai dispens s merci aussi pour nos discussions scientifiques toujours tr s enrichissantes Merci Pierre Crausse mon tuteur p dagogique ancien Directeur du D partement Hydraulique de l ENSEEIHT pour votre soutien et vos pr cieux conseils pour la confiance que vous m avez t moign e de nombreuses reprises et tout particuli rement lors de ma recherche de travail apres la th se Encore merci a Benoit
196. e de l objet O du seuil d h t rog n it SH et de la r solution spatiale optimale RSO Le SH d pend de la taille de l objet O On peut trouver dans Puech 2000 quelques estimations de SH connaissant O Dans le cas d analyse d images spatiales simples signal binaire par exemple le rapport entre taille de l objet et r solution doit tre au moins gal a 2 il sera plus grand pour des images plus complexes th or me de Shannon R lt SH SH O 2 21 Donc R lt O 2 111 La RSO est d finie par la taille de la maille pour laquelle un estimateur de la variance locale pr sente un minimum Elle repr sente donc la r solution minimale pour laquelle l objet appara t comme homog ne La valeur de la RSO est variable selon les objets que l on souhaite observer Ce qui joue dans sa d termination ce sont les caract ristiques spatiales g om trie organisation de l individu ou du peuplement que l on souhaite identifier Toutefois le lien entre la RSO et la taille de l objet discriminer reste identifier Selon Puech 2000 il faudrait analyser pr alablement la g om trie de l objet et l volution de sa vision avec un changement de r solution avec des zones tests et des images Tr s Haute R solution Il a donc r alis de nombreuses exp riences Voici quelques ordres de grandeurs de RSO qui ont t obtenus pour certaines cat gories d occupation du sol Type d objet obs
197. e de la densit de drainage amont du pixel consid r plus le r seau amont est important plus l coulement est concentr plus les hauteurs d eau sont importantes On obtient alors le temps de transfert caract ristique d une isochrone suivant 5 0 L oron E X dt gt 3 che min che min U ij 2 5 3 5 3 10 2 5 51 T ochron D a flowace Ma So L pas che min avec Soi la pente locale Lij la distance s parant le point consid r du voisin vers lequel il s coule pas la largeur du pixel carr Mai le coefficient de Manning du point Ip intensit de pluie nette au dessus du point flowacc une fonction caract ristique de la densit de drainage amont dt le pas de temps local variable Uj la vitesse de ruissellement locale C est l expression que nous retiendrons pour caler les isochrones 111 3 1 1 6 Discussion sur le choix de ce type de mod le La r solution num rique de ce concept se fait par une approche lagrangienne qui peut tre d coupl e en deux phases La premi re constitue un traitement r alisable avant tout autre chose et fournit un fichier de donn es contenant toutes les informations n cessaires a la mise en uvre des isochrones variables Le second traitement doit tre r alis en temps r el apr s chaque acquisition d une nouvelle observation de pluie Les isochrones constituent un concept adapt aux bassins et aux sous bassins versants
198. e de propagation 1D Au del de ce seuil fix pour nos tests 25 cm pour une d nivel e moyenne de 3m sur 4km de long le bruit suffit faire d border l coulement dans le lit majeur Toutefois cette influence sera d autant plus faible que les d bits seront plus forts En effet pour des d bits sup rieurs au d bit de plein bord la portion d coulement qui passe en lit majeur devient signifiante devant celle qui reste en lit mineur Des tests similaires r alis s sur la largeur du lit mineur ont mis en vidence l apparition d un seuil pour des bruits d intensit sup rieur a 2m pour une largeur moyenne d environ 60m Enfin un bruit a t ajout sur la topographie du lit majeur en altitude Pour des d bits suffisamment grands il a t observ que ce bruit tait insignifiant sur l tendue de la surface inond e tant qu il pr sentait des amplitudes moyennes relativement faibles une amplitude moyenne de bruit de 50 cm occasionne une perte de 5 de la surface inond e Par contre une amplitude moyenne de bruit fix e a 1m a t test e Elle engendre une diminution de la surface inond e de 40 176 Q 500 m3 s 32 Surface libre pour un lit mineur a fond rugueux 30 28 Surface libre pour un lit 26 mineur a fond rel lisse 24 C te d eau m 22 Rugosit du lit mineur 20 18 T T T T l 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
199. e double bosse constitu e par des points d gales valeurs de d bit pour des intervalles de temps r guliers Nous constatons aussi que les valeurs des points d observation repr sentent des d bits d gale amplitude pour des intervalles de temps r guliers Il est donc difficile d valuer l incertitude qui entache les d bits observ s disponibles nous l avons arbitrairement fix s 40 comme Gaume 2002 l a fix sur le bassin de la Nielle dont les observations taient moins controvers es D bits de crue issus des hauteurs d eau observ es Lagrasse pour la crue des 12 et 13 11 1999 600 0 7m12 observ s 500 0 Lagrasse le 12 11 99 23h Lefrou Donn es DDE Lefrou 400 0 Gendarmerie de O0 Lagrasse inond e le ia 300 09 12 11 99 21h a Lefrou Donn es Gaume TD m 100 0 Le 12 11 99 8h 0 0 40 50 60 30 temps h Fig 16 Hydrogramme de crue observe Lagrasse source DDE 11 La mont e de crue est rapide moins de 10h pour un d bit maximum qui serait d environ 560 m s soit un d bit sp cifique de 2 15 m s Km 40 Fig 17 Photo du Pont Neuf a Lagrasse Barrau et al 2003 Courbe de tarage de l Orbieu a Lagrasse 600 0 500 0 400 0 300 0 d bit m3 s 200 0 100 0 A 0 0 a hauteur d eau m Fig 18 Courbe de tarage de l Orbieu fournie Lagrasse La
200. e du bassin versant de l Aude _ 48 Bois ct garrigues 1 bois de feuillus et de r sineux Garrigues et autres sol nus et v g tation zone transition Prairies et pelouses en zone montagne Vignes avec v g tation herbac e 3 vignes et cultures p rennes Cultures annuelles dans p rim tre irrigu e a san gu e 4 cultures annuelles et prairies Vignes Vignes cur sol nus 5 urbain artificialis et sol nu Sol ne vignes et peri urbain Urbain 6 eau zone humide Fig 23 Regroupement en 6 classes Beau M Bois de feuillus et r sineux W Garrigues M Vignes amp cultures perennes O Cultures annuelles amp Prairies B Urbain Fig 24 Repr sentation de chacune des 6 classes surfacique 11 2 2 2 2 La crue clair des 12 et 13 novembre 1999 Pluie Pluviographes La pluie brute moyenne annuelle sur Aude varie entre 700 et 800 mm La normale mensuelle pour un mois de novembre est de 60 a 80 mm Le bassin est quip de pluviographes irr guli rement r partis la plupart des postes se situent dans sa partie Est 9 postes de mesures pluviom triques t l transmis dans le d partement de Aude ou frontaliers mis disposition par M t o France sur son serveur au moment de l tude La densit du r seau pluviom trique est d environ 1 poste pour 500 km2 dans cette r gion Les caract ristiques de l v nement de novembre 1999 sur la zone d tude que l
201. e fa on traduire des conditions initiales diff rentes 80 et particuli rement l tat initial d humidit des nappes perch es difficilement approchable par l tat des nappes profondes comme le fait la version utilis e de TOPMODEL Ainsi les r sultats obtenus sont acceptables mais le calage du param tre restant est extr mement d licat La gamme de variation de ce param tre est tr s tendue la sensibilit des r sultats ces variations est forte et le manque de sens physique des param tres nous emp che d anticiper une valeur de calage convenable Enfin la version disponible de TOPMODEL ne g re pas l h t rog n it des pluies ce qui pourrait s av rer tre un facteur limitant et expliquer le manque de performances de certaines des simulations r alis es 8 1 2 3 3 Application de HECHMS sur la crue de l Orbieu en amont de Lagrasse Nous avons ensuite utilis un second logiciel de mod lisation des crues HEC HMS Celui ci a fourni d s les premiers essais d application des r sultats satisfaisants Ainsi au vu de la particularit de ce logiciel de simuler une m me crue par la mise en ceuvre de diff rentes formulations hydrologiques il nous est apparu plus judicieux de travailler directement sur la crue de l Orbieu de novembre 1999 afin de tester la potentialit de chacun des diff rents mod les hydrologiques propos s par HEC HMS reproduire cette crue Notre objectif tai
202. e hydrologique du bassin se pose alors Une analyse la fois des chelles des donn es et aussi du saut d chelle qu une conceptualisation math matique donn e d un processus physique particulier peut r aliser a t men e Elle nous a conduit vers la d finition du code hydrologique MARINE tel qu il est pr sent dans cette th se c est dire structur horizontalement pour pouvoir s adapter aux donn es disponibles et aux particularit s des bassins et verticalement pour pouvoir franchir un nombre suffisant de niveaux d organisation hi rarchique du paysage MARINE a pu tre test sur diff rents sites du Sud de la France ayant t soumis de violentes intemp ries Cependant le nombre de crues clair observ es quantitativement sur des bassins versants tels que ceux tudi s dans ces travaux de th se manque De fait la phase de validation de MARINE est incompl te Une des premi res suites donner ce travail serait de r aliser une batterie de tests de validation propres aux crues clair et de les appliquer sur MARINE Ces tests pourraient comprendre des tests li s au comportement num rique du code des tests sur des solutions analytiques existantes des tests testant le comportement du code face des conditions extr mes et bien s r des tests r els correspondants sp cifiquement des crues clair observ es Id alement ces tests devraient tre appliqu s en temps r el puisque ce code est d di
203. e la pluie sera forte t Issu des travaux des l ves ENSEEIHT dans le cadre du BEI 2002 2003 http www enseeiht fr hmf travaux CD0203 travaux optsee be1 3 site trinome index htm _ 29 Modes d ecoulement du ruissellement de surface Le mode d coulement du ruissellement sur les versants est tr s complexe Il est courant de consid rer qu partir du moment o des flaques se forment sur le sol et pr sentent une paisseur suffisante elles vont s couler En amont le ruissellement se fait en nappe d paisseur fine qui s coule le long d une surface large Ce m canisme ne persiste que sur de courtes distances quelques dizaines de m tres Au del les non uniformit s de la surface concentrent les coulements en rigoles tortueuses Au cours de cette phase de l coulement non uniforme on distingue les ravines ph m res et larges des rigoles turbulentes les zones d rosion des zones de d p ts Toutes ces rigoles se rejoignent se concentrent grossissent et cr ent ainsi le r seau hydrographique temporaire qui rejoint le r seau permanent Chow ef al 1988 Puech 2000 La localisation et la description du r seau temporaire en de d un certain ordre sont difficilement r alisables l chelle de la parcelle et donc a fortiori l chelle du bassin tout entier Souchere et al 2003 Cerdan et al 2002 D un autre c t Gascuel Odoux et al 1999 pensent que ce ruissellement ne peut pa
204. e r solution des images satellitales et th orie statistique pour un paysage hi rarchis Pr sentation d un exemple Bian amp Walsh 1993 et Artan et al 2000 d finissent la longueur caract ristique d une image comme la distance qui s pare en moyenne 2 pixels qui ne voient pas la m me condition de surface classe d occupation du sol par exemple Artan ef al 2000 calcule cette longueur partir de deux m thodes La premi re consiste analyser la forme du semi variogramme Si celui ci pr sente un plateau alors 11 d finit le break point de la courbe Ce point correspond a la distance partir de laquelle l influence de l chelle n est plus tr s importante La seconde correspond au calcul de l int grale de l autocorr lation Ces deux m thodes sont r alis es pour la r solution d acquisition des images 2 5 m pour chacun des sites et pour chacune des variables Les longueurs caract ristiques qu il obtient sont les suivantes M thode graphique M thode int grale NDVI NE date 1 113 NDVINE date 2 RST NE date 1 RST NE date 2 Tab 20 Longueurs caract ristiques de diff rentes variables Ensuite il simule diff rentes r solutions pour ses donn es et r alise des mod lisations sur les flux thermiques influence de la variable RST Il calcule les coefficients de corr lation entre ses r sultats et les observations Tab 21 Coefficients de corr lation obtenus pour
205. e sur le stock d eau a l quilibre de ces incertitudes se traduit par ae BEG 316 03 53 D Ma L So P avec De le stock d eau l quilibre Ma le coefficient de Manning L la longueur de ruissellement So la pente moyenne et P la pluie nette Cette formulation est d duite de l approximation num rique d une solution r sultant de l int gration pr cise des quations de base pour une gamme tendue des variables et param tres de ces quations La source d incertitude la plus grande est donc due la longueur de ruissellement Or il s avere que cette grandeur est probablement la plus difficile appr hender a nos chelles de mod lisation Viennent ensuite le coefficient de Manning qui comme nous l avons vu doit permettre d int grer les incertitudes de mod lisation et dont la valeur sera sujette une valuation expertale et la pluie nette qui l encore est tr s incertaine une chelle locale AP Cela revient dire que l incertitude sur le stock d eau disponible pour le ruissellement superficiel l quilibre peut tre localement tr s importante Ainsi l chelle du support du mod le les grandeurs physiques valu es par les quations mises en uvre sont probablement fausses Une question sur le changement d chelle que r alise le mod le se pose nouveau Il ne s agit plus comme pr c demment de d finir le changement d chelle maximal autoris par
206. eignements suivants e Les m canismes de gen se des coulements par saturation des sols seraient pr dominants par rapport aux m canismes de gen se par d passement des capacit s d infiltration dits hortoniens e Un seuil de fonctionnement appara trait en cours de crue dans un premier temps la pluie s infiltre laissant le coefficient de ruissellement progresser lentement dans un second temps les coefficients de ruissellement s approchent des 100 e 150 200 mm de pluie sont retenus sur le bassin versant et ne participent pas la crue Toutefois ces chiffres sont obtenus par le calage d un mod le ils ne repr sentent pas forc ment une r alit physique Ces propositions sont des hypoth ses qu il d duit de t moignages et de simulations Il ne s agit en aucun cas de faits incontestables Il conclut d ailleurs les donn es disponibles la suite des crues sont elles suffisamment riches et pr cises pour permettre une r elle interpr tation hydrologique gt Musy A 2001 Cours d hydrologie g n rale Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne http dgrwww epfl ch HY DRAM e drologie chapitres chapitre1 1 main html 33 Il apparait donc que les observations et recherches pass es ne permettent pas de conclure sur un mode donn de gen se de crues clair qu il s agisse d une apparition du ruissellement par limitation de la capacit d infiltration ou par remont e locale de la nap
207. en de tous les instants et peut tre plus particuli rement pendant ma grossesse p riode professionnellement difficile Mais aussi pour ta bonne humeur tes talents de cuisini re et ton accueil toujours tr s chaleureux en compagnie de St phane Je vous souhaite de vous panouir dans une activit orient e vers les arts et la communication qui correspond a vos attentes et a vos dons Merci aussi tous ceux que j ai c toy s durant ces ann es avec qui nous avons tant t plaisant tant t travaill mais que je ne peux citer tellement ils sont nombreux J ouvrirai juste une parenth se pour Anne Laure Le Fessant pour ton amiti et ton aide de tous les jours ainsi que pour tes talents de cuisiniere Yves Pellerin pour ta sympathie et ta bonne humeur Lynda Audette ma qu b coise pr f r e David Labat pour tes conseils scientifiques et tes talents de relecteur Et je ne saurais oublier Olivier Eiff Dominique Astruc Anne Laure Cad ne Abdelha Fhoti Karine Leroux Sabine Sauvage Philippe Maison Ali Fadili Julien Nicod D borah Idier H l ne Mouilleron Fabienne Coll Marie Duval Karine Spielmann Merci tous les stagiaires du groupe pour leur travail et leur bonne humeur Nicolas Lejeune Xavier Perrot Julien Neveu Daniel Palop Laetitia Grimaldi Julien Walter Emmanuel Guilmin Mathilde Cauhop Arnaud Modeste St phanie Gu dy Christelle Laloi Guillaume Bonnafoux Nguyen Tien Cuong Antoine Kergomard et Emil
208. en extraire les chemins pr f rentiels de drainage correspondant aux affluents principaux sans les avoir initialement consid r 111 3 1 2 Mod lisation eulerienne de la vitesse de ruissellement 111 3 1 2 1 Conservation de la masse La r solution porte sur l quation de conservation de la masse 52 08 P Ot Ox avec S la surface de la section du pixel x la direction d coulement t le temps Q le d bit P l intensit de pluie brute et I le taux d infiltration Cette quation est r solue selon les hypoth ses que le passage d un pixel au voisin se fait e suivant la pente et la direction d coulement du pixel d finies par la d riv e directionnelle maximale entre les 4 possibles selon les directions cardinales e avec la vitesse de l onde cin matique valu e pour le coefficient de Manning du pixel et pour la hauteur d eau du pixel amont si le flux est entrant ou pour la hauteur d eau du pixel consid r si le flux est sortant e avec une lame d eau uniform ment r partie sur toute la surface du pixel consid r Ensuite cette quation est r solue par un sch ma aux diff rences finies explicite amont version initiale Neveu amp Perrot 2002 cod e sur la base du programme lagrangien Ce sch ma num rique introduit de la diffusion num rique et tend ainsi att nuer l hydrogramme de crue Afin que cette r solution soit op rationnelle en temps r el il peut devenir
209. ent en nappes ou en rigoles sur des surfaces imperm ables ou travers des sols en 3 dimensions Moore 1990 Celui ci d pend de chelle d observation de la surface du sol et des pr cipitations La mod lisation de ces coulements passe donc par des hypoth ses simplificatrices fortes Chow ef al 1988 proposent de d crire l coulement naissant en nappes par un r gime permanent et uniforme r pondant aux lois des coulements surface libre La loi reliant le d bit la hauteur d eau est donc une loi en puissance dont les param tres d pendent de la turbulence de l coulement Llamas 1993 mod lise aussi ce ruissellement par une nappe pour laquelle il propose une vitesse d coulement empirique d pendant de la pente exclusivement _ 30 Une fois l coulement concentr Chow et al 1988 supposent que celui ci peut tre d crit par la vitesse de Manning classique pour laquelle la g om trie du lit de la rivi re va influencer l expression du d bit Kavvas 1998 propose une mod lisation relativement complexe des coulement en rigoles sur des parcelles types Dans le m me tat d esprit le SCS 1986 propose une mod lisation conceptuelle du ruissellement surfacique passant par l valuation de temps caract ristiques Chaque temps d crit une phase du processus d coulement en nappe car naissant en rigoles dans les rivieres Toutefois il arrive que cet coulement soit d crit
210. ent dans leur co t leur non modularit l inaccessibilit de leur code source et le manque de d tails des quations programm es 11 2 3 1 7 AIGA la m thode sp cifique aux crues clair Il s agit d une m thode d velopp e conjointement par M t o France et le C magref qui pour vocation la pr vision op rationnelle des crues clair Gregoris ef al Les pluies introduites dans le mod le sont d une part les pluies du radar m t orologique re ues toutes les 15 minutes et d autre part une pr cipitation pr vue une heure Le mod le hydrologique l chelle du bassin versant utilis est la m thode du SCS US soil Conservation Service Il faut fournir cette m thode 2 param tres ainsi qu une condition initiale d humidit Cette derni re est fournie quotidiennement par ISBA La sortie d AIGA est une valuation du risque bas sur la p riode de retour de l v nement ainsi pr vu 2 10 ans 10 50 ans au del de 50 ans _ 65 Ce modele est appliqu a quelques crues clair survenues au cours de ces deux derni res ann es sur arc m diterran en Modeles Statistique ou Taille de l unit Type de calage base physique hydrologique Hydrogramme de TOPMODEL TOPKAPI HEC HMS SOPHIE MIKE SHE AIGA A base physique versant zones contributives satur es base physique processus complexes base physique processus de type hortonien M
211. entent les sorties du module hydrologique de MARINE La seconde quation traduit la conservation de la quantit de mouvement on y retrouve dans les termes de gauche les variations temporelle et spatiale de la quantit de mouvement et les forces de pression hypoth se de r partition hydrostatique de la pression et dans les termes de droite la variation de quantit de mouvement due aux apports lat raux le frottement la paroi J et les forces volumiques On note que la valeur k 0 suppose que le d bit lat ral soit orthogonal la direction de l coulement global de fa on ne pas apporter de quantit de mouvement alors que k 1 signifie que le d bit lat ral apporte avec lui sa quantit de mouvement avec une vitesse gale celle de l coulement Ainsi lorsque que le d bit lat ral est sortant la vitesse de sortie sera gale a la vitesse de sortie de l coulement donc cela correspondra k 1 et lorsque que le d bit lat ral est entrant la vitesse en projection sur l axe de l coulement sera nulle ce qui correspondra k 0 Pour fermer ce syst me il faut exprimer le d bit en fonction de la hauteur d eau c est dire donner explicitement l expression de J c est la loi de pertes de charge Il existe plusieurs relations d crivant cette loi Dans notre tude nous avons choisi d utiliser la relation de Manning Strickler Q ee ea wala 62 Ks SRy avec Cy Ks Ry Ks est le coefficient de
212. epr sentative de la densit de drainage amont en chaque point ce qui rend la hauteur d eau ruisselante sur le bassin h t rog ne Cette fonction a t extraite de ArcView et conduit aux r sultats repr sent s sur la figure ci dessus par des petits cercles Nous constatons que les fronts de mont e et descente sont plus abrupts le pic est plus important et l g rement avanc Nous retrouvons l l influence de la prise en compte d un r seau de drainage non permanent travers la nouvelle estimation de la hauteur d eau 167 IV 2 1 1 3 Comparaison des diff rentes formulations du ruissellement superficiel MARINE repr sente le ruissellement superficiel de trois fa ons diff rentes soit dans le mod le des isochrones coupl es l approximation de l onde cin matique soit dans le mod le des isochrones coupl es au concept de Llamas soit dans le mod le eul rien de r solution de l approximation de l onde cin matique Nous avons superpos ci dessous les hydrogrammes obtenus partir du mod le des isochrones coupl es l onde cin matique et la vitesse de Llamas Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la forme de la vitesse de ruissellement superficiel 800 700 ns MARINE OC amp GA 600 moo MARINE Llamas amp GA 500 400 D bit m3 s 300 7 Z 100 Temps h Fig 103 Sensibilit a la formulation de la vitesse
213. er la classe majoritairement repr sent e pour les donn es issues de l occupation des sols Ce cas peut se pr senter si la variable est trop peu influente on se posera alors la question sur l int r t de la conserver dans la mod lisation moins que cela ne provienne d une limitation dans la disponibilit des chelles de mesures Cette solution nous expose au risque de devoir red finir des donn es des chelles inf rieures leur chelle caract ristique maximale d finie pr c demment Dans le cas o le paysage est consid r comme continu cela ne poserait pas de probl me par contre dans le cas d un paysage hi rarchis on pourrait alors tre amen franchir un seuil de fonctionnement et par suite d finir la valeur d une donn e la o elle n existe pas par exemple l chelle de l aiguille de pin la pin de n existe pas 120 11 2 4 Echelles des quations representatives du processus dominant Nous avons fait l hypoth se que la gen se et la propagation d une crue clair taient majoritairement dict es par le ruissellement superficiel C est donc le domaine de validit de la mod lisation de ce processus particulier qui va fixer les chelles de travail 111 2 4 1 MARINE Echelles de travail du mod le MARINE peut tre qualifi de mod le perceptuel Sivapalan 2003 car il se concentre sur la mod lisation des processus dominants dans la gen se et la propagatio
214. erv rose et simul s bleus avec diff rents coefficient de Strickler Moussoulens L efficience est de 0 97 le coefficient de corr lation de 0 81 et le biais relatif de 0 02 pour la plus fiable des deux simulations Suite a quoi une tude de d termination du champ d inondation plus locale a t r alis e a partir du MNT le plus pr cis 25m et donc sur une zone r duite du domaine tudi 100 km autour de la zone de Cuxac d Aude A cet endroit la majeure partie de l inondation a fait suite une rupture de digue survenue Sall les d Aude apparue au paroxysme de la crue 2500 m s et ayant entrain e un rupture du pont de la voie ferr e Nous ne disposions pas des valeurs observ es in situ qui nous permettraient de contr ler la validit des r sultats du mod le Toutefois le rapprochement des zones inond es obtenues par le mod le avec les laisses de crues relev es par Landsat est tout fait satisfaisante comme le montre la figure suivante o les limites des laisses de crue sont figur es en trait noir tendant prouver que les c tes maximales calcul es sont correctes 216 S000 LL LILI 7000 S000 42000 43000 44000 4500 46000 470 48000 47000 Fig 153 Vue locale des submersions en rive gauche vers Cuxac et superposition avec la laisse de crue extraite de l image satellitale Il faut souligner que le mod le g n ral grande chelle constitue une tentative pionni re d util
215. erver occupation du sol RSO m r solution optimale O 30 100 et RSO 10 poche 30 100 et RSO 10 Reboisement O 30 100 et RSO 10 1 esp ce d arbre dans une 3 5 plantation r guli re Eucalyptus dans for t m diterran enne Ch ne dans for t m diterran enne 12 12 Ch taignier dans for t 15 m diterran enne 30 40 Objets l mentaires O 1 5 et RSO 1 1 Sols nus O 1 5 et RSO 1 VE g tation O SJ etRSO 1 Tab 18 Valeurs de quelques RSO Louy et al 1997 tudie la variabilit de la structure de peuplements forestiers virtuels et homog nes l aide d une analyse fractale afin de mettre en vidence la pr sence de seuils De son tude il obtient les valeurs suivantes e Entre 3 et 9 m ce sont les composantes de l arbre qui dominent il n est donc pas possible d identifier l arbre en temps que tel e Entre 12 et 18m l individu est reconnaissable e Entre 21 et 30 mc est le peuplement qui prime e A 90 m la zone d tude toute enti re les caract ristiques fractales sont stables Il y a donc franchissement d un seuil vers 20 m a partir duquel le peuplement est identifiable Cette valeur de 20 m est indicative de la RSO pour des for ts 112 L cart type traduit l h t rog n it 11 cro t chaque arriv e d un nouvel objet dans le champ de l image L tude de l cart type du canal rouge dans la r gion de Mon
216. es tudes sp cifiques aux crues clair sont rares et bien souvent les auteurs parlent de crues au sens large du terme D un certain point de vue il semblerait que cette information ne joue qu un r le mineur dans la gen se de la crue D apr s Gar on 1999 l talement de l hydrogramme l exutoire d un bassin est d 90 l talement temporel de la pluie et la fonction de transfert moyenne du bassin La distribution spatiale et l intensit de la pluie n ont comparativement qu un r le mineur Obled ef al 1994 abondent dans ce sens en pr cisant que les fluctuations pluviom triques spatiales bien qu importantes ne sont pas suffisamment organis es pour prendre le dessus sur les effets du ruissellement effets int grateur et humidificateur pour des bassins ruraux de quelques dizaines de km D un autre point de vue celle ci pourrait avoir des cons quences non n gligeables sur les crues Ceci a t souvent soutenu pour des grands bassins versants de quelques dizaines de milliers de km mais beaucoup moins pour des petits Niemczynowicz 1987 pr cise que ceci est d autant plus vrai que le petit bassin versant est urbanis Mais Krajewski et al 1991 Corradini amp Singh 1985 Troutman 1983 ont sugg r que les petits bassins versants naturels montraient aussi une forte sensibilit aux h t rog n it s de la pluie Datin 1998 remarque que l h t rog n it spatiale de l
217. es d coulement plus faibles 25m Puis pour une largeur de rigoles cumul e sur le pixel de Im Fig 87 Domaine de validit de l OC en blanc valu pour de tr s faibles largeurs de rigoles d coulement 1m Nous remarquons alors que le fait de simuler le ruissellement en rigoles parall les et non plus en nappe r duit consid rablement le domaine de validit de l approximation de l onde cin matique Cette r duction concerne essentiellement des cours d eau d ordre inf rieurs du r seau hydrographique 129 G n rons enfin des MNT a 100m et a 500m de r solution partir de notre MNT 50m Le changement de r solution est fait sous ArcView Appliquons ensuite les crit res d applicabilit de I onde cin matique cette nouvelle chelle Le domaine de validit de l onde cin matique pour une intensit pluvieuse de 10 mm h une largeur de rigole et une longueur d tablissement de l coulement de la taille de la nouvelle maille devient Fig 88 Domaine de validit de l onde cin matique blanc pour une chelle de support de 100m Fig 89 Domaine de validit de l onde cin matique blanc pour une chelle de support de 500m Le domaine de validit s tend consid rablement couvrant m me le r seau On peut supposer que l augmentation de taille de la maille va englober totalement l information riviere 130 De fa on analogue nous avons g n r un MNT
218. es pluies qui n est pas prise en compte dans cette version du logiciel nous reviendrons l dessus dans un chapitre ult rieur Quant au second pic de crue simul il pr sente une forme largie et aplatie qui ne correspond pas aux observations Le d bit maximum et sa date d apparition ne conviennent pas I semble donc impossible de reproduire correctement cette crue avec cette version du logiciel Crue du 3 10 95 Corb s La deuxi me crue de r f rence choisie est celle du 3 10 95 Corbes caract ris e par CRUE 3 10 95 Intensit maximale de la pluie 41 mm h 789 m s Tab 8 Pluie du 3 10 95 Corb s Soit un d bit sp cifique maximum de 3 16 m s km Sur cette crue nous avons cal TOPMODEL selon la m thode pr c demment d finie Cependant nous avons aussi envisag des calages avec des crit res d optimisation des r sultats diff rents Les diff rents param tres cal s sont les suivants PM 00 0 2 Srimit 0 22 0 06 0 23 Variables pr vues Q cumul et en Q en certains instants Q cumul et en certains instants certains instants _ 69 Tab 9 Param tres de calage de TOPMODEL Hydrogrammes de crue TOPMODEL Corb s 03 10 95 m M as a 20 1000 30 MB hy to mm h e DEBITS OBSERVES TOPMODEL calage1 TOPMODEL calage2 600 TOPMODEL calage3 800 L 40 50 d bits m3 s pluie mm h 60
219. es qui voluent suivant une chelle temporelle de l ordre de la journ e ou plus et qui concernent des bassins versants moyens grands plus de 1 000 km les moyens d instrumentation de t l surveillance et de pr vision assur s par les Service d Annonce des Crues fran ais SAC rattach des DIREN ou DDE le plus souvent peuvent tre suffisamment performants et permettre une gestion de crise efficace D autres crues sont moins bien anticip es par ces m thodes C est notamment le cas des crues clair ou rapides qui sont provoqu es par des pluies d intensit extr me s abattant sur de petites moyennes surfaces jusqu quelques centaines de km pour des temps de r action du bassin de l ordre de quelques heures Les apparitions r centes et fr quentes d v nements dramatiques dans certaines r gions pr f rentielles bassins m diterran ens du Sud de la France l volution de la perception individuelle du risque ainsi que l extension de l occupation de certaines zones sont autant de facteurs qui ont contribu susciter une forte demande soci tale autour de anticipation de ces crues clair Un autre cas o les m thodes utilis es essentiellement bas es sur des historiques anciens sont mises en d faut concerne les bassins peu ou pas jaug s 1 2 Crues clair et bassins mal jauges Lorsque l on parle de bassins non jaug s viennent l esprit les grands bassins versants des pay
220. ette m thode des ordres de grandeur des chelles d observation a partir des donn es accessibles et seulement de celles ci il s agit de savoir ce que l on peut faire partir des donn es disponibles et non ce que l on pourrait faire partir de donn es fictives le rapport entre chelle des variabilit s et chelles d observation n tant qu indicatif et d pendant de la nature des donn es et du modele Application de cette m thode statistique sur un MNT de l Orbieu Nous avons dans cet exemple trait le MNT a 50m disponible sur le bassin versant de l Orbieu en amont de Lagrasse Nous avons calcul le variogramme et le corr logramme associ s a ce bassin grace au logiciel VARIOWIN Les capacit s en terme de taille de matrices a traiter tant volontairement limit es dans ce logiciel nous avons travaill sur plusieurs chantillons du MNT Cette d marche nous permettra d analyser la validit de l hypoth se de stationnarit que nous avons faite et qui est indispensable Ser ou ANT Extrait n 2 du MNT Varlogramme au a arlogramme z DEH O 5O O 1 l eee a Csupa 160m p Extrait n 1 du MNT loupe 120 rr Extrait n 2 du MNT vim AutoCorrelogramme me AutoCorr logramme AE Tia Que pai aus Pe i De 2 D mo 7 m on A b 4 n rt b pue i Be dta haat 4080 Wi Fig 74 Variogramme et autocorr logramme extrait d un MNT 50m de l Orbieu
221. eures avoisine une lame d eau moyenne de 180 mm sur la totalit du basin pouvant atteindre localement des cumuls de plus de 300 mm Ce type d v nement correspond a la crue clair de novembre 1999 qui est survenue dans le Sud de la France Aude Gard Pyr n es Orientales H rault Cet v nement a t exceptionnel du fait de son tendue spatiale et des intensit s locales de pluie qui ont t atteintes 189 Fig 128 Distribution du cumul de pluie sur le bassin du Thor L occupation des sols Nous pouvons observer sur la carte d occupation des sols du Thor interpr t e a partir d une image SPOT et pr sent e ci dessous la part importante de la for t Les valeurs des coefficients de Manning sont extraites du Chow 1959 for t dense 0 1 v g tation dispers e 0 05 prairie 0 035 sol nu 0 025 Fig 129 Occupation des sols du basin du Thor interpr t e depuis une image SPOT Le calage de la partie hydrologique de MARINE De fa on n tudier que l influence des diff rents MNT sur le ruissellement superficiel nous avons opt pour une infiltration nulle Les donn es du module hydraulique de MARINE La description du lit du cours d eau principal du basin peut tre obtenu de diff rentes mani res Nous en avons retenu trois ici e partir de mesures ponctuelles par un g om tre GPS et th odolithe de la topographie des lits mineurs et majeurs de la rivi re e en projet
222. faces lt I10km de diam tre comme pour la crue de Puycerguier 1996 moins qu il ne s agisse de pluies provoqu es par des syst mes convectifs de m so chelle o l extension longitudinale du syst me prend en charpe le bassin quelques centaines de km Le for age est alors g n ralis et perdure anormalement Le ruissellement surfacique se g n ralise et concerne l ensemble du bassin Enfin suivant l chelle spatiale d observation du bassin les cons quences de ces processus peuvent tre tr s diff rentes Jones 1997 a d fini de fa on syst matique le type d coulement qui se produit en fonction de la superficie du bassin et du temps de mont e des crues 22 ecoulements ones 0 4 0 00004 surface du bassin versant km2 Fig 6 Courbes enveloppes du temps de mont e en fonction de la surface du bassin versant d apr s Jones 1997 Il ne semble donc pas possible dans l tat actuel des connaissances de d finir des lois g n rales de fonctionnement de gen se de crues clair Le comportement de certains bassins lors d une crue clair sera la prolongation de son fonctionnement courant alors que dans d autres cas le fonctionnement extr me sera un fonctionnement inhabituel qui ne correspondra pas l extrapolation des fonctionnements courants Obled 1999 De son tude sur la crue clair qui a touch l Aude en novembre 1999 Gaume 2002 en a tir les ens
223. figure ci apr s 106 Processus naturels Mesures OO _O 8 6 v LOL MOYENNE SPATIALE sur Laom OU Lup L v HM stationnarit CO K O K Rapport des variances 2 I 1 Ldom 0 9 0 9 Lsup 0 a 0 0 001 0 2 1000 0 001 5 1000 L Rapport des chelles Fig 71 Bilan sur les effets de la prise de moyenne Limites d application de cette m thode Cette technique tr s int ressante sur le plan th orique pr sente cependant quelques limitations de mises en uvre Le caract re gaussien en densit de probabilit est souhaitable mais pas essentiel Le caract re isotrope du variogramme ou de la covariance permet de simplifier l analyse mais n est pas une hypoth se n cessaire Les r sultats simplifi s de Ababou et al 1985 en monodimensionnel spatial et Mesa amp Poveda 1993 en monodimensionnel temporel sont a g n raliser au cas d un variogramme 2D pouvant tre anisotrope Par contre le caract re statistiquement homog ne en moyenne et en covariance ou en variogramme est une hypoth se de travail absolument n cessaire pour arriver une premi re estimation d chelle de fluctuation Les longueurs de corr lation devraient tre d finies partir de la variabilit naturelle des processus ce qui semble difficile voire impossible Bien souvent ces longueurs de corr lation sont d finies partir des donn es mesur es chantillonn es Booij 2002 p
224. fonde sont suffisamment retard s pour ne pas intervenir dans les volumes des crues Les seuls qui interviennent sont les transferts lat raux se produisant a surface des sols al echelle du bassin versant Horton 1933 propose de calculer un taux d infiltration moyen pour l ensemble du bassin versant a l aide d une tude sommaire des chroniques P Q Il consid re que les premi res pluies s infiltrent dans la couche superficielle du sol et la saturent rapidement L eau ne peut alors plus s infiltrer qu une vitesse maximale correspondant la conductivit hydraulique saturation consid r e constante dans le temps et dans l espace Horton consid re que lorsque l intensit des pluies est sup rieure la capacit d infiltration du sol alors le ruissellement a lieu D apr s Obled 1999 il y a alors formation d un coulement en lame d paisseur croissante qui r pond aux lois des coulements surface libre C est ce ruissellement qui est l origine de la crue L ensemble du bassin versant contribue donc l coulement de crue par contre seule une partie des pr cipitations y participe Ecoulement rapide de crue et ruissellement sont alors confondus et varient avec l intensit de la pluie ainsi que de la nature du sol Ruissellement hortonien et crues clair Cette conception de la gen se des crues a t souvent remise en question pour des basins versants temp r s o le
225. ge du d bit de pointe varie de 1 h 4 h pour les tests r alis s pour un pourcentage de surface imperm able qui passe de 5 22 Ce qui en terme de pr vision op rationnelle en temps r el est non n gligeable De plus la forme de l hydrogramme est modifi sur la courbe de mont e en crue le front est beaucoup plus raide absence de point d inflexion IV 2 1 1 2 lsochrones coupl es londe cin matique Le calage de la vitesse de ruissellement selon l approximation de l onde cin matique passe par une valuation a priori de la pluie nette sur le bassin Nous avons donc tudi l impact de cette valeur sur les hydrogrammes de crue 166 Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur de l intensit de pluie dans le calage des isochrones 500 MARINE OC3 10mm h amp Inf Cr MARINE OC3 30mm h amp Inf Cr MARINE OC3 60mm h amp Inf Cr o MARINE OC3 30mm h et carte flowacc amp Inf Cr 450 400 350 300 250 D bit m3 s 200 a mp y d calage de 1h au maximum sur la date d arriv e du pic de crue mi NE EN 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Temps h Fig 102 Influence de la valeur de l intensit de pluie dans le calage des isochrones La modification de la valeur de la lame d eau moyenne pr vue sur le bassin de 10 30 et 60mm h modifie l hydrogramme de crue r
226. h mas de bassin simple et complexe repr sent s par les outils de HEC HMS Les biefs sont repr sent s par des tron ons section constante dans lesquels l coulement se fait selon l approximation de l onde cin matique Les sources ont t utilis es pour mod liser le d bit de base dans la rivi re principale environ 5 m s Les sous bassins sont d crits par leurs propri t s topographiques et hydrologiques en particulier des mod les d infiltration et de ruissellement Le but de cette partie du travail est de tester ces diff rents mod les de fa on d terminer lequel semble le plus adapt notre probl matique La deuxi me tape de mise en uvre consiste introduire les mesures fournies par les pluviographes dans un mod le m t orologique Elles peuvent tre spatialis es par le biais d un coefficient caract risant la superficie du sous bassin laquelle elles sont affect es Les hydrogrammes de crue obtenus l exutoire du bassin versant se sont av r s tr s sensibles la r partition des donn es des pluviographes disponibles pour cette crue tant travers leurs volumes que leurs formes 1200 Hydrogramme de crue obtenus avec 2 mod les m t orologiques diff rents 1000 600 Q m3 s 200 Fig 54 Influence du mod le m t orologique Finalement nous avons r parti les donn es des pluviographes selon la m thode des Polygones de Thiessen _ 83
227. helle de l tendue sortie du mod le est fix e par les objectifs de mod lisation taille du bassin versant mod liser et l chelle du support entr e du mod le est limit e par la variabilit naturelle des processus ainsi que par les moyens d observations la t l d tection en l occurrence alors que le mod le lui m me d finit le rapport entre les chelles des entr es support du mod le et celles des sorties tendue A d faut de pouvoir concilier toutes les chelles ci dessus plusieurs mod les de domaine de validit diff rents pourront tre mis en cascade de fa on franchir repousser l chelle de sortie du mod le 101 11 2 2 Echelles des variables a mod liser MARINE a pour vocation de pr voir des d bits de crues clair a l exutoire du bassin ou en certains points critiques du cours d eau principal chelle du sous bassin Les zones g ographiques d application sont limit es ici au Sud de la France et peuvent couvrir jusqu des superficies de quelques centaines de km Les chelles de sortie du mod le doivent donc pouvoir s tendre de quelques dizaines de km surveillance d un point particulier du cours d eau principal quelques centaines de km exutoire d un bassin complet Il est plus d licat de d finir la pr cision ou l exactitude des r sultats que le mod le doit fournir en terme de hauteur d eau ou de d bit En effet l exactitude du r
228. hoisir une chelle de mod lisation inf rieure correspondrait au calcul de l chelle du support De plus Artan et al 2000 d finit la longueur caract ristique d une image comme la distance qui s pare en moyenne 2 pixels qui ne voient pas la m me condition de surface Cette m me longueur serait donc aussi indicatrice de la taille de l objet au sens de Puech Pour un biais de 10 entre les variabilit s r elles et apparentes de la RST NE et une longueur de corr lation de 24 m nous obtenons une chelle de support pour le mod le de 0 21 24 5 m Pour cette chelle nous observons que le coefficient de corr lation est tr s proche de sa valeur maximale Accepter un coefficient de corr lation entre les r sultats et les 114 simulations de 0 67 revient dans ce cas a accepter une chelle de travail de 10 m soit a accepter un biais entre les variabilit s r elles et apparentes de la variable concern e de 20 A 24m 1 Lsup 10 m 0 9 Donc Lsup 0 4 0 8 Lsup 0 21 0 4 Fig 77 Rapport des chelles pour un biais sur les variabilit s de 20 Bilan La borne sup rieure de la r solution de l image acqu rir peut tre valu e par deux m thodes diff rentes l une statistique et l autre exp rimentale e Approche statistique Lsup max Lsup amp a pour biais 35 a 0 4 pour biais 20 23 4 0 2 pour biais 10 pour laquelle caract rise une chelle statistique cara
229. humidit des sols Dans ce rapport nous allons fournir quelques l ments de r ponse a la probl matique de la pr vision op rationnelle des crues clair Nous nous focaliserons en particulier sur une crue clair celle des 12 et 13 novembre 1999 survenue dans le Sud de la France Aude Pyr n es Orientales H rault et Tarn Dans un premier temps nous allons tenter de comprendre quels sont les processus physiques susceptibles d tre responsables de la gen se et de la propagation des crues clair if 3 Puis nous nous pencherons sur diff rents mod les num riques d j existants et nous testerons la potentialit de quelques uns de ces mod les anticiper une crue clair Dans un second temps nous d velopperons une mod lisation adapt e la pr vision op rationnelle des crues clair Apr s avoir d fini et test le mod le ainsi con u nous analyserons sa capacit int grer des images issues de l observation de la terre Nous terminerons en pr sentant quelques applications concr tes avec ou sans calage de ll Chapitre Il Elements de reflexion sur les crues eclair Resume du Chapitre II Ce chapitre explicite la notion de crues clair Les d finitions de ce ph nom ne nonc es dans la litt rature pr sentent souvent un caract re exclusivement qualitatif li leurs formes de manifestations Les diff rents processus physiques susceptibles de g n rer ou de propager ces crues n y s
230. i re tude nous laisse envisager de possibles applications hydrologiques pour les deux MNT tant donn que les ordres de grandeur et comportements moyens de la couche des pentes sont comparables pour les deux MNT 194 IV 2 3 2 3 Delimitation des bassins versants partir des deux MNT SPOT4 et IGN BD TOPO Les deux MNT ont t successivement trait par le module hydrologique de ArcView La fonction fill sink a bouch 718 trous d accumulation potentielle pour le MNT SPOT contre 260 pour le MNT IGN La fonction watershed d finit les fronti res du bassin 202 km SPOT et 201 km IGN La longueur de la rivi re quivalente l exutoire est de Lin 36 5 km contre Lspor 35 3 km Le traitement sous MARINE a fourni des r sultats semblables 1840000 IGN 1835000 1830000 1825000 1820000 600000 605000 610000 615000 620000 625000 630000 635000 Fig 135 Comparaison des d limitations du bassin versant obtenues partir des deux MNT Les surfaces drain es sont comparables avec moins de 1 de diff rence entre les deux MNT IV 2 3 2 4 Discussion Le MNT IGN construit partir de lignes d iso altitude issues de photographies st r oscopique appara t plus r aliste ou naturel que le MNT SPOT qui pr sente davantage de bruits La construction du MNT IGN le rend plus coh rent d un point de vue topographique Le MNT SPOT co
231. i pour de faibles longueurs de ruissellement Nous constatons que le r seau de non validit se densifie Ceci implique que plus le relief au sein d un m me pixel sera accident plus les longueurs d tablissement seront faibles et moins nous pourrons appliquer l approximation de l onde cin matique Une autre incidence de ce r sultat concerne le domaine de validit pour des pluies plus faibles Dans ce cas l infiltration jouera un r le de plus en plus important les longueurs de ruissellement en seront diminu es et le domaine de validit restreint Dans le sens d une analyse des h t rog n it s pr sentes l int rieur d un pixel nous avons regard aussi comment pouvait voluer ce m me domaine lorsque la forme de l coulement s apparente plus des rigoles qu des nappes Nous avons consid r que la largeur des rigoles d coulement quivalente au pixel exutoire tait la largeur du pixel tout entier coulement en nappe En fait nous savons que ces coulements en nappe ne se produisent plus au del de quelques dizaines de m tres nous allons donc analyser la fa on dont volue ce domaine pour une largeur de rigole quivalente par pixel plus faible Ainsi pour une pluie pr vue de 10 mm h une largeur de rigoles de 25m une longueur d tablissement de la taille du pixel 50m le domaine devient 128 Fig 86 Domaine de validit de l OC en blanc valu pour des largeurs de rigol
232. ichi ou r actualis par des versions plus r centes de MARINE ou l assimilation de futures observations relatives a des v nements extr mes 221 222 V Chapitre V Perspectives et conclusions V 1 Conclusion Les objectifs de ce travail de th se consistaient analyser les modes de gen se et de propagation des crues clair ou rapides de fa on mettre au point un mod le hydrologique de pr vision de ces crues susceptible de fonctionner dans un mode op rationnel Ce contexte particulier nous a confront la probl matique des bassins peu ou pas jaug s dans laquelle les mod les hydrologiques classiques ne trouvent que difficilement leur place Il s est donc agit non pas d exposer ce qu il aurait t possible de faire si nous avions eu suffisamment d observations mais bien de d velopper une m thodologie de mod lisation partir des rares observations disponibles Pour ce faire devant la complexit de l hydrologie des crues clair et devant le manque chronique d observation nous avons opt pour la cr ation d un mod le perceptuel qui s applique mod liser les processus dominants quitte n gliger les autres et distribu MARINE int grant des donn es de nature diff rente dont l imagerie satellitale La difficile question du niveau d h t rog n it s et de complexit s locales int grer dans ce mod le de fa on rendre compte de la relative simplicit de la r pons
233. iculier La programmation du mod le de Green amp Ampt r alis e dans MARINE par un sch ma explicite amont est d taill e en annexe2 travail r alis en collaboration avec William Castaings dans le cadre de nos travaux de th se respectifs Comme pr c demment la programmation eul rienne consid re que l eau peut s infiltrer n importe quel moment de son transfert alors que la programmation lagrangienne ne laisse s infiltrer l eau qu au moment de son impact sur le sol Dans le cas de crue clair la diff rence entre ces deux approches sur la courbe de mont e de crue n exc de pas 10 Moore amp Foster 1990 Carluer 1998 148 11 3 3 Mod les de propagation dans les rivi res de MARINE MAGE1D CEMAGREF ou TELEMAC2D EDF Les coulements a surface libre sont g n ralement divis s en deux grandes familles La premi re est l tude des plans d eau de grandes dimensions lac mer r servoir La seconde grande classe concerne les coulements qui possedent une direction privil gi e suivant laquelle la section de passage du fluide varie soit progressivement rivi res canal d couvert soit brusquement ouvrage hydraulique ressaut dans l espace en raison des conditions aux limites proximit d ouvrages et dans le temps en raison des conditions initiales fermeture ou ouverture de vannes Les coulements tudi s sont essentiellement turbulents et les conditions aux limite
234. ie Vaury que j aurais aim soutenir plus longtemps Merci a Marie Lou Tison Gilbert Tison France Alquier Herve Neau Thierry Drouard Bruno Bourret Denis Bourrel Jacqueline Levent Doris Barrau Muriel Sabater V ronique Fortun Serge Bories Sebastien et Marie Cazin Jean F lix Alquier Jean Pierre Bombaud G rard Le Blanc Charles Nicolas Gilles Martin et Yannick Exposito et tous ceux que j oublie en cet instant pr sent mais qui eux ne m ont pas oubli e quand j en avais besoin Merci Christian Puech de la Maison de la T l d tection pour m avoir accueillie diff rentes occasions Montpellier pour nos discussions scientifiques et pour ta gentillesse Merci Georges Marie Saulnier pour m avoir accueillie au LTHE et m avoir initi e TOPMODEL Merci l quipe de Jo l Noilhan du CNRM ainsi qu a Sophie Morel pour votre collaboration au travers de nombreux projets Merci Mahrmoud Bouzelboudgen de m avoir accueillie et form e au GIS a l Hydrologie Merci Thierry Morel S bastien Massart et Olivier Thual d avoir su m int resser l art de l assimilation de donn es et de m avoir fait d couvrir PALM Merci a Jacqueline Desplat et Jean Jacques Vidal de la DIREN Midi Pyr n es ainsi qu Pierre Gaullet de la DDE de l Aude pour votre disponibilit et votre collaboration Merci au SCHAPI et en particulier a Jean Michel Tanguy Jean Marie Carriere et Pascale Dupuy pour nos changes scientifiques et a Marie Lin
235. imuler le ruissellement sur des bassins versants Sa validit a t par la suite tudi e maintes reprises pour repr senter des coulements superficiels dont Woolhiser amp Liggett 1967 et Moore amp Foster 1990 Ce dernier d montre que l onde cin matique repr sente une bonne approximation de l coulement surfacique si S L h avec F le nombre de Froude k le nombre d onde cin matique Sq la pente de la surface du sol L la longueur de ruissellement de la pente h le tirant d eau au bas de la pente Le nombre de Froude s exprimant comme suit gt 5 F u 32 V amp h avec F le nombre de Froude h le tirant d eau au bas de la pente u la vitesse au bas de la pente Il constate que cette approximation sera galement applicable pour un coulement surfacique o les entr es lat rales repr sentent une part importante du d bit total 20 Approximation Nombre d onde cin matique K l Nombre de Froude F Fig 79 Domaine de validit de l application de l onde cin matique pour mod liser le ruissellement de surface extrait de Moore amp Foster 1990 Une estimation des ordres de grandeurs de ces nombres adimensionnels sous diff rentes conditions va permettre d valuer la forme potentielle du domaine de validit de ce mod le Cette estimation passe par un tablissement de nouvelles hypoth ses e La longueur du chemin de ruissellement doit cor
236. ing de l esp ce dominante 0 1 puis 0 02 Dans le mod le des isochrones coupl es la vitesse de Llamas la prise en compte de la pr sence de bois sur le domaine d tude se traduit par l introduction d un coefficient multiplicateur g om trique sur la vitesse 1 4 Llamas 1993 Nous avons simul sur le bassin de Lagrasse des hydrogrammes de crue dans le cas de l expression g n rale de la vitesse de Llamas et dans le cas o la pr sence de bois est prise en compte Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la distribution de l occupation des sols dans le calage des 800 isochrones Llamas 700 600 v lag Llamas 500 v lag Llamas sol 400 D bit m3 s 300 200 Temps h Fig 99 Prise en compte de la for t dans l expression de la vitesse selon Llamas Dans ce cas la connaissance de occupation des sols influence fortement les r sultats Ceci se comprend par le fait que la vitesse de ruissellement est divis e par 4 lorsque des bois occupent le territoire A titre de comparaison il faudra multiplier par 10 le coefficient de Manning du sol nu recouvert de gravier 0 02 pour obtenir une vitesse de transfert 4 fois plus petite Ainsi la sensibilit des deux mod les a la connaissance de occupation des sols est importante tandis que pour le bassin tudi la distribution de l occupation des sols n est pas une
237. ion toute particuli re est accord e aux tests de sensibilit L int gration d imagerie satellitale est pr sent e dans cette partie elle concerne diff rents champs de donn es d entr e Une analyse plus en d tail de la sensibilit de MARINE plusieurs MNT en termes de r solution horizontale comparaison de plusieurs MNT de m me nature mais de tailles de pixel diff rentes et de pr cision verticale comparaison MNT IGN et MNT SPOT4 de m me r solution horizontale est r alis e Enfin des possibilit s d extension du code par rapport son utilisation initiale telles qu une analyse bidimensionnelle d un champ d inondation ou bien une application des crues moins violentes et mieux observ es sont envisag s ici et d montrent un int r t suppl mentaire la mise en uvre de MARINE 155 IV 1 Predetermination des param tres de MARINE Le calage de MARINE suppose l affectation de valeurs aux param tres de chacun des mod les constituant le code Les mod les ayant t retenus pour leur caract re physique les valeurs de leurs param tres sont le plus souvent tabul es et correspondent plus ou moins des propri t s intrins ques du milieu Dans cette partie nous analyserons le calage de chacun des modules de MARINE Bien s r 1l ne s agit pas de mettre au point une m thodologie du calage optimal qui ne pourrait se faire qu avec une quantit suffisante d observations et de mesures de bonne
238. ire au dessus de la partie aval du bassin Les cumuls du radar indiquent qu il est tomb sur Lagrasse entre 300 et 400 mm d eau pour tout l v nement Ce r sultat est en accord avec les valeurs fournies par les pluviographes Le caract re exceptionnel de cette crue tient plus a l importance de son tendue spatiale qu aux intensit s observ es 90 des cours d eau de Aude ont d bord Gaume Ze 7 2002 D autres crues de cette importance plus localis es ont d j t observ es par le pass Etat hydrique ant c dent du bassin Les informations sur l tat initial hydrique du bassin se limitent aujourd hui la connaissance du d bit de base et aux cumuls pluviom triques des mois pr c dents En AD a particulier le mois d ao t a t chaud et orageux avec un cumul pluviom trique de 86 mm Lagrasse alors que le mois de septembre se trouve dans la moyenne interannuelle avec 35 mm le mois d octobre 29 mm et le d but du mois de novembre 6 mm sur la premiere semaine ont t moins arros s Gaume 2002 Hydrogramme de crue observe Durant la crue de Novembre 1999 I Orbieu est l affluent qui a le plus contribu cette crue La DDETI a mis notre disposition des observations de hauteur d eau Lagrasse ainsi que la courbe de tarage existant cette station en introduisant un b mol quant a la pr cision de ces informations En effet le pic de crue est form par un
239. iriques et les connaissances du niveau inf rieur pour produire des th ories capables de pr dire les v nements l chelle sup rieure Elle s appuie naturellement sur des mod les m canistes distribu s Dans un mod le conceptuel un certain degr d agr gation est d j r alis Klemes 1983 Puech dans sa th se travers ses travaux effectu s au Sahel Puech 1993 montre que ce sch ma d agr gation ne peut pas tre utilis de fa on syst matique du local au global sur un bassin versant Il propose de s interroger sur ses limites et ses principes e les techniques agr gatives exacerbent les non lin arit s et h t rog n it s locales par J un passage du m au bassin e attribution des informations de base aux cases l mentaires du sch ma revient a poser le probl me de la signification de la mesure des grandeurs physiques e les sch mas de liaisons entre cases se font souvent par des quations a base physique associ es a des flux qui ne le sont pas traversant les quatre faces d une maille carr e Cette m thode est hasardeuse si l on ne voit pas a quel mod le on veut aboutir Cependant elle a fourni des r sultats satisfaisants pour des changements d chelle limit s ne couvrant pas tous les niveaux que l on trouve sur un bassin mais seulement 2 voire 3 niveaux Une approche m caniste complexe devrait toutefois permettre de traverser davantage de niveaux La technique d sagr
240. isation de Telemac2D pour une mod lisation hydrodynamique des eaux continentales Dans ce contexte les nombreuses difficult s rencontr es se traduisent par des simulations incompl tes mais profitables pour la mise en lumi re de points durs qu il faut surmonter pour obtenir une mod lisation v ritablement op rationnelle La complexit physique et num rique est importante et l accent est mis sur la n cessit de pouvoir disposer en premier lieu d une information topographique de qualit pour permettre une repr sentation fid le du domaine mod lis IV 3 4 5 Conclusion Cette tude nous a permis d exploiter certaines donn es provenant de Observation de la Terre Nous avons ainsi pu mettre en vidence que e Le mod le num rique de terrain joue un r le d terminant sur la qualit des r sultats de la mod lisation 2D Les images haute r solution sont un apport pr cieux pour une mod lisation fine e Les mod les num riques de terrain disponibles permettent d obtenir des informations pertinentes Toutefois ils devront tre trait s avant d tre int gr s dans les mod les hydrauliques e Les laisses de crues bien visibles sur les photos plusieurs jours apr s la crue permettent une analyse post crise et une valuation de la qualit des r sultats obtenus par mod lisation On se trouve dans une probl matique o les observations sont difficiles et pour laquelle les mesures dont on dispose sont entach es
241. istique fait que le mod le s apparente un mod le perceptuel Sivapalan 2003 dans le sens o 1l va se concentrer sur la mod lisation des processus dominants dans la gen se et la propagation des crues clair et o 1l va n gliger les 6 Gaume E 2000 Cours d hydrologie cycle de l eau et mod lisation pluie d bit ENGREF 36 autres processus nous reviendrons dans le chapitre suivant sur cette hypoth se Ainsi ce type de mod le devrait gagner en pr cision sur son domaine d application bien que celui ci soit restreint Comme nous l avons nonc pr c demment par leur violence et leur soudainet les crues clair ne sont que tr s rarement mesurables ce qui rend le calage de mod les hydrologiques bien d licat Ainsi nous nous int ressons plut t aux mod les base physique de fa on limiter cette n cessaire phase de calage De plus nous nous int ressons en particulier une autre source d information l Observation de la Terre qui est consid r de nos jours comme une solution prometteuse pour obtenir des informations rapidement d un bassin versant dans son int gralit sur des bassins peu ou pas jaug s Enfin nous savons que dans le cas des crues clair la variabilit spatiale des ph nom nes peut jouer un r le capital concomitance localisation de syst mes pluvieux de m so chelle quasi stationnaires saturation du sol Les syst mes de pr visions de crues doivent pou
242. it des pluies autorisent l eau qui n aurait pu dans un premier temps s infiltrer a ruisseler pour ventuellement s infiltrer plus en aval Le changement d chelle effectuer sur le mod le hortonien est donc loin d tre trivial et n a pas trouv de solution satisfaisante a ce jour Nous pouvons donc tre amen a penser que la th orie de Horton loin d tre une th orie universelle peut tre repr sentative du ph nom ne de gen se de crues clair a l chelle de la parcelle sur des environnements perturb s anthropis s agriculture levage pour lesquels la surface du sol a t compact e et ceci m me pour de faibles pluies dans des climats temp r s et tropicaux classiques Bonell 1993 N anmoins le passage depuis la parcelle vers le bassin versant ne pourrait se faire sans consid rer les l ments interm diaires foss s talus rigoles constructions qui ne r pondent pas ce mode de fonctionnement Th orie des aires contributives satur es D s 1960 Cappus 1960 a voqu des ph nom nes de gen se de crue bien diff rents de ceux de Horton Il parle d un ruissellement provoqu par la totalit de la pluie tombant sur un sol satur ou imperm able dont l tendue varie avec le niveau de la nappe phr atique Le bassin tudi tait un bassin du Massif Central agricole et pastoral soumis un climat temp r Reprenant cette id e Hewlett 1961 mentionne la notion de
243. ivant les versions de TOPMODEL consid r s nous ne parlons ici que des param tres essentiels Il peut y avoir jusqu 10 param tres caler Param tre M Il s agit d un indice de la profondeur hydrologiquement efficace des sols si ge des processus contributifs a la r ponse rapide du bassin en p riode de crue Il se situe a l chelle du bassin et est d son histoire g omorphologique d gradation des sols p rennit des chemins d coulement De cette paisseur d pend la formation du ruissellement Param tre KO Entre conductivit hydraulique saturation lat rale et verticale il peut y avoir jusqu deux ordres de grandeur de diff rence de 1m h pour la composante verticale 100 m h pour la composante lat rale Saulnier 1997 L hypoth se d isotropie du sol les rend gaux Il s agit donc du calage le plus sujet discussion Ce param tre se situe l chelle locale v g tation racine galeries de rongeur Il influence la quantit de ruissellement en rendant impossible le ruissellement Hortonien Les valeurs du param tre Ko et de l indice topographique augmentent avec le pas du MNT Bien que ce ph nom ne se soit fortement att nu apr s la correction du calcul de l indice topographique par Saulnier 1997 il subsiste D apr s Beven 1997 la r solution du MNT ne correspond pas forc ment la r alit physique des processus mod liser La r solution optimale du
244. ivre cette piste cependant l utilisation directe de cette relation en mode de pr vision passe par l ajout d un param tre suppl mentaire l paisseur de sol de fa on passer d un d ficit une humidit initiale V 2 1 2 MARINE coupl ISBA ISBA fournit une volution de la fonction de production du bassin par une mod lisation base physique des transferts sol v g tation atmosph re Le fonctionnement en continu de ISBA est d j effectif couplage avec MODCOU et SAFRAN L extraction de l tat hydrique du sol ainsi mod lis au moment o de violentes pr cipitations s annoncent pourrait constituer une autre fa on d initialiser MARINE avant une crue clair Un couplage entre TOPMODEL et ISBA a d ailleurs t r alis dans le cadre de l tude de faisabilit d un outil capable de pr voir en continu un risque hydrologique sur des bassins versants de taille inf rieure 1000 km Goulet amp Gregoris 2001 Cette tude a montr que le mod le est un bon indicateur du potentiel de la r activit d un bassin versant en cas de nouvelles pr cipitations Cependant les r sultats pr sent s ne pr tendent pas reproduire fid lement un v nement de crue particulier Sur la p riode tudi e les d bits de pointe entre simulations et observations peuvent diff rer de 100 alors qu il s agit de la p riode de calage des mod les Finalement il semblerait que ce mod le soit plus adapt
245. kw _ h t rog ne gt l ae Incertitude sur la vitesse de ruissellement Obtention d un r seau Fronti re potentiel de drainage ES NS UPSCALING n 1 AGREGATION n 2 UPSCALING n 3 Fig 94 Sch ma de changement d chelle depuis l chelle des processus naturels vers celle du bassin versant Ainsi la proc dure agr gative de la relation pluie d bit bas e sur la validit de l approximation de l onde cin matique ne peut franchir qu un nombre limit de niveaux d organisation du paysage Un dernier changement d chelle est donc r alis par la mise en cascade d un mod le hydraulique caract ristique des coulements dans les cours d eau La fronti re entre les deux domaines mentionn s ici est justifi e et d taill e par le domaine de validit des quations d crivant le processus dominant 151 La structuration de MARINE se pr sente sous la forme suivante MARINE modele hydrologique MARINE Versants Condition iitiale leo MARINE Humidit du sal Z n reen amp Ampt ou Horton Rivieres Temps r el Ruissellement Tsochrones ou Temps r el Condition amont Rte Onde Cin matique MASE 15 CEMASREF D bit de base Analyse Condition aval Y gt TELEM AC 20 EGF Courbe de tarage Fig 95 Synoptique de MARINE Pour chaque module de MARINE il existe plusieurs possibilit s de r solution Le module de ruissellement sur les versants est compos
246. l on va simuler et donc avec le type de mod le choisi Les cas extr mes de mod lisation en termes d chelle sont alors e La mod lisation par pixel lorsque grain et objet d tude sont identiques la description l mentaire de l objet pixel est donc simplifi e l extr me l objet est alors carr et les relations d espace s expriment selon les connexit s du pixel avec toute l ambigu t que peut introduire une limite carr e sur un espace naturel e La mod lisation globale lorsque l objet est unique et gal l tendue du domaine En mod lisation hydrologique c est le bassin versant lui m me La description interne ne sert qu d finir quelques attributs du bassin On note que le pixel apte caract riser l espace n est pas obligatoirement l chelle correcte de calcul il faut souvent d passer le pixel 111 2 3 2 Les themes de donn es n cessaires MARINE MARINE est d velopp pour mod liser des crues difficilement observables pour lesquelles la spatialisation des processus est importante et qui se produisent sur des bassins souvent mal jaug s Dans cette optique l outil d observation privil gi est la t l d tection puisque celui ci fournit des observations spatialis es qui couvrent le bassin versant dans son int gralit Ce type de donn es peut parfois tre d licat traiter puisque les param tres et sch mas de fonctionnement hydrologiques ont t c
247. l utilisation de HEC HMS pour simuler une crue clair HEC HMS s est av r tre un mod le hydrologique susceptible de simuler plut t correctement la crue clair test e Parmi les nombreux mod les de ruissellement et d infiltration qu il contient certains r pondent mieux que d autres nos crit res de mod lisation En effet en terme de mod lisation de l infiltration le mod le SCS CN appara t int ressant car il ne d pend que d un seul param tre Toutefois celui ci doit tre cal avec une valeur ext rieure la plage de variation habituelle De plus des variations autour de cette valeur n entra nent pas de trop grandes diff rences sur les hydrogrammes de crue l exutoire Enfin la courbe de mont e de crue est assez fid le aux observations Les deux autres mod les infiltration initiale et constante et selon Green amp Ampt pr sentent une sensibilit d croissante avec le temps aux param tres de calage la courbe de mont e de crue n est pas aussi proche des observations qu avec la premi re m thode Toutefois si l on conna t la texture du sol les parametres de Green amp Ampt peuvent tre valu s par le biais de tables pr sentes dans la litt rature Le caract re physique de ce modele n cessite la connaissance de la valeur de l humidit initiale qui dans notre cas doit tre cal e pour chaque v nement cause du manque d information En terme de mod lisation du ruissellement
248. la t l d tection La t l d tection qui est une technique susceptible d observer un bassin versant tout entier et de fournir des informations distribu es semble tre une solution palliative ce manque chronique d observations et de mesures Les informations auxquelles elle donne acc s apr s des traitements pr liminaires sp cifiques peuvent concerner les pluies la topographie la couverture v g tale et bien d autres domaines Ces traitements qui demandent une connaissance pointue des domaines conf rent cette approche un caract re pluridisciplinaire Ainsi tout au long de ce travail nous avons b n fici des comp tences de coll gues scientifiques comme M t o France pour l analyse des images du RADAR m t orologique ou bien la soci t SCOT Service et Conception de syst mes en Observation de la Terre pour l interpr tation des observations du bassin versant Toutefois les mod les hydrologiques ayant t con us bien avant que la t l d tection n apparaisse diff rentes Ho adaptations suppl mentaires entre les donn es et les mod les doivent tre r alis es Puech 2000 1 3 Probleme du temps r el et du temps diff r pour la pr vision operationnelle Pour une utilisation op rationnelle en pr vision on a besoin d une mod lisation sp cifique fort diff rente des besoins de l hydrologie appliqu e la compr hension et la reconstitution du cycle de l eau simuler n est pas p
249. la variable tudi e le domaine d application les objectifs de mod lisation le type de m thode retenu l chelle de l tendue Laom l chelle du support Lup et la conclusion tir e de l tude sur la gamme d chelles la plus appropri e 117 Ainsi de cette analyse non exhaustive sur la caract risation des chelles l aide de recherches bibliographiques il ressort que e Une chelle d observation inf rieure 4 100 m doit permettre de caract riser le relief fran ais en terme de pente des fins de mod lisation hydrologique Il est important de noter que dans la bibliographie effectu e seules des chelles sup rieures 40 m ont t envisag es e Une chelle d observation comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de m tres doit permettre de caract riser l occupation du sol en terme de peuplement forestier e Une chelle d observation de l ordre de plusieurs kilometres peut d crire correctement la structure du sol e La partie concernant les pr cipitations est dans le cadre de cette th se directement trait e par M t o France L chelle de la pluie observ e ou pr vue correspond a une r solution variant de 1 km 2 5 km En conclusion une chelle entre 20 et 100 m semble tre l chelle a priori conseill e de d finition des donn es qui seront utilis es dans MARINE Bien s r cette chelle de travail devra tre valid e par la sensibilit d
250. le ce param tre dans sa phase de mont e de crue Green amp Ampt Le mod le d infiltration de Green amp Ampt se base sur les quations de Richard s qui proviennent de la loi de Darcy et sur l quation de conservation de la masse Avec ce mod le l eau infiltr e pendant le pas de temps se d finit comme suit K F 9 0 S f K F 4 t avec F Volume infiltes pendant la p riode t K Conductivit hydraulique sol satur 6 Porosit du terrain 0 Humidit initiale du terrain Se Capacit d absorption du milieu Les valeurs des param tres de cette quation varient avec la nature du terrain Dans un premier temps nous avons suppos que nous n avions aucune information sur la nature du terrain pour r aliser les tests de sensibilit les param tres pr sentant alors une grande plage de variations _ 85 800 Influence d l Humidit 700 e Observations HEC HMS correcte H 0 1 H 0 gt H 0 2 gt H 0 3 e H 0 398 Fig 57 Influence de l humidit initiale 800 Influence de la conductivit 700 e Observationes HEC HMS correcte K 3 mm hr K 235 6 mm hr 600 gt K 0 6 mm hr k K 59 8 mm hr K 1 mm hr 200 100 M OO A O 0 DUR Qr YO WO KH NON N N Tr e re re O OO O A Q r M DR O r M QO HR Q NO OOO o t OT O O O
251. le calcul de I indice topographique distribu e Les pluies non spatialis es e Les valeurs de l vapotranspiration potentielle pour chaque pas de temps e L hydrogramme de crue correspondant observ pour le calage e Les valeurs des 5 parametres ainsi que les bornes minimale et maximale de leur plage de variation La version disponible sur Internet est conviviale mais assez limit e Nous avons d d grader la r solution du MNT de 50 a 200 m pour que la taille de celui ci soit accept e par le programme 100 100 pixels maximum ce qui peut avoir des cons quences selon Saulnier 1996 sur la signification physique des param tres La distribution spatiale des pluies est ignor e ce qui peut tre une grosse source d erreur pour le cas particulier de la simulation des crues clair vu la particularit des v nements m t orologiques qui en sont l origine TOPODYN Datin 1998 est une version spatialis e de TOPMODEL qui prend en compte cette h t rog n it Il n tait cependant pas disponible D autres limitations de cette version n ont pas eu d impact notre niveau comme le nombre limit de classes de l indice topographique 30 ou le nombre de pas de temps de la simulation 2500 La m thodologie de calage est la suivante Une simulation pr liminaire est lanc e avec des param tres non optimis s de fa on a analyser la sensibilit de chacun d eux sur les r ponses L optimisation de ces
252. le l g rement diff rentes du triplet d chelle propos par Bl schl amp Sivapalan 1995 e Le grain de vision espacement et support gaux selon Bl schl amp Sivapalan 1995 finesse de d tail en lecture et collecte des donn es C est l chelle de description elle conditionne la pr cision des donn es e L objet d tude la parcelle l unit de calcul l unit homog ne Il g re l chelle de calcul de la mod lisation e L tendue le domaine d tude la surface l tendue selon Bl schl amp Sivapalan 1995 Elle est souvent l chelle de gestion celle a laquelle on veut obtenir les r sultats Dans le cas g n ral l objet est de taille interm diaire entre le grain et l tendue Et l ensemble des relations d chelle se retrouve donc sur ce triplet d chelle de mod lisation grain objet tendue La relation grain objet va servir a d finir la finesse avec laquelle on va analyser et caract riser l objet pr cision g om trique et s mantique de l objet ou de ses attributs c est donc une relation de description La relation objet tendue va correspondre au degr de d composition de l espace pour la mod lisation C est donc la finesse de distribution au sens des mod les distribu s 102 c est a dire de d coupage en morceaux qui indique la finesse de mod lisation et va tre en relation avec le type de processus l mentaires que
253. lement superficiel dans MARINE nnsssnsnsnnnsnsesesee 134 IIL 3 1 1 Ruissellement superficiel approch par les isochrones variables 134 IIL 3 1 2 Mod lisation eul rienne de la vitesse de ruissellement 142 IIT 3 2 Mod les d infiltration de MARINE ccccceccceceeeeceeeeeeeeeeeeeeaeaes 144 IIL 3 2 1 Infiltration coefficient de ruissellement constant 004 145 WIE 3 222 Modol d THOMOMS nc she as ee adult 145 PS 2 3 Modele de Gren AMP entendue 147 IIT 3 3 Mod les de propagation dans les rivi res de MARINE MAGEID CEMAGREFP ou TELEMAC2D EDF msssennernersssseeererressseses 149 I 4 Conclusion du Chapitre III La structure modulaire de MARINE 151 IV Chapitre IV Mise en uvre de MARINE et int gration d imagerie satellitaire 155 Resume du Chapitre IV nine Sn Re act einen nn nent 155 IV 1 Pr d termination des param tres de MARINE 156 IV 1 1 Calage des mod les de ruissellement coefficient de Manning 156 IV 1 2 Calage des mod les d infiltration MARINE versant 159 IV 1 2 1 Coefficient de ruissellement constant ccccccccceececeeeeteeeeeeees 159 IV 1 2 2 Concept hortonien de l infiltration 2 2 159 IV 1 2 3 Mod le d infiltration de Green amp Ampt ccccccccccssentnrneeeees 161 IV 1 3 Calage du mod le de propagation 1D MARINE rivi re 16
254. les en particulier par un mod le bas sur plus de consid rations physiques Ce mod le est d taill en annexel 11 2 3 1 2 TOPMODEL les aires contributives satur es TOPMODEL TOPography based hydrological MODEL est un mod le hydrologique initialement d velopp par Beven amp Kirkby 1979 Beven 1989 Beven 1992 a ae oe l Universit de Lancaster Il s agit d un mod le pluie d bit qui suit une approche articul e autour de deux id es centrales e le ruissellement se produit sur des zones contributives variables e la topographie influence la mani re dont se produit le ruissellement L originalit de TOPMODEL r side dans la d finition de l indice topographique Cet indice est un parametre dynamique qui traduit la propension qu a un pixel a se saturer plus ou moins vite TOPMODEL mod lise le sol l chelle du versant de la fa on suivante e la surface du sol donne lieu au ruissellement superficiel Horton ou Aires contributives satur es e la zone racinaire retient l eau de pluie en d but d v nement e la zone insatur e transf re la pluie infiltr e vers la zone satur e selon l quation de Darcy e la zone satur e s coule vers exutoire VERSANT i as de ruissellement de surface EaR E i D ficit dit PIXEL i Fig 40 Sch matisation des coulements sur le versant par TOPMODEL Une limitation de ce mod le souvent d nonc e est l hypoth
255. les crues clair Paris Goulet L amp Gregoris Y 2001 Apports d une repr sentation physique des processus de surface pour la pr vision des crues rapides Atelier sur le couplage de mod les atmosph riques et hydrologiques Groupe de travail mixte PATOM PNRH CNRS Toulouse 87 91 Gregoris Y Lavabre J amp Descouche C flash flood early warning the AIGA method http www cosis net abstracts PLC5 00102 PLC5 A 00102 pdf Giraud F Faure J B Zimmer D Lefeuvre J C amp Skaggs R W 1997 Mod lisation hydrologique d une zone humide complexe Journal of irrigation 123 5 Habets F amp Saulnier G M 2001 Subgrid runoff parametrization Physics and Chemistry of the Earth part B Hydrology Oceans Atmosphere 26 455 459 Henderson F amp Wooding R 1964 Overland flow and groundwater from a steady rainfall of finite duration J Geophys Res 69 8 1531 13540 Hewlett J D 1961 Watershed management some ideas about dtorm runoff and baseflow USDA Forest Service Aschville Carolona Hewlett J D amp Hibbert R A 1967 Factors affecting the response of small watershed to precipitation in humid area Forest Hydrology Ed W E S Pergamon N Y 275 290 Hillel D 1974 L eau et le sol principes et processus physiques Louvain Belgique Vandereme d 248 Holtan H N 1961 A concept for infiltration estimates in watershed engineering USDA Bull 41 51 Horton R E 1933 The role of infiltr
256. les r sultats obtenus avec la m thode de Ponde cin matique sont ceux qui se rapprochent le plus de la r alit Toutefois la sch matisation des sous bassins est d licate et peu pr cise Elle repr sente en elle m me une proc dure de calage Les deux autres mod les SCS UH et Snyder UH pr sentent de fortes variations suivant les valeurs de leur unique param tre de calage mais fournissent des r sultats satisfaisants aussi Quant aux deux modeles physiques simple et complexe ils fournissent des r sultats tr s proches Il ne semble donc pas n cessaire de proposer un mod le plus d taill qu une conceptualisation en fonction des affluents principaux Enfin en terme de r partition des pluies nous avons opt pour une spatialisation des trois pluviographes disponibles par une m thode proche des polygones de Thiessen l utilisation d images radar fournirait une r partition spatiale mieux d finie au moins qualitativement Toutefois la retranscription de la distribution spatiale des pluies n est pas suffisamment fid le dans le logiciel utilis traduite en terme de pourcentage de repr sentativit des pluviographes Parmi les inconv nients li s ce code notons que son utilisation ne nous permet pas d exploiter toutes les donn es disponibles occupation des sols MNT et pluies issues du radar m t orologique par exemple De plus l analyse des hydrogrammes une chelle plus fine devrait nous renseigner sur la v
257. licates Selon Lettenmaier amp Wood 1993 pour valuer la qualit de la pr vision il est pr f rable d utiliser le biais pour l erreur syst matique la variance pour l erreur al atoire et l erreur absolue moyenne pour les deux Ce dernier crit re est plus adapt que le carr de l erreur moyenne puisqu il est moins domin par un petit nombre de grandes erreurs et est de fait un indicateur plus fiable des amplitudes d erreurs typiques De plus le coefficient de corr lation et le crit re de Nash restent les plus utilis s Le premier repr sente l erreur al atoire seulement tandis que le second contient les deux types d erreur A ces caract ristiques intrins ques se rajoutent les objectifs des simulations En effet dans la probl matique qui nous concerne la phase de la mont e de crue et le paroxysme de la crue sont des tapes d cisives dans la pr vision op rationnelle des crues Un bon r sultat sera donc un hydrogramme de crue qui pr sentera une erreur syst matique quasi inexistante une erreur al atoire faible le long de la courbe de mont e de fa on ne pas tre tent de d clencher d alerte trop souvent et une bonne estimation sur la date d arriv e de la c te d alerte Cette derni re n tant pas toujours disponible lors de ces essais nous avons utilis comme r f rence syst matique le pic de crue Ainsi il semble difficile de se contenter de l estimation d un seul de ces
258. lis e Ces images dont la couleur est repr sentative du cumul de pluie tomb e en 1 4 d heure sont centr es autour du radar m t orologique de Toulouse interpr t e en lames d eau HYDRAM M t o France et dat es de juin 2000 Pour le bassin versant de la L ze Sud de Toulouse situ dans la zone couverte nous avons traduit ces donn es en hy tographes quivalents et nous les avons compar s aux lames d eau recueillies par les pluviographes sur la m me r gion extraites de ESPION SAC31 Nous avons r alis cette m me manipulation sur d autres v nements pluvieux disponibles Nous avons obtenu les hy tographes suivants 180 10 11 june 2000 H radar data measured data water depht n M iN WwW FU HD Ss O 12 tim in h drs 3 a6 a2 16 17 february 2000 water depht r N 0 6 12 tim in durs 30 36 42 48 28 29 january 2001 waterdepht m o e N w A ul a 0 6 12 30 36 42 18 24 time in hours Fig 120 Comparaison des hy tographes synth tis s partir des images radar et issus de mesures au sol pour diff rents v nements Cumul de pluies mm Espion HYDRAM pluviographes lame d eau radar Janvier 2001 F vrier 2000 Juin 2000 Tab 32 Comparaison des cumuls de pluies pluviographes radar m t orologique Intensit s maximales de pluies Espion HYDRAM mm h pluviographes lame d eau
259. lle spatiale de petits bassins versants m diterran ens moins de 1 000 km appara t comme pertinente Parmi les mod les d j existants r pondant au moins partiellement aux crit res requis et disponibles au moment de l tude TOPMODEL et HECHMS ont t mis en oeuvre Les r sultats obtenus ne sont pas pleinement satisfaisants soit car ces mod les n cessitent des chroniques pluie d bit correspondant ces v nements particuliers chroniques rarement disponibles soit car la variabilit spatiale et les caract ristiques des processus physiques influents ne sont pas suffisamment prises en compte par ces mod les Afin de palier ces inconv nients un mod le MARINE pour Mod lisation pour l Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des v Nements Extr mes a t con u dans le cadre de cette th se Il s agit d un mod le pluie d bit qui int gre l imagerie satellitale et les pluies issues du RADAR m t orologique et qui ne n cessite pas de longues chroniques pluie d bit pour son calage Afin que MARINE puisse tre adapt d une part aux chelles des donn es issues de l imagerie satellitale et d autre part l chelle objectif a laquelle les pr visions doivent tre r alis es diff rentes mod lisations hydrologiques ont d tre mises en cascades pour franchir par une m thode agr gative ce saut d chelles Ce mod le a fourni des r sultats tr s encourageants sur la crue
260. lo study of rainfall sampling effect on a distributed catchment model Water Resources Research 27 1 119 128 Kull D W amp Feldman A D 1998 Evolution of Clark s unit graph method to spatailly distributed runoff J of Hydrol Engng ASCE 3 1 9 19 Lanza L 2000 What is a flash flood University of Genova Flash flood laboratory Laurenson E M 1964 A catchment storage model for runoff routing J of Hydrololy 2 141 163 Lettenmaier D P amp Wood E F 1993 Hydrologic forecasting Handbook of Hydrology 26 1 26 30 Liu Z amp Todini E 2002 Towards a comprehensive physically based rainfall runoff model Hydrology amp Earth System Sciences 6 5 859 881 Llamas J 1993 Hydrologie g n rale Principes d application Gaetan Morin editeur Canada Llovel C amp Dartus D 2003 Search of the useful extraction of high resolution remote sensed data for runoff modeling Workshop on Hydrology from space Toulouse France vol book of abstracts poster Louy O Borne F amp Marceau D 1997 Etude de la variabilit spatiale de couverts forestiers en fonction de l chelle d observation VHes Journ es scientifiques du R seau T l d tection de l AUPELF UREF Sainte Foy Qu bec Canada 249 Maidment D R 1993 Developing a spatially distributed unit hydrograph by using GIS Proceedings of HydroGIS 93 IAHS 211 Maidment D R 1993 Handbook of hydrology Mallants D amp Feyen J 1
261. ls peuvent y tre observ s rendant cette rivi re tr s anthropis e Les 2 profils obtenus par projections des MNT sur la rivi re observ e IGNTHORE et SPOTTHORE ne varient pas de fa on monotone Ils pr sentent des trous et des bosses abrupts rendant difficile toute mod lisation hydraulique Les 2 profils obtenus par projections des MNT sur leur rivi re potentielle IGN HYD et SPOT HYD varient de fa on plus r guli res Toutefois ils ne prennent pas en compte les constructions humaines le long du lit ce qui est assez limitant sur une rivi re comme celle ci o elles sont nombreuses le comportement des quations de la dynamique 19 devenant tres diff rent De plus Chraleux Demargne 2001 a montr qu il fallait mettre en oeuvre une m thodologie complexe ou bien disposer de quelques donn es tr s pr cises pour pouvoir rendre le r seau potentiel de drainage coh rent avec le r seau observ Qui plus est les profils obtenus par le MNT SPOT sont d cal s verticalement d environ 10 m tres par rapport aux profils IGN En conclusion la partie hydraulique de la mod lisation sera effectu e partir des donn es du g om tre Le but de cette partie est d valuer l influence de la r solution verticale des MNT sur le cheminement du ruissellement sur les versants ou sur de petits bassins versants Les MNT utilis s dans cette tude n ayant pas la pr tention de d crire p
262. ltats des simulations et que le param tre ChVel qui fixe la valeur du transfert superficiel n a plus une grande influence sur les r sultats pass un certain seuil autour de 5 000 m h Au contraire le mod le est tr s sensible aux trois autres param tres pour lesquels il existe un point de fonctionnement optimal Le parametre SRinit a t cal a des valeurs avoisinant 0 2 pour chacune des 3 crues test es et le parametre M a 0 09 ils ont tous deux des valeurs de calage relativement constantes Enfin To qui repr sente la transmissivit du sol est celui qui pr sente la plage de valeurs la plus large conform ment aux diff rentes valeurs pr sent es dans la litt rature et qui influence les hydrogrammes r sultants de fa on consid rable Portabilit de TOPMODEL Nous avons ensuite envisag de caler TOPMODEL sur un v nement et d appliquer le calage en l tat pour une crue diff rente Portabilit des param tres cal s Le jeu de donn es qui a fourmi les meilleurs r sultats en calage direct concerne la crue de Saint Hippolyte du Fort du 13 10 95 L essai de calage anticip a donc port sur cet v nement 70 Hydrogrammes de crue a Saint Hippolyte le 13 10 1995 TO ig be T7 180 0 10 000 160 0 20 000 140 0 EE hy to mm h 30 000 e d bits observ s A 120 0 40 000 2 calage1 2 100 0 cadet 50 000 N 80 0 c
263. m thodes qui conduisent a des mod les de pr vention sont essentiellement statistiques et peuvent tre difficiles voire impossibles utiliser lorsque les observations historiques sont absentes ou insuffisamment nombreuses e La phase de gestion de la crise consiste en la surveillance l annonce et la pr vision d un v nement potentiel de crue afin de minimiser ses cons quences possibles en agissant sur l organisation des secours en particulier e L analyse de l v nement et de ses cons quences dite analyse post crise permet d accro tre le retour d exp rience et d enrichir ainsi les deux premi res phases de la gestion du risque PREVENTION GESTIONDELA E Aauleurs E dea Temps Service d annonce of 5 iis Carine des des crues pr visions m le retour zones risques entempsr el sik ae Fig 1 Risque d inondation La pr vision et la gestion de la crise sont des proc dures r glement es extr mement complexes en France Elles font intervenir diff rents organismes M t o France Service d Annonce des Crue SAC S curit civile dont les comp tences sont tr s sp cifiques Certains d entre eux sont charg s de pr voir ou au moins de surveiller l apparition potentielle 11 d un v nement Les m thodes utilis es peuvent tre tres diff rentes suivant le type de crue et la taille du bassin versant concern Pour des crues relativement lent
264. mis et confidents Fabrice Durand mon ternel complice Fr d rick Estupina mon fr re et mon exemple accompagn de sa petite famille Sandrine Borrell ma cousine et mon amie et bien s r mes beaux parents et grands parents Je finirai ces remerciements par ceux que j adresse mes parents et mon mari C est bien vous les sources de motivations de ces travaux c est bien vous qui m avez soutenue pendant ces ann es humainement bien sur mais aussi mat riellement et scientifiquement C est bien pour vous que je suis venue bout de ces travaux C est donc tout naturellement vous que je d die cette th se Et pour finir un grand merci Melvin pour avoir t si patient avec ta maman A mes grands parents a mes parents et mon poux TABLE DES MATIERES REMERCIEMEN IDS dant nb nc nn nn 3 L Chapitre Introduction generale seien eE EE a E TEES 11 I 1 Contexte des inondations et de la gestion des risques sseeeeeeeeeeeeeeeeeeeseeeeeeeeees 11 I 2 Crues clair et bassins mal JAW GCS sise itanressentes 12 3 Probl me du temps r el et du temps diff r pour la pr vision op rationnelle 13 1 4 Objectifs de la th se et plan du m moire 13 II Chapitre II El ments de r flexion sur les crues clair 15 Resume du Chapitre eiea ne ns remaniement 15 EL Tntrodu nomAUChaADLEe I san nee dt in oi 16 IL2 Hydrologie des crues clair et tests de mod lisation 19
265. mit e l essentiel R sultats Les hydrogrammes de crue fournis par MARINE ont t concentr s aux extr mit s amont de la fronti re entre les parties hydrologique et hydraulique Une mod lisation hydrodynamique grande chelle ne va pas sans poser un certain nombre de probl mes La construction du mod le repose sur la fiabilit du M N T Les versions mises notre disposition pour cette tude ont r v l des imperfections relativement nos besoins La base de donn es ne fournit pas non plus la bathym trie des cours d eau Pour r sumer la taille inhabituelle du maillage l tendue altim trique de la topographie et le fort pourcentage de mailles s ches dans le lit majeur avant et pendant le passage de la crue ont entra n des probl mes du point de vue de la r solution num rique Ceci implique que les r sultats pr sent s ci dessous ne doivent tre consid r s que comme une qualification de l utilisation de tels mod les pour la fourniture d informations pertinentes vis a vis de la probl matique de protection contre les crues L hydrogramme de crue obtenu Moussoulens suite une tude grande chelle est le suivant 215 m3 s 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 36000 72000 108000 Unit de temps Fig 152 Hydrogrammes de crue obs
266. mont et de la station aval Les mod les PIF pr vision intuitive formalis e Le principe de ce mod le est de consid rer les m mes variations de sections mouill es entre l amont et l aval Il ne tient pas compte des pluies ni des temps de propagation ed x 76 AH gt A largeur L originalit de ce mod le r side dans le fait que le pr vsionniste ajuste lui m me son mod le en fonction de ses connaissances et de la situation actuelle Il est tr s peu utilis car il demande une grande maitrise du terrain et des pr visions hydrologiques largeur val mont Les mod les hydrogramme unitaire Le syst me expert L expertise est r alis e une fois que toutes les donn es ont t transmises et que le multi modele a r pondu L expertise peut tre r alis e soit par station soit par bassin L expertise par stations consiste d finir e L tat plusieurs niveaux caract risant l tat de gravit de la situation sont possibles Normal Vigilance Pr alerte Alerte Inconnu Cet tat est d fini partir de la pr vision des c tes 233 e Le degr le degr pr cise l tat Deux degr s sont affect s par tat Le degr informe sur l acc l ration des ph nom nes e Le diagnostic il s agit de commentaires r dig s concernant l volution et les mesures adopter Le diagnostic est un conseil donn l op rateur Une expertise au niveau du bassin peut aussi
267. mpos de pixels ind pendants ne contient pas de coh rence topographique intrins que Kenward ef al 2000 tablit le m me type d observations sur ses MNT the reference DEM produces a sharp image that clearly defines the valley network whereas the USGS and the SIR C images while having the same general structure show many local variations that have the effect of making the image more diffuse Cependant les pentes calcul es partir des deux MNT fournissent des r sultats semblables 23 et 25 de moyenne m me si l aspect de leurs lignes d isovaleurs diff re elles ont un aspect rugueux anguleux pour le MNT SPOT et lin aire pour le MNT IGN Il semble important de noter ici que les pentes consid r es ici sont assez importantes ce qui n est probablement pas sans cons quence sur les r sultats En effet d une part les grandes pentes vont engendrer des erreurs relatives plus faibles et d autre part les r gions pentues vont concentrer le ruissellement superficiel dans des chenaux tr s rapidement et organiser ainsi la structure du bassin versant organisation qui est visible travers le MNT Kenward et al 2000 dont les r sultats montrent que le MNT spatial est difficilement utilisable travaille partir d un basin versant moins pentu la pente moyenne est inf rieure 15 sur les 2 3 du bassin A premi re vue cette propri t de pente suffisamment importante semble tre un crit re d finissant la f
268. mulation Le Vidourle prend sa source aux alentours de 370 m Son exutoire Saint Hippolyte du Fort se situe 157m Sa longueur est de 9 07km et sa pente moyenne est de 2 3 Le Gardon de Saint Jean prend sa source environ 520m pour se retrouver 150 m Corb s Sa longueur est de 17 75km et sa pente moyenne est de 2 1 Fig 35 Photo d un cours d eau type Gardon dans le Gard Les profils en travers ont t choisis de fa on tre simples tout en repr sentant approximativement la r alit des lits mod lis s Les cours d eau tudi s ont un d bit tr s faible la plupart du temps le lit mineur est donc assez troit De plus les vall es sont tr s encaiss es les profils ont donc t construits comme le montre le sch ma ci dessous Ce profil simplifi ne varie que par les largeurs du cours d eau et de la vall e relev es sur carte _ 56 100 200 m Fig 36 Profil en travers simplifi utilis pour MAGE En fonction de ces profils on peut calculer une courbe de tarage th orique Q H servant de condition limite aval pour MAGE Une fois le profil fix cette condition n est fonction que de la pente et du coefficient de Strickler du lit Ks Neveu amp Perrot 2002 1600 1400 1200 1000 800 Q en m3 s 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 Henm Fig 37 Exemple de courbe de tarage a Corb s I 0 75 Ks 20 Occupation des sols geologie et na
269. n cessaire de d grader les r solutions des donn es de fa on g n rer un nombre de mailles suffisamment petit pour le mod le m me si cette proc dure n est pas syst matique 111 3 1 2 2 Discussion autour de ce choix de mod lisation Hypotheses d tablissement de l onde cin matique Revenons sur les hypoth ses d tablissement de l onde cin matique La d finition de cet l ment repr sentatif d une r alit hydrologiquement homog ne constitue une difficult dans notre cas car nous avons repr sent le ruissellement par un 142 coulement en nappe homog ne l int rieur du pixel seulement c est dire suivant une succession d coulements en nappe l mentaires locaux Ceci n a pas de r percussion a une chelle globale le versant entre deux coulements locaux les rigoles sont consid r es par MARINE travers leur orientation et leur inclinaison Cette difficult a t soulev e par diff rents auteurs Chow et al 1988 Puech 2000 Souchere et al 2003 Cerdan et al 2002 Gascuel Odoux et al 1999 qui indiquent que l hypoth se d un coulement en nappe au del d une dizaine de m tres peut tre sujette controverse Les ruissellements observ s lors de crues sur des versants d une taille sup rieure se pr sentent plut t sous la forme de rigoles En utilisant des mailles de quelques dizaines de metres nous ne sommes pas trop loign s en ordre de grandeur
270. n tre sup rieure repr sente une vue de dessus de l extension de la crue pour la zone consid r e La fen tre inf rieure l hydrogramme sous sa forme de chevelu au point consid r L volution de la pr vision ainsi visualis e int gre successivement les nouvelles lames d eau mesur es par M t o France et utilise dans cet exemple une pr vision des pluies nulle La m me proc dure est toutefois applicable aux lames d eau d anticipation issues de la m thode 27R 220 Fig 154 Exemple de visualisation des r sultats de MARINE au niveau de Sauveterre apr s int gration et traitement par la soci t ASTRIUM IV 3 5 4 Conclusion Ce projet a permis 4 MARINE d voluer vers un prototype pr op rationnel de pr vision des crues Toutefois les observations de la crue de novembre 1999 font cruellement d faut sur le Thor pour lequel nous ne disposons a ce jour d aucun limnigramme de crue ni des informations pluviom triques correspondantes Le choix des param tres r alis correspond a une transposition de parametres obtenus sur des v nements extr mes observ s sur le d partement du Gard Il sera probablement n cessaire d affiner ces param tres apres un traitement d une crue complete sur le Thor Enfin il faut souligner que le prototype est pr op rationnel en temps r el et int gr sous forme du d monstrateur PACTES appliqu au bassin versant du Thor Comme tout mod le il devra tre enr
271. n de crues clair et o il suppose que les autres processus intervenant sur le bassin sont consid r s comme non dominants Ainsi le domaine de validit de MARINE est suppos fix par le processus dominant et les quations des autres processus seront simplement adapt es aux chelles pr d finies MARINE Gen se OC MARINE Propagation Pel ert 4 B o r a m Fig 78 Donn es R sultats de MARINE En l occurrence le processus dominant retenu est le ruissellement superficiel pour lequel nous supposons qu il peut tre approch par l approximation de l onde cin matique Ainsi nous d duisons les chelles de travail de MARINE par l analyse du domaine de validit du mod le de l onde cin matique OC 121 1 2 4 2 Formulation de l approximation de l onde cin matique Consid rons les quations de Navier Stockes et int grons les verticalement sur une paisseur relativement faible avec une hypoth se de non glissement sur le fond on obtient alors les quations de Saint Venant dites shallow water Celles ci se d composent en termes inertiels et en termes de frottement Ces derniers font appara tre les coefficients de Ch zy Manning ou Darcy Weiscbach suivant la formulation retenue Ils d pendent de la nature du fond de sa forme des diverses obstructions l coulement et de la v g tation cf Tregarot 2000 pour le d tail des quations
272. nc suivant les cas s av rer n cessaire une bonne pr vision des d bits M t o France met a notre disposition des images radar traduites en terme de lame d eau repr sentant soit les pluies observ e en temps r el HYDRAM Cheze amp Helloco 1999 soit les pluies issues de banques de donn es utilis es pour la pr vention soit les pluies pr vues selon la m thode 2PiR la Pr vision Imm diate des Pr cipitations par Imagerie Radar est bas e sur la d termination de d placement de cellules pr cipitantes chelle fine soit les pluies pr vues selon la m thode M soNH code de recherche m t orologique dont les r sultats ne sont pas disponibles en temps r el Hauteur d eau par HYDRAM Banque de donnees EAU NEO A Fig 3 Donn es pluviom triques fournies par M t o France Les pluies diluviennes l origine de certaines crues clair pr sentent une forte variabilit spatiale et temporelle avec de fortes intensit s d s le d but de l v nement cause de la quasi stationnarit des cellules convectives La connaissance des intensit s dur es et extensions spatiales de ces pluies ainsi que leur pr vision court terme sont autant d l ments qui devront tre pris en compte dans les mod lisations des crues clair que nous allons r aliser 21 11 2 1 1 2 Fonction de production Le bassin versant est le si ge d coulements horizontaux et verticaux la surface du sol e
273. nce Nash Coefficient de Corr lation R Tab 39 Valeurs des crit res pour les simulations IV 3 3 4 Conclusion Les r sultats obtenus avec MARINE sur 3 crues rapides survenues dans le d partement du Gard tendent confirmer que les param tres de ce mod le sont portables d une crue l autre et que ce mod le est utilisable pour des crues qui ne seraient pas des crues clair mais qui pourraient tre aussi des crues dont la cin tique est rapide sans pour autant tout d vaster sur leur passage La comparaison de MARINE et TOPMODEL sur des crues rapides correctement observ es nous a conduit supposer que plus la pluie est faible meilleurs sont les r sultats obtenus avec TOPMODEL et plus elle est forte plus les performances de MARINE sont bonnes Ceci pourrait s expliquer par la compl mentarit des deux mod les puisque l un est plus adapt la mod lisation des coulements sub surfaciques alors que l autre au ruissellement superficiel et donc plut t aux crues clair Toutefois 1l est aussi probable que l une des raisons des moindres performances de TOPMODEL puisse venir de la non prise en compte de la distribution de la pluie dans celui ci alors que MARINE la consid re De plus il est int ressant de noter que si l on compare les r sultats de TOPMODEL obtenus ici avec ceux obtenus dans le chapitre II on remarque que TOPMODEL est tr s sensible au choix de l v nement de r f rence pour sa phase
274. nductivit hydraulique ce mode de fonctionnement ne s active jamais Gestion de la zone non saturee Cette lame d eau correspond a la percolation verticale de la zone non satur e vers la zone satur e Seul le drainage gravitaire plus rapide que le drainage capillaire et l infiltration Hortonienne sont consid r s POINT DE CAPACITE AU SATURATION FLETRISSEMENT CHAMP eee ee DRAINAGE pe a CAPILLAIRE eau du so Le r gime DRAINAGE d coulement GRAVITAIRE vers le bas est pratiquement nul Musy 91 lent Zone d ficit 7 90 satur e 238 Recharge locale de la zone saturee La pluie s infiltre dans la zone non satur e qui alimente directement la zone satur e Ce flux entre zones non satur e et satur e s exprime par T 91 On Z expPCd M 163 Mod lisation l chelle du bassin versant D ficit moyen La mani re dont se ventilent les d ficits locaux autour du d ficit moyen est fonction de la topographie Afin de l exprimer on fait l hypoth se que la surface des zones contributives satur es est n gligeable devant la surface totale du bassin versant 92 D M IT M ln T M In R La variation du d ficit local du point i autour du niveau moyen de la nappe est directement li e la variation de l indice topographique du point 1 autour de sa valeur moyenne 93 D d M IT Ln A tan B 164 C est ainsi que sont d termin s les d ficits l
275. ne vision synth tique du mod le 133 1 3 1 Mod les de ruissellement superficiel dans MARINE Le ruissellement superficiel est approch dans MARINE par deux m thodes distinctes les isochrones variables ou approche lagrangienne et la r solution de l quation de continuit pas a pas ou approche eul rienne Chacune de ces m thodes est d taill e ci dessous 111 3 1 1 Ruissellement superficiel approche par les isochrones variables 111 3 1 1 1 D finition du concept des isochrones variables Une ligne isochrone est un contour reliant les points distants de l exutoire d un m me temps de transfert A partir du trac des courbes isochrones distantes d un intervalle de temps constant on d finit des tranches de bassins suppos es contribuer uniform ment au d bit a l exutoire au temps de l isochrone correspondante On peut alors construire l histogramme Time Area TA qui est la repr sentation graphique des contributions successives de ces tranches en reportant la surface comprise entre deux lignes isochrones adjacentes en fonction du temps sur un graphique I I I 1 I dt 2dt 3dt 4dt 5dt temps Fig 91 Concept des isochrones Le graphe TA joue le r le d une fonction de transfert pour le bassin versant caract ristique du ruissellement de surface Il constitue donc la base d une relation pluie d bit En consid rant une pluie qui tombe au temps t sur le bassin versant sa c
276. nent Charleux Demargne 2001 Ceci nous permettrait de caract riser avec une pr cision suffisante les fronti res des bassins mais ceci ne modifierait pas les chemins d coulements valu s dans la r solution de MARINE Les diff rents tests r alis s sur des r gions du Sud de la France ont permis de bien reproduire les bassins pour des MNT IGN de r solution inf rieure ou gale 50m cf exemple de R pudre pr sent sur la figure ci dessous pour lequel un MNT 50m a t utilis pour d terminer la fronti re du bassin versant Toutefois pour des MNT IGN de 100m il a pu arriver que les informations qu ils contiennent ne suffisent pas avec de simples proc dures reproduire correctement les fronti res des bassins 186 Calculated watershed D D E watershed Pouzos Mine Moussoulens Fig 124 Exemple de fronti re de bassin calcul e en noir avec un MNT IGN a 50m le R pudre affluent de Aude et superpos aux contours officiels fond de carte donn es DDE11 Ces diff rents tests nous permettent de retrouver un des r sultats obtenus dans le chapitre II concernant l chelle maximale du support des donn es Nous avions valu cette chelle par diff rentes m thodes environ 100m pour le MNT Cet ordre de grandeur est ici confirm Cependant il arrive que certaines particularit s du bassin tudi nous conduisent a des seuils plus resserr s Suite a cette tude de sensi
277. nge plus au Sud par les Garrigues gardoises Les bassins versants concern s dans cette partie sont au nombre de quatre Ils sont situ s dans le nord ouest du d partement du Gard Il s agit e Du bassin du Gardon de St Jean en amont de Saumane e Du bassin du Gardon de St Jean en amont de Corb s e Du bassin du Vidourle en amont de Saint Hippolyte du Fort e Du bassin de l Av ne affluent du Gardon d Al s dont les superficies s tendent entre 50 et 250 Km Fig 33 MNT du d partement du Gard et position des 4 basins versants tudi s Nous disposons d un Mod le Num rique de Terrain MNT de la BD ALTI IGN avec une r solution horizontale de 50m fournie par la DDE du Gard Le relief de ces bassins est relativement accident et I altitude varie entre une centaine de m tres et un peu plus de 1 000m pour les bassins versants auxquels nous nous int ressons 55 Saumane Altitude en m 400 Fig 34 MNT du bassin versant du Gardon de St Jean en amont de Corbes Les Gardons sont tant t de petites rivi res calmes tant t de v ritables torrents aux eaux furieuses Les profils en long r els n tant pas disponibles les cartes IGN ont permis d extraire des profils simplifi s partir des lignes de niveau trac es sur les cartes IGN on rel ve quelques altitudes le long du cours d eau avec lesquelles on peut d terminer des tron ons de rivi re homog nes on garde alors leur pente moyenne pour la si
278. nit la couleur Nous parlerons d images en pseudo couleurs et en pseudo pr cision La description de l occupation du sol obtenue par ces images est int ressante car e elle est adapt e la taille du bassin zone couverte de plusieurs centaines de km e elle traduit l h t rog n it de l occupation du sol l chelle du bassin parcelles villages for ts e sa r solution correspond celle d autres types de donn es satellitales MNT e elle peut tre acquise en n importe quel endroit et diff rentes dates rendant ainsi compte des effets de la saisonnalit ou de l anthropisation Toutefois l int rieur d un m me pixel l occupation du sol est elle m me h t rog ne Ce mode de repr sentation ne donne pas acc s cette h t rog n it directement 157 moins d envisager un couplage avec des images tr s haute r solution difficiles acqu rir co teuses et n cessitant des traitements pouss s afin d tre int gr es dans un mod le hydrologique Une fois l image acquise diff rents traitements doivent tre r alis s La premi re partie de ces traitements est r alis e par la soci t SCOT Prenons l exemple d une image LANDSAT TM du 20 11 99 utilis e pour mod liser la crue de novembre 1999 pour I Aude le Thor et l Orbieu SCOT effectue un premier traitement de cette image qui consiste en une classification non supervis e l ai
279. non lin airement des modules d coulement agissant sur des sous domaines diff rents ou parfois simplement introduire des termes sources quasi lin aires couplages faiblement r tro actifs Ce type de couplage nous permettrait d envisager une extension cons quente des domaines d applications de MARINE V 2 2 Meilleure evaluation des valeurs des parametres de MARINE Les quations d un mod le distribu reposent sur un maillage constitu d unit s l mentaires homog nes Pour MARINE ces unit s sont repr sent es par des mailles carr es et r guli res Toutefois chacune de ces mailles repr sente une nature h t rog ne L affectation de la valeur d une variable hydrologique l unit homog ne du mod le est souvent inaccessible par la mesure directe On est alors amen affecter une unique valeur de param tre repr sentative de l h t rog n it de la nature d une part et adapt e la repr sentation s lective des processus physiques d autre part Une perspective d am lioration de MARINE passe par une optimisation de la valeur de calage de ces param tres Deux pistes d investigation apparaissent alors soit par une analyse plus fine des processus l int rieur d une unit l mentaire du mod le soit par une vision plus globale du fonctionnement du bassin V 2 2 1 Investigation petite chelle Les mailles que nous utilisons correspondent une description grillag e impos
280. nsfert L ensemble des mesures de la texture du sol d une part et de la perm abilit d autre part fournit des relations tres empiriques Cette table n en est pas moins un outil pr cieux puisque lorsque l on conna t la texture du sol elle nous fournit directement une id e d un jeu de param tres optimis s pour mod liser l infiltration selon Green amp Ampt Toute la difficult r side alors dans l estimation pr cise du param tre donn comme par exemple l valuation de la succion au sein de plages de valeurs tr s larges Un probl me analogue se pose pour d terminer la valeur de la conductivit hydraulique efficace partir de celle de la conductivit hydraulique saturation En fait le sol se sature plus vite dans les premiers centim tres de sol Cette premi re couche de sol pr sente donc une conductivit hydraulique efficace proche de la conductivit hydraulique saturation La prise en compte de la conductivit hydraulique efficace nous conduirait introduire de nouvelles lois fonctions de l humidit de la colonne de sol donc variable au cours de l v nement et ajoutant ainsi quelques param tres texture du sol v g tation macropores dont les donn es n cessaires leur calage ne sont pas disponibles 161 Maidment 1993 fournit quelques recommandations afin de spatialiser les param tres de Green amp Ampt en tenant compte de la carte d occupation des sols Cette carte dev
281. nt des donn es disponibles Leur calage peut tre r alis de fa on automatique par HEC HMS partir des donn es pluie d bit HEC HMS est un logiciel complet facile prendre en main Ce mod le devrait pouvoir tre utilisable pour la mod lisation des crues clair pour des processus de gen se de crues de type hortonien au sens large Pour de d tail sur le contenu scientifique de ce mod le on pourra se r f rer aux r f rences not es en bas de page 11 2 3 1 4 Hydrotel l int gration des donn es de t l d tection Ce mod le a t con u en collaboration entre l INRS EAU Canada et Laboratoire d Hydrologie et Mod lisation de Montpellier Fortin ef al 1995 dans le but de cr er un outil capable d int grer et de g rer la spatialisation des donn es et des processus physiques Il utilise ainsi les donn es issues de la t l d tection et les SIG Il se d compose en 2 modules PHYSITEL pour le traitement du MNT en vue de la d termination des unit s hydrologiques du bassin et de son r seau de drainage et HYDROTEL pour la simulation hydrologique Ce dernier module int gre en plus des r sultats de PHYSITEL le type de sol sa profondeur racinaire la pluie sous forme de pluviographes l occupation des sols et les caract ristiques de la v g tation alb do indice foliaire Il simule l ETP la fonte des neiges le ruissellement superficiel par l onde cin matique la propagation de la crue dans l
282. nts codes pour laquelle un processus physique particulier peut tre sch matis d au moins deux fa on diff rentes Le choix de l utilisation de l un ou l autre des modules sera dict par une analyse des donn es disponibles d crivant le bassin OT 1 1 Introduction du Chapitre III L tude bibliographique sur la nature des crues clair et les tentatives de simulations de celles ci par le biais de diff rents mod les hydrologiques ont mis en vidence la complexit du comportement du bassin versant en situation de crues clair Face a la volont de mod liser ces crues de fa on d terministe nous avons opt pour la cr ation d un mod le qui va s attacher mod liser les processus dominants quitte n gliger ou simplifier les autres processus Ce type de mod le est d fini comme un mod le perceptuel Sivapalan 2003 Le processus physique dominant retenu est le ruissellement superficiel tant sur les versants que dans les cours d eau De plus nous avons vu que les crues clair taient difficiles observer et mesurer ce qui rend l utilisation de mod les hydrologiques classiques d licate puisqu ils n cessitent des chroniques pluie d bit pour leur calage Duband 1999 insiste sur la difficult mod liser la relation pluie d bit bien qu il existe un grand nombre de mod les permettant de d crire ce transfert de l eau Tous ces mod les utilisent en entr e des param tres qui s
283. o 4 25 avec To en m7 h transmissivit de l paisseur de sol e SRmax 0 5 m profondeur du r servoir racinaire e SRinit 0 23 m perte du r servoir racinaire e ChVel 5650 m h vitesse de transfert superficiel effective La valeur obtenue pour LnTo est importante mais ne semble pas irr aliste en comparaison avec les r sultats obtenus lors d autres exp riences Durand et al 1992 La vitesse de transfert est d environ 1 5 m s ce qui semble correct L hydrogramme de crue ainsi simul est pr sent ci dessous _ 68 Hydrogramme de crue a Saint Hippolyte du Fort le 03 10 1995 Calage de TOPMODEL sur ce m me v nement 450 ETT p 350 re LUE h pao 300 j jo 2 250 E pluie Mil lies e D bit observ la E e gt Ss s 2 3 200 TOPMODEL cal a g i 60 gt 150 e i e 70 100 i NS 80 8 50 sus 90 0 100 10 3 1995 10 3 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 10 4 1995 19 12 21 36 0 00 2 24 temps 4 48 7 12 9 36 12 00 Fig 41 Calage de TOPMODEL sur cette m me crue rivi re Vidourle En terme de performance l efficience Nash obtenue est de 0 30 Ce qui est un mauvais r sultat En particulier le premier pic de crue n est pas reproduit Toutefois cette incapacit de TOPMODEL retrouver le premier pic de crue est peut tre due au fait que l h t rog n it spatiale d
284. ocaux de la nappe au pas de temps t pour chaque pixel 1 Cette quation nous permet aussi de d terminer pour un d ficit moyen donn quels sont les pixels satur s 1 e les points pour lesquels le ruissellement g n r par TOPMODEL appara t Or un point est satur si son d ficit local est nul ce qui conduit a d finir un indice topographique seuil tel que tous les points ayant un indice sup rieur a cet indice seuil soit satur s 04 d 0 gt IT D seuil t or IT M Composante d exfiltration de la nappe La composante d exfiltration des zones satur es s exprime par 95 Q flame out Lr 96 165 D Q Ad Ty exp exp IT Lr Il s agit d un d bit global La p riode de r cession de l hydrogramme a une forme hyperbolique Elle peut tre tres diff rente si l on utilise d autres formulations pour V valuation de l indice topographique de la recharge ou du gradient hydraulique C est durant cette p riode que l on initialise TOPMODEL en assimilant du d bit mesur a l exutoire au d bit de base Interception et evapotranspiration Il y a la possibilit d introduire diff rents sch mas de mod lisation en ajoutant des param tres Dans la version initiale l interception et l vapotranspiration sont suppos es tre taux constant on consid re que sur la dur e des pisodes leur variabilit est faible 239 Ruissellement
285. od les propagation le long d un cours d eau et mod les pluie PQ globaux base physique processus complexes base physique processus de type hortonien Sous versants Sous versants bassins basins Param tres caler partir de chroniques PQ Param tres caler partir de chroniques PQ Pr d termination possible puis calage a partir de chroniques PQ Calage statistique partir de chroniques PQ Pr d termination possible et calage partir de chroniques PQ Pr d termination possible puis calage a partir de chroniques PQ Nature sortie crue a l exutoire Hydrogrammes de crue Hydrogrammes de crue en diff rents points du basin Hydrogrammes de crue en diff rents points du basin Hydrogrammes de crue en diff rents points du basin Risque hydrologique HYDROTEL base physique Pr d termination Hydrogrammes possible puis de crue calage partir de chroniques PQ Dans ce chapitre nous allons utiliser deux mod les hydrologiques pour simuler la crue de l Orbieu Lagrasse qui a eu lieu en novembre 1999 Les mod les retenus sont TOPMODEL pour un essai de simulation de gen se de crue suivant le processus des zones contributives satur es et HEC HMS pour l autre mode de gen se des crues qui correspond plut t une approche plut t hortonienne ainsi les deux types de gen se pourront tre test s La motivation de ces choix a
286. ographiques du bassin sur les coulements de surface et la non uniformit de la pluie Nous envisagerons les approches suivantes On suppose que la vitesse de ruissellement superficiel s exprime selon la formulation de Llamas ou selon l approximation de l onde cin matique Les vitesses de transfert sur les versants seront fonction de la pluie nette On envisagera diff rentes valuations de la pluie nette L hypoth se de stationnarit sera soit conserv e soit relax e en consid rant que diff rentes intensit s de pluies donneront lieu diff rents graphes Time Area 111 3 1 1 3 Determination des chemins de ruissellement surfacique Afin de bien d crire les chemins d eau l coulement doit pouvoir se faire selon n importe lequel de ses voisins Dans un maillage pix lis r gulier nous avons opt pour la d riv e directionnelle ayant la plus grande norme parmi les 8 possibles O Callaghan amp Mark 1984 Fairfield amp Leymarie 1991 So max z 40 AL avec So la valeur de la pente locale Z la valeur de I altitude au point consid r et L la distance s parant le point consid r de ses voisins Le chemin d eau est construit en valuant pour chaque pixel la direction d coulement et la valeur de la pente associ e comme mentionn ci dessus Les trous du MNT sont consid r s comme des erreurs dans nos chemins d coulement extrapolation maillage erreur de mesure Tribe
287. ographs La liste des tudes sur le sujet est bien loin d tre exhaustive Dans cette partie nous allons analyser la sensibilit de MARINE la r solution puis a la pr cision des MNT Pour ce faire nous utiliserons des MNT de r solutions diff rentes mais de m me origine IGN puis des MNT de m me r solution mais de nature diff rente IGN et SPOT4 et donc de pr cision tr s diff rente Les analyses de sensibilit se feront l exutoire du bassin versant en terme de comportement hydrologique mais aussi plus amont pour des sous bassins ou bien en terme de comportement g omorphologique fronti re de bassin versant IV 2 3 1 Influence de la r solution des MNT Dans cette partie nous allons analyser la capacit de MARINE partir d un MNT brut de tout traitement d finir l ensemble des points ayant une influence hydrologique sur un exutoire d termin en d autres termes la surface drain e par un exutoire soit le bassin versant Puis nous observerons les cons quences d un changement de r solution du MNT sur les d bits l exutoire du bassin 1V 2 3 1 1 Sensibilit la r solution du MNT sur la d finition des aires drain es Les MNT utilis s sont deux MNT IGN d une m me r gion contenant le bassin versant du Thor 25m et 100m de r solution au sol 185 i a i Affluent Ann Fig 123 Bassin versant du Thor obtenu pour diff rentes r solutions de MNT Sans
288. ologiques les cellules convectives s organisent en vastes syst mes de une plusieurs centaines de kilometres appel s syst mes convectifs de m so chelle Leur forme peut tre quasi lin aire parmi lesquelles se trouvent les syst mes en forme de V qui restent quasi stationnaires pendant plusieurs heures ou qui se d placent lentement produisant ainsi de grande quantit de pr cipitations Les fortes intensit s de pluies apparaissent alors plut t en d but d v nement ce qui favorise la formation du ruissellement Cosandey amp Robinson 2000 19 Parmi ces pluies certains pisodes orageux sont qualifi s de c venols Ils touchent principalement l arc m diterran en durant l automne mais pas seulement 14 7 1987 crue de la Borne au Grand Bornant en Haute Savoie 21 et 22 9 1980 crue de la Loire et de ses affluents en Haute Loire en amont du Puy en Velay Parmi les averses c venoles les plus d vastatrices citons les crues roussillonnaises en octobre 1940 840 mm en 24 heures a Llau Nimes le 3 10 1988 420 mm Vaison La Romaine le 22 9 1992 ruissellement torrentiel Saint Hippolyte du Fort le 4 10 1995 276 mm cumul s durant la nuit Puysserguier 28 1 1996 vague d eau boueuse 4 victimes l Aude et le Tarn le 13 11 1999 620 mm en 48 heures a L zignan par exemple Les avis sont partag s quant l importance de la connaissance de extension spatiale de la pluie dans la mod lisation d une crue L
289. on us et d velopp s une p riode o les techniques spatiales n existaient pas Les param tres extraits des images et ceux requis par les mod les sont rarement en accord en th me en pr cision et en chelle spatiale et temporelle Puech 2000 Les th mes de donn es n cessaires MARINE sont e les pluies issues des radars m t orologiques et trait es par les mod les d estimation et d anticipation de M t o France elles repr sentent le for age atmosph rique de MARINE A d faut nous utiliserons des pluviometres bien que ceux ci donnent une image imparfaite de la structure spatiale des crues clair e le Mod le Num rique de Terrain MNT ou DEM permet de d terminer les pentes du relief l origine des coulements superficiels de l eau e l occupation du sol qui influence les vitesses de ruissellement e la texture du sol qui renseigne sur son infiltrabilit e la description des lits mineurs et majeurs des cours d eau principaux rugosit et g om trie e enfin l humidit initiale du sol qui d faut de pouvoir tre quantifi e sera cal e Un effort particulier sera port sur la d finition des chelles et des r solutions de ces images leurs th mes seront d termin s en fonction des caract ristiques que l on cherche conna tre L image satellitale est interpr t e comme un chantillonnage arbitraire et uniforme des donn es sous la forme d un maillage r gulier De par
290. on comme l Aude 366 mm an d apport moyen contre 700 800 mm an de pluie brute Enfin l adaptation d une formule de ce type notre mod lisation est complexe et n cessiterait l introduction de nouveaux param tres pour finalement aboutir des quantit s d eau potentiellement vapor es de l ordre du pourcent compar es aux volumes pr cipit s lors d une crue clair Thirriot 1980 pr cise que la r partition de l eau travers le cycle hydrologique tant fonction des chelles spatio temporelles auxquelles on travaille lorsque l chelle temporelle est la dur e de la pluie le ph nom ne d vaporation effective appr ciable peut tre n glig Interception Cosandey amp Robinson 2000 d finissent l interception comme la fraction de la pr cipitation qui lors de sa chute est retenue principalement par la v g tation mais aussi par diff rentes surfaces plus ou moins imperm abilis es par les constructions les routes ou m me les roches nu Ce stock d eau est ensuite soit vapor soit redirig vers le sol le long des troncs d arbre par gouttage des feuilles Seul le volume vapor peut tre consid r comme une perte le second volume est simplement retard On trouve dans la litt rature des valeurs de la capacit maximale de stockage par la v g tation Celle ci est extr mement variable dans le temps et dans l espace Elle est fonction de la morphologie de
291. on des sols est d riv e du traitement d image Landsat TM Le r sultat est ensuite r chantillonn 100 m tres IV 3 4 4 R sultats des mod les IV 3 4 4 1 Mod le pluies d bits R sultats La validation d un mod le spatialement distribu passe d une part par une validation globale du mod le avec le d bit l exutoire du bassin et d autre part par une validation des processus internes simul s Cette derni re est g n ralement ignor e du fait du manque de donn es observ es Cependant il est possible de r aliser quelques validations interm diaires autre que la reproduction d hydrogramme de crue et qui fourniraient d j quelques indications sur la validit de la spatialisation r alis e Les v rifications que nous avons retenues sont les suivantes e Reconstitution des fronti res des sous bassins versants petites chelles lt 50 km e Reconnaissance des localisations g ographiques des affluents au niveau de leur confluence avec l Aude et ayant pris part de fa on notable a la crue de I Aude e Concordance des hydrogrammes des affluents obtenus avec les quelques t moignages ou valeurs mesur es disponibles e Reconstitution approximation d un hydrogramme de crue a l exutoire du bassin par un mod le de propagation 1D Ainsi les r sultats que nous avons obtenus en sortie du module hydrologique de MARINE sont e Plusieurs fronti res de sous bassins versants de petite
292. onc tre correctement anticip e Toutefois ce param tre n est pas le plus influent du mod le 200 En effet la conductivit hydraulique du sol est bien le param tre qui conditionne le plus la r ponse du mod le en terme d hydrogramme de crue Les tests ont aussi montr que seule l pr d termination a base physique de ce param tre n tait pas toujours suffisante Il peut arriver que certains bassins demandent un calage sp cifique de ce param tre Les tests de sensibilit sur les mod les de propagation dans les cours d eau principaux montrent que la pr cision n cessaire de la description du lit mineur est avant tout fonction des objectifs de simulation suivis Par exemple la pr cision sur la d limitation g ographique de la laisse de crue simul e est fortement d pendante des ces donn es alors que l obtention de pr vision hydrologique des hydrogrammes de crue peut se contenter de sch matisation des lits des cours d eau La r partition spatiale des pluies engendrant des crues clair conditionne la r ponse hydrologique du bassin Toutefois la pr vision temps r el des crues clair passe par une pr vision temps r el des pr cipitations Cette donn e tant la variable explicative de la crue la plus influente les pr visions temporelle dans un premier temps et spatiale dans un second temps sont capitales Ainsi l introduction de lames d eau pr vues est l une des futures pistes d investigation de
293. ont difficiles obtenir et le probl me du choix du mod le devient un compromis entre e le co t des donn es e le co t du calcul e a rapidit du calcul lorsque le mod le est utilis en temps r el e la pr cision des r sultats attendus Pour une crue grand d bordement crue rapide du type de celle de novembre 1999 dans le Sud Ouest les donn es concernent essentiellement la topographie du bassin versant pour laquelle compte tenu de l espace couvrir 1l est peu r aliste de rechercher des informations avec les m thodes classiques de relev s de g om tres qui sont g n ralement utilis s pour ce type de mod les Duband 1999 La t l d tection peut fournir des informations compl mentaires de celles fournies par les moyens classiques d observations Cependant alors que les mod les hydrologiques taient en ad quation avec ces donn es classiques les informations fournies par la t l d tection diff rent en th me en chelles spatiale et temporelle et en pr cision Ainsi le mod le concevoir doit int grer les sp cificit s des donn es t l d tect es a une chelle qui leur est propre tout en fournissant la r ponse hydrologique du bassin amont en n importe quel point du cours d eau principal C est la confrontation entre la nature du processus dominant et la d finition de ce saut d chelle qui va conditionner le choix des quations de notre mod le Dans ce chapitre nous e
294. ont pas nonc s Nous proposons ici une analyse de la gen se et de la propagation des crues en g n ral qui confront e aux quelques caract ristiques et observations connues de crues clair fournit des mod les de fonctionnements des bassins versants subissant de telles intemp ries Ainsi alors que le mode dominant de propagation de ces crues para t bien tre le ruissellement superficiel le mode de gen se de ces coulements reste incertain entre saturation par le dessus ou bien par le dessous Nous avons ensuite pr sent les crues tudi es tout au long de ce rapport et les bassins versants associ s puis afin d avancer dans l analyse de tels processus nous avons mis en uvre des mod les hydrologiques num riques d j existants et repr sentatifs de diff rentes formes de gen se de crue L analyse des r sultats obtenus par ces mod lisations fait ressortir quelques indications sur la nature de la physique de ces coulements sur le type des donn es pertinentes consid rer et sur la cat gorie de code d velopper pour am liorer la pr vision des crues clair tudi es 15 11 1 Introduction du chapitre Il Les 12 et 13 novembre 1999 le d partement de l Aude a re u des pluies diluviennes l origine d une crue remarquable de l Aude mais aussi de nombreux autres cours d eau aux bassins versants plus restreints Une grande partie du d partement a t touch e en une seule journ e par des cumuls d
295. ontribution au d bit l exutoire au temps tz s exprime par le produit de convolution suivant 37 dQ t I t dA t t avec dQ une fraction du d bit l exutoire d au ruissellement superficiel Ipn l intensit de la pluie nette pluie brute infiltration interception eau stock e vaporation dA une fraction d aire du bassin comprise entre deux isochrones Le passage de cet histogramme l hydrogramme de crue se fait en int grant les contributions l mentaires de toutes les tranches de bassin comprises entre deux lignes isochrones dA ty 1 4 4 dt Q t IpO 2 38 134 L expression distribu e de I hydrogramme de ruissellement est alors j QO gt Linge Aga 39 k l avec Q le d bit a l exutoire au pas de temps j correspondant a t2 Ipn l intensit de la pluie nette A laire du bassin comprise entre les deux isochrones j k 1 et j k Cette m thode peut tre qualifi e de m thode rationnelle En ce sens elle se rattache a la m thode de l hydrogramme unitaire qui constitue une m thode plus complete et dont les hypoth ses d tablissement sont les suivantes Sherman 1941 et Remenieras 1986 pour une synth se e la superficie du bassin ne devrait pas exc der 3 000 km petits moyens bassins pour Saghafian et al 2002 et la dur e de la pluie 24 h e la pluie doit tre uniforme en temps et en espace e le ruissellement doi
296. par une seule et m me conceptualisation de sa naissance son exutoire Datin 1998 par exemple voquant le ruissellement superficiel sur les zones contributives satur es les repr sente par une nappe a surface libre tout le long de leur cheminement USACE 1979 repr sente la globalit du ruissellement superficiel sur un bassin hors cours d eau d finis comme tels par deux plans inclin s travers s lat ralement par deux rigoles se jetant dans une troisi me rigole longitudinale joignant les deux plans Les quations r solues sont celles de londe cin matique r partie Enfin Liu amp Todini 2002 repr sentent le ruissellement par un coulement en nappe discr tis selon la maille du MNT Mod le Num rique de Terrain et r git par l approximation de onde cin matique OC La description du mode de ruissellement de surface reste donc un sujet ouvert a la fois li la mod lisation retenue ainsi qu l chelle laquelle il est consid r Propagation des crues clair dans les cours d eau L coulement de la crue dans les cours d eau joue un r le d terminant dans la propagation de la crue clair La morphologie du bassin et de ses talwegs provoquent une concentration des flux et un adoucissement des pentes et par suite une augmentation des hauteurs d eau Les vitesses estim es sont de l ordre du m tre par seconde pour les crues clair avec des r gimes d coulement globalement fluviau
297. pas de temps donn Mod les l mentaires Les diff rents multi mod les sont constitu s de plusieurs types de mod les l mentaires e Les mod les relation lin aire e Les mod les pluie d bit e La r glette Bachet e Les mod les relations puissances e Les mod les relations multiples e La pr vision intuitive formalis e e La m thode de l hydrogramme unitaire Tous ces mod les utilisent des donn es limnim triques et fonctionnent quelque soit le niveau des eaux Les s ries de donn es limnim triques sont compl t es en temps r el si elles s av rent tre incompl tes L op rateur a la possibilit d intervenir sur les valeurs extrapol es Les donn es radar utilis es sont moyenn es par bassin versant Elles sont consid r es par les mod les comme des donn es ponctuelles applicables l exutoire des bassins Enfin les r sultats des mod les l mentaires sont accessibles et peuvent tre ais ment compar s entre eux Les mod les relation lin aire SOPHIE utilise deux types de mod les relation lin aire les mod les autor gressifs et les mod les propagation Les mod les autor gressifs permettent de d terminer le d bit en un instant et en une station donn s partir des d bits la m me station mais en des instants ant rieurs 66 OG A Q a t Ar Les avantages d un tel mod le sont qu il ne n cessite pas de calage et que m me si des probl mes de t l t
298. pas pr vues De fa on g n rale l hydrogramme pr sente des oscillations au dessus de la c te d alerte apr s le premier pic de crue Ces oscillations traduisent une incertitude sur l volution future de la crue sur une ventuelle remont e des eaux Sa forme est tr s diff rente de celle obtenue par le calage anticip pr c dent Il ressort de cette tude que TOPMODEL est extr mement sensible la valeur choisie de ses param tres comme le rappelait Saulnier 1996 ce mod le peut faire juste pour de mauvaises raisons cause du calage de ses param tres De plus ce calage est d licat r aliser grande plage de variabilit des param tres de par leur manque de sens physique choix de la fonctionnelle minimiser pour optimisation du calage quifinalit des r sultats importante incertitude entachant les observations 1 2 3 2 4 Bilan sur l utilisation de TOPMODEL TOPMODEL est un logiciel qui se pr sente sous la forme d une interface conviviale et facile prendre en main Il fournit des r sultats tr s rapidement et ne n cessite que des donn es accessibles De plus sa facult reproduire des petites crues sur des sous bassins audois et gardois est bonne N anmoins elle devient beaucoup plus al atoire lorsque l intensit des v nements augmente Les tests de portabilit ont t r alis s en appliquant les param tres cal s sur une crue une autre crue except un param tre d
299. patially variable effective soil depths in TOPMODEL Journal of hydrology 202 158 172 SCS 1986 Urban hydrology for small watersheds technical report 55 USDA Springfield VA Sherman L K 1941 The unit hydrograph and its application Bull Ass State Eng Soc 17 4 22 Short D 2000 Flash Flood Climatology amp Omaha 1999 University of Nebraska Lincoln Simmons M A Cullinan V I amp Thomas J M 1992 Satellite imagery as a tool to evaluateecological scale Land Ecol 7 77 85 Singh V 1988 Hydrologic systems vol 1 Rainfall Runoff modeling Sivapalan M 2003 Process complexity at hillslope scale process simplicity at watershed scale is there a connection Geophysical Research 5 07973 Sivapalan M amp Bloschl G 1998 Transformation of point rainfall to areal rainfall Intensity duration frequency curves Journal of Hydrology 204 1 4 150 167 Souchere V Cerdan O Ludwig B Le Bissonnais Y Couturier A amp Papy F 2003 Modelling ephemeral gully erosion in small cultivated catchments CATENA 50 2 4 489 505 Thirriot C 1980 Le devenir prochain de la pluie infiltration ou ruissellement la houille blanche 4 5 259 265 Todini E O Connell P E Levizzani V Hannessen R Marsiligli M Jern M Albertoni P P Meneguzzo F Szturc J amp Burlando P 2003 The MUSIC project International Conference on Floodforecasting in Europe Ed Hydraulics D Rotterdam 63
300. pe ou les deux combin es Dans cette th se nous valuerons donc l utilisation des deux modes dominants de saturation des sols par le dessous et par le dessus travers des codes d j existants ey 1 2 1 2 Contraintes de mod lisation des crues clair 11 2 1 2 1 Mod les hydrologiques devant reproduire des crues clair dans un contexte de pr vision Un mod le est une repr sentation sch matique d un processus d une d marche raisonn e r alis e afin de pouvoir mieux tudier celui ci Petit Larousse 2002 Les processus hydrologiques sont souvent d crits par plusieurs types de mod les class s de la fa on suivante Stochastique D terministe Empirique A base physique Global Distribu A cette d finition on peut ajouter la distinction Ev nementiel Continu en consid rant que certains mod les ont des champs d application temporels plus largis que d autres li s a des v nements particuliers Toutefois les distinctions ne sont pas si nettes et le passage de l une l autre de ces cat gories de mod les se fait de fa on continue Le terme Conceptuel peut tre sujet controverse Nous consid rerons dans ce rapport que tout mod le hydrologique est conceptuel dans le sens o le concept est la repr sentation g n rale et abstraite d un objet ou d un ensemble d objets il se d finit selon sa compr hension et selon son extension Petit Larousse 2002 Nous lui pr f rerons
301. pitations relativement abondantes sur la partie centrale du Languedoc souvent sup rieures en cumuls sur ao t septembre et octobre 300 mm ont relev les d bits des rivi res et permis de r alimenter un nombre important d aquiferes En contre partie au sud de la r gion en amont de Aude et sur les Corbi res entre autre les d bits taient encore faibles car le d ficit hydrologique durait depuis 18 mois Le d partement de l Aude dans son ensemble n a t que peu arros et les d bits de Il Aude taient faibles Hydrogramme de crue observe Ce ph nom ne est exceptionnel par son tendue g ographique environ 5 000 km de territoire ayant t touch Plusieurs bassins ont t touch s par des inondations et des crues d vastatrices Tous les cours d eau des Corbi res notamment la Berre et l Orbieu ont quitt leur lit avec des d bordements d vastateurs pour les habitations riveraines les routes et les ouvrages d art Plus au nord ont t touch les affluents de l Aude de la Montagne Noire au Minervois l Orbiel l Argent Double l Ognon et la Cesse Le r seau hydrom trique a lui m me t atteint rendant difficile dans l imm diat l analyse hydrologique de l v nement En tout tat de cause une analyse par bassin se r v lera indispensable pour appr cier les dur es de retour Celles ci pr senteront tr s probablement un caract re tout a fait exceptionnel DIREN 1999
302. plex hillslopes 2 Intercomparison with a three dimensional Richards equation model Water Resour Res 39 11 1317 Patton P amp Baker V 1976 Morphometry and floods in small drainage subjest to diverse hydromorphic controls Water Ressources Research 12 5 941 952 Perrin C 2000 Vers une am lioration d un mod le global pluie d bit au travers d une approche comparative INPG Grenoble 530p Peugeot C Esteves M Galle S Rajot J L amp Vandervaere J P 1997 Runoff generation processes results and analysis of field data collected at the East Central Supersite of the HAPEX Sahel experiment Journal of Hydrology 188 189 1 4 179 202 Ponce V M 1989 Engineering Hydrology principles and pratice New Jersey Puech C 1993 D termination des tats de surface par t l d tection pour caract riser les coulements des petits bassins versants application a des bassins en zone m diterran enne et en zone tropicale s che Universit Joseph Fourier Grenoble I Puech C 2000 Utilisation de la t l d tection et des mod les num riques de terrain pour la connaissance du fonctionnement des hydrosystemes M moire en vue d obtenir une Habilitation Diriger des Recherches INPG Grenoble Puech C Dartus D Bailly J amp Estupina Borrell V 2004 Hydrologie distribu ee T l d tection et probl mes d chelle SFTP 13p accept e QUINN P BEVEN KJ amp LAMB R 1995 The In a tanb index ho
303. pp D autre part la courbe de tarage hauteur d bit est exploit e par extrapolation des points jaug s pour des crues d amplitude aussi lev e ce qui rajoute une incertitude sur les valeurs du d bit Les r sultats obtenus semblent donc pertinents au regard RTE des approximations et de la pr cision des donn es le mod le hydrologique de MARINE sera donc utilis en amont d un mod le de propagation 2D a la place du mod le 1D rustique pr sent ici Critiques et ameliorations possibles du modele Ce travail a t r alis en 2000 et le mod le MARINE n en tait alors qu un premier stade de d veloppement Ainsi la m thode de transfert utilis e tait la m thode isochrone qui int grait une variabilit spatiale mais pas temporelle hypoth se de stationnarit coupl e un mod le d infiltration simplifi Cette derni re hypoth se n a eu cependant que peu de cons quences sur les r sultats puisque quelques averses ont pr c d es l v nement simul ici et ont contribu la saturation quasi totale du sol avant le d but de la simulation 1V 3 4 4 2 Mod le de propagation de crues 2D Cette partie du travail a t effectu e par Marie Madeleine Maubourguet et Jacques Chorda chercheurs dans le groupe HYDRE de l IMFT Chorda amp Maubourguet 2000 Leurs r sultats sont pr sent s ici de fa on fournir un l ment suppl mentaire sur la validation de MARINE Elle est donc volontairement li
304. pr sentatif de la gen se d une crue clair la aussi dans certaines conditions et sur certains bassins Enfin les vrais ph nom nes sont parfois dus l existence au m me endroit et au m me moment d un ph nom ne de limitation de la capacit d infiltration et de remont e locale de la nappe ou de la frange capillaire presque satur e nous reviendrons sur ce point dans le bilan sur la gen se des crues clair Processus modifiant la structure superficielle du sol Th orie des organisations pelliculaires superficielles Cosandey amp Robinson 2000 explique que lorsque les sols sont mal prot g s de l impact des gouttes de pluie l effet splash peut modifier l tat de surface du sol et ainsi ses conditions d infiltration Il se forme alors des organisations pelliculaires superficielles OPS ou cro te de battance C est une propri t souvent associ e aux sols limoneux mais qui peut concerner tous les types de sols Gaume 2002 Boiffin 1982 tudie les stades de la d gradation d un sol il consid re un sol sans v g tation pouvant infiltrer entre 30 et 60 mm h une fois que l effet splash a form une cro te structurale en surface l infiltration varie alors entre 2 et 6 mm h cro te de battance La surface du sol peut alors devenir tr s lisse une cro te s dimentaire ayant apparu et son infiltration maximale ne peut plus d passer les 1 mm h cro te s dimentaire plus paisse
305. pr vision op rationnelle des crues clair Revue de la Soci t Francaise de Teledection et de Photogrametrie Accept 99 1 2 1 2 La notion d chelle On parle d chelles spatiale et temporelle propos des processus naturels des observations et des mod les L chelle est d finie par Bl schl amp Sivapalan 1995 comme le triplet EXTENT SPACING SUPPORT pr sent sur la figure ci dessous Natural processes Measurements Models spacing spacing l upport O one OOR Ko pins O support O EXTENT EXTENT EXTENT Fig 69 Repr sentation des chelles selon Bl schl amp Sivapalan 1995 L EXTENT ou tendue correspond a la couverture globale le SPACING ou espacement repr sente la distance entre les diff rentes mesures ou l ments du mod le et le SUPPORT ou support sch matise le volume d int gration ou I aire l mentaire qui varie avec le milieu et la mesure Nous noterons dans la suite les chelles correspondantes Laom pour l chelle de l tendue et Lsup pour l chelle du support pour chacun des domaines d applications processus mesures mod le Notons que pour l imagerie spatiale ou pour les mod les les chelles pertinentes pour notre tude se r duisent au nombre de deux extend et support De plus l chelle du spacing peut tre interpr t e diff remment dans le cas du mod le Il peut s agir de l
306. qualit mais de fournir une estimation a priori des ordres de grandeur de chacun des param tres de MARINE IV 1 1 Calage des mod les de ruissellement coefficient de Manning Dans cette quation le coefficient de Manning doit tre valu pour chaque pixel du bassin Pour cela 1l a t tabli un lien entre ce param tre et l occupation du sol et sa v g tation Ci dessous sont r pertori es diff rentes tables de valeurs pour des plaines inondables trouv es dans la litt rature Type de sol 0 012 Sol recouvert de graviers et bords en 0 020 0 033 durs Bois dense Tab 23 Tableau extrait de Chow 1959 Sol cultiv lt 20 0 06 Prairie Prairie S Bermuda Tab 24 Sources Crawford amp Linsley 1966 et USDA 1986 cit s dans le ASCE 1996 Face aux diff rences constat es entre deux sources diff rentes il semble difficile de conclure vers une table de correspondance pr cise et unique Nous r aliserons quelques tests de sensibilit et de calage pour trancher au cas par cas 156 Le coefficient de Manning est utilis dans le concept des isochrones variables a travers la m me quation de vitesse que pour l onde cin matique Dans les deux cas nous utilisons donc les m mes tables de Manning Le passage entre les cartes tir es d images satellitales renseignant sur la couverture v g tale et l occupation des sols et le type d occupation du sol directement reli a
307. quelles le ruissellement superficiel pourrait ne pas se produire et sous d autres aspects 1l la recentre sur des crues dont le temps de r ponse des bassins est de 6 heures exclusivement Cette pr cision est d autant plus surprenante et critiquable que les propri t s morpho topographiques g ologiques l occupation du sol et l tat hydrique de tels bassins ne sont pas sp cifi s De son c t le Minist re de l Agriculture pr cise que sont consid r es comme crues clair hors normes celles dont le d bit de pointe d passe 4 fois le d bit d cennal En r gion m diterran enne le seuil retenu repr sente un d bit sp cifique de 9 m3 s km2 pour un bassin de 50 km2 Minist re_Agriculture 1980 Dans les travaux de Gaume 2002 les d bits sp cifiques caract ristiques des crues clair sur les bassins versants du Languedoc Roussillon pris en consid ration sont extr mement variables depuis 3 ou 4 m3 s km2 jusqu 10 voire 20 m3 s km2 en certaines stations du bassin Il semble qu on puisse retenir finalement deux caract ristiques essentielles chelle de temps rapidit et lame d eau totale ruissel e ou intensit ou d bit Nous pourrions dresser un tableau qualitatif simple RAPIDITE DE LA CRUE VOLUME OU INTENSITE Crue lente Crue lente et inondations Crue clair Crue clair catastrophique Tab 2 Tableau qualitatif simple sur la d finition des crues clair 17 Ainsi la d fini
308. r voir Cependant des am liorations de la connaissance peuvent contribuer l un ou l autre des objectifs Duband 1999 L objectif que nous nous sommes fix n est pas de pr senter ce que l on pourrait faire avec des donn es que l on n a pas mais plut t de d finir ce que l on peut faire avec les donn es dispomibles Ainsi d s la premi re phase de r flexion sur la d finition du mod le hydrologique utiliser pour mod liser les crues clair les futures contraintes li es au caract re op rationnel des pr visions qui seront r aliser vont nous orienter dans le choix de la nature m me du mod le hydrologique initial Les bassins versants concern s par les crues clair tant g n ralement de petite taille avec des temps de r action extr mement rapides la pluie et la crue clair engendr e peuvent ne durer que quelques heures Actuellement les Services d annonce des Crues fran ais disposent de lames d eau radar pr cipit es tous les quarts d heure voire toutes les 5 minutes au mieux Au cours de ce m me cr neau horaire ils r cup rent leurs observations terrain niveau d eau dans les cours d eau principaux niveaux des lames d eau recueillies par les pluviometres Ils disposent donc de quelques minutes pour pr voir l volution de la crue pour les heures venir et ventuellement d clencher l alerte Montz amp Gruntfest 2002 insistent sur le fait que quelques minutes perdues au cour
309. r avec toi a lavenir Mais c est bien s r aussi mes amis coll gues que mes remerciements s adressent en priorit Ils m ont non seulement aid dans mes travaux mais ils m ont aussi apport toujours dans la bonne humeur le t moignage de leur v ritable amiti Je commencerai par C cile Llovel mon Amie Je t adore pour ta bonne humeur pour ton petit c t maternel protecteur pour ta spontan it pour ta sinc rit Merci pour ton aide de tous les jours et sous toutes ses formes que je ne saurais citer ici sans doubler le volume de ces remerciements Une partie du m rite de ces travaux te revient de droit puisque tu as non seulement contribu directement ces travaux mais tu as aussi t l pour me soutenir jusque dans la derni re ligne droite Heureusement que Montpellier n est pas si loin Franc et G raldine Vigi pour votre amiti les soir es pass es ensemble toujours pleines de fous rires quand la prochaine Franc William Castaings pour ton humour pour nos prises de t te sur les mod les d infiltration pour m avoir invit e dans ce super resto apr s en avoir longuement cherch le chemin et apr s tu oseras te moquer de mon sens de l orientation C est a Sylvie que j adresse ici une attention toute particuli re Sylvie dont la g n rosit et la disponibilit sont sans limite enti rement d vou e aux personnes qui l entourent et d une fid lit in branlable Merci pour ton amiti et ton souti
310. r lequel seuls certains param tres sont accessibles autonome int grant les lames d eau pr vue et observ e mises disposition et fournissant des r sultats sous une forme conviviale et simple d interpr tation Le tout devant tre r alis dans un temps raisonnable permettant au pr visionniste qui l utilisera d inter comparer les r sultats des diff rents mod les dont il dispose avant le cas ch ant de prendre une d cision concernant l alerte des crues quelques minutes maximum Cette tude a pu tre r alis e par le biais du projet PACTES Pr vention et Anticipation des Crues au moyen des TEchniques Spatiales IV 3 5 1 Contexte Ce projet est un projet de Recherche amp D veloppement destin au RTE R seau Terre Espace du Minist re de la Recherche qui en a d l gu la ma trise d ouvrage au CNES Les quelques illustrations de ce projet r alis par l quipe Hydrologie de Surface de IMFT pr sent es dans cette partie sont d taill es dans le rapport Alquier et al 2002 Les taches r alis es par les autres partenaires du projet sont pr sent es dans Ducuing et al 2003 Un des objectifs essentiels du projet PACTES est de mettre a disposition des utilisateurs des produits permettant de r aliser une pr vision et une pr vention efficaces des ph nom nes de crues pour viter au maximum les d g ts mat riels et les pertes humaines li s des inondations Pour cela une collaboration a t
311. radar Janvier 2001 F vrier 2000 Juin 2000 8 3 Tab 33 Comparaison des intensit s de pluies pluviographes radar m t orologique On constate donc que m me une fois trait es les images radar fournissent des informations quelques peu diff rentes en terme de cumul ou intensit s maximales de pluies l chelle globale du bassin 181 IV 2 2 2 Pluie distribu e par le radar m t orologique Afin de tester l influence de la connaissance de la spatialisation d une pluie nous avons simul des hydrogrammes de crue partir de la pluie distribu e et partir d une pluie homog ne Le bassin a une superficie de 200 km Thor les deux hypotheses de pluie faites sont e la pluie homog ne et uniforme pr sente une intensit de 32 mm h pendant 9 heures e la pluie localis e pr sente un pic d intensit de 185 mm h pendant 9 heures Les deux pluies fournissent un m me apport de pr cipitations au sol 800 700 600 500 400 ule uniforme debit en m3 s Pluie localis e 300 200 100 I I I i 20 30 i ho 1 a tempsenh Fig 121 Hydrogrammes pour des pluies localis es et uniformes de m me volume On constate une diff rence des r ponses hydrologiques du bassin au niveau de la forme globale de l hydrogramme et en particulier de la forme de la courbe de mont e et de la date d apparition du pic de cr
312. rain 204 sur l occupations des sols sur le type de sol et sur les pr cipitations de simuler correctement une crue clair avec MARINE sans calage proprement parler c est dire en ayant donn au pr alable des valeurs physiques aux parametres du modele exception faite du parametre d humidit initiale des sols Il serait donc pertinent d liminer cette seule phase de calage li e a la connaissance de l tat initial d humidit des sols par le couplage de MARINE avec d autres outils hydrologiques compl mentaires 205 IV 3 3 Application de MARINE pour les crues rapides mais non eclair sur de petits bassins versants gardois IV 3 3 1 Contexte et objectif L objectif de cette tude est double Il s agit d une part d utiliser MARINE sur des banques de donn es un peu plus completes que celles usuellement disponibles pour des crues clair ce qui permettra une phase de calage et d autre part d envisager l application de MARINE sur des crues rapides moins violentes que les crues clair De plus la mise en oeuvre de TOPMODEL dans le chapitre II a montr que celui ci pouvait tre utilis pour des crues rapides Nous avons donc compar s les r sultats obtenus avec MARINE ceux obtenus avec TOPMODEL L ensemble des donn es utilis es est celui pr sent pr c demment Bien que la banque de donn es soit relativement complete rappelons que les profils des cours d eau ne sont pas connus
313. rait tre interpr t e selon 3 cat gories 1 le sol nu d pourvu de v g tation 2 les zones dont la surface du sol est recouverte et 3 les zones recouvertes de v g tation haute sol nu sous la canop e Pour chacune de ces zones la conductivit hydraulique effective devra y tre d velopp e Zone 1 K Coef cro te Ks K Coef macroporosit Ks Tab 30 Estimation de conductivit s hydrauliques efficaces con ductivitg hydraulique effective ite Pour la troisi me cat gorie de sol la conductivit hydraulique effective sera suppos e gale la conductivit hydraulique saturation Pour la deuxi me cat gorie la conductivit hydraulique effective sera suppos e gale un facteur de macroporosit fois la conductivit hydraulique saturation Nous avons donc choisi d utiliser cette conductivit hydraulique saturation comme conductivit efficace en premi re approche certains auteurs ayant obtenu des r sultats corrects avec cette hypoth se simplificatrice Toutefois le passage de cette quation locale un volume l mentaire chelle de support du mod le est d licat et peut introduire un biais L encore le param tre principal de l quation pourra tre utilis pour prendre en compte ce biais IV 1 3 Calage du mod le de propagation 1D MARINE rivi re Le seul param tre devant tre cal est le coefficient de Strickler La rugosit des cours d eau a t valu
314. ransmission apparaissent ce mod le peut toujours fournir une valeur valu e De plus ce mod le a fait ses preuves pour la phase de d crue Toutefois les brusques changements de pente dans l hydrogramme ne sont pas reproduits Les mod les propagation fonctionnent sur le m me principe que le mod le pr c dent mais ils permettent en plus de tenir compte des stations amont Oa x 67 Q t At a t a O t At t QOp t ty acle t Att Oc t t c ete Bien que ce mod le n cessite le calage de trois param tres m thode des moindres carr s il utilise un param tre physique le temps de propagation t depuis des stations amont jusqu la station consid r e 231 Les modeles pluie debit L application d un tel mod le requiert des temps de r ponse courts et un bassin de petite taille en forme d ventail Cas d un sol satur NITI Q t At H gh 68 a O t Q t At KII 69 O t At O 1 N 0 t r el Retrouvons le d bit th orique sans pluie Q G Q 6 KITT O t At O t 70 a En tenant compte des pluies CO La ow a or at Q KT N KI 71 a Cas d un sol non satur Dans ce cas il faut en plus tenir du pouvoir d absorption du sol P 1 O t At 72 a Introduire une perte par absorption du sol revient a introduire un coefficient de r duction de la pluie QO t K 11 P N dI A
315. ration ou ruissellement ainsi que dans la d finition des processus physiques mis en jeu pour r aliser chacune de ces t ches Nous analyserons tout d abord le type de pr cipitations l origine d une crue clair puis par le biais d une revue bibliographique nous identifierons quelles sont les fonctions probables de production et de transfert du bassin versant au cours de ce type d v nement extr me Nous constaterons alors au cours de cette analyse que nous ne pouvons pas raisonnablement trancher pour un mode de gen se de crues clair particulier mais que plusieurs processus physiques de natures diff rentes peuvent tre l origine de cette cat gorie de crues 11 2 1 1 1 Pluie La probl matique de ce travail concerne l anticipation des crues clair L chelle temporelle d observation et de mod lisation est de quelques heures quelques jours g n ralement moins de 48h Nous nous int ressons donc particuli rement l orage qui engendre la crue clair La notion d orage reste vague il s agit d une structure spatio temporelle qui se d place m me si ce d placement peut tre relativement lent et qui peut engendrer en un point fixe donn un hy togramme d averses assez complexe D apr s Rivrain et al 1997 les processus m t orologiques complexes l origine des pluies diluviennes de M diterran e se font une m so chelle Dans certaines conditions m t or
316. re de Reynolds de l coulement ASCE 1996 Ainsi pour un coulement pleinement turbulent Re gt 770 l exposant est de 2 3 il passe a 2 pour un coulement laminaire Re lt 300 Ponce 1989 En r gime non permanent on consid re que l onde cin matique peut assez bien d crire les coulements surfaciques pleinement turbulents avec une hypoth se d uniformit locale La c l rit de l onde de crue intervient alors elle se calcule en fonction de la g om trie du profil en travers Pour une section rectangulaire large la c l rit correspond au 3 5 de la vitesse de Manning Ainsi s il s av rait que le r gime n tait pas uniforme le coefficient de rugosit ainsi que cet exposant en seraient directement affect s Il appara t alors que le seul param tre de l quation de la vitesse approch e par l onde cin matique Manning devient un coefficient dont la valeur englobera r alit erreurs et approximations et permettra le calage du mod le Incertitudes sur l onde cin matique et bilan sur l utilisation de ce mod le Enfin imaginons que le mod le retenu d crive parfaitement les coulements surfaciques des versants analysons les incertitudes sur les grandeurs param tres et r sultats 5 Desbordes M 1996 Enseignement de l eau dans la ville ENSEEIHT INPT 16 Desbordes M 1996 Enseignement de l eau dans la ville ENSEEIHT INPT 143 de l quation de l onde cin matique L incidenc
317. res associ s dans un mod le hydrologique base physique des conditions initiale et aux limites sont aussi indispensables pour assurer la fermeture math matique du syst me La technique nonc e ici permet d acc der indiff remment aux valeurs des param tres des quations ou bien aux valeurs des param tres d crivant les conditions initiales du probl me tudi L am lioration de la condition initiale sur l humidit des sols pourrait alors tre envisag e 227 Cette seconde voie d am lioration de MARINE pr sente les principaux avantages suivants e Une optimisation de la valeur des param tres du mod le e L acc s une estimation de conditions initiales ou de grandeurs physiques Bien que la encore la quantit d observations globales n cessaires puisse aussi devenir limitante dans application de cette th orie 228 ANNEXES ANNEXE 1 Mod les hydrologiques existants ANNEXE 2 D tails de la mod lisation de l infiltration dans MARINE ANNEXE 3 Mesures de l erreur commise sur une pr vision 229 ANNEXE 1 MODELES HYDROLOGIQUES EXISTANTS Sophie Presentation generale SOPHIE est un outil op rationnel de pr vision des crues en temps r el Depuis 1989 la DIREN avec l aide du CERGRENE dans un premier temps a implant de fa on op rationnelle ce mod le sur le bassin sup rieur de la Garonne Sophie est compos e de 3 modules e Le param trage e La pr vision
318. res pour les simulations Nous constatons alors que la phase de mont e de crue est directement influenc e par le mod le d infiltration choisi Une infiltration de type hortonienne pourrait lisser la courbe de mont e de crue toutefois il n a pas t possible de r aliser un calage optimal avec ce mod le Les meilleures performances en terme de crit res sont celles obtenues pour le calage pr c dent c est dire pour une infiltration coefficient de ruissellement constant Le pic de la crue repr sentatif du paroxysme de la crue pr sente la m me forme quelque soit le mod le d infiltration seule son amplitude varie de fa on consid rable Ainsi bien que les r sultats de simulation obtenus pour cette crue ne soient pas tr s fid les aux observations le calage pr d fini des param tres de MARINE conduit des r sultats acceptables Rappelons que cet v nement est le plus faiblement arros des 3 v nements test s 130mm cumul s contre plus de 200mm pour les autres crues peut tre atteignons nous la limite d application d un mod le o le processus de ruissellement superficiel est dominant lors de la gen se de la crue IV 3 3 3 Calage et portabilit vers un site diff rent Nous avons ensuite utilis les calages obtenus pour simuler la crue des 3 5 10 95 a Corbes 209 Hydrogrammes de crue a Corbes le 03 10 1995 MARINE amp TOPMODEL cal s sur une autre crue
319. respondre la longueur d tablissement du r gime Nous consid rons une longueur caract ristique des 123 ruptures de pente la longueur du pixel du MNT Nous la supposons constante pour tous les pixels e La pente est suppos e repr senter la pente du chemin de ruissellement nous calculons la pente du pixel par rapport aux altitudes de ces voisins imm diats e La hauteur d eau doit ensuite tre valu e alors qu elle est inaccessible ce stade du calcul En temps r el nous disposons de BRAM bulletins d alerte m t orologique qui fournissent l information d une pr vision de la quantit d eau pr cipit e cumul e l chelle d un d partement administratif Cette pluie pr vue est donc homog ne l chelle des bassins que nous tudions et n y introduit aucune variabilit C est pourquoi nous partons du principe que plus le r seau amont drain par ce point est vaste plus l eau sera concentr e et plus la lame d eau sera importante Nous avons donc choisi de pond rer la lame d eau pr cipit e l chelle du bassin par une fonction de la longueur cumul e de chemins d eau flow accumulation Pour ce faire nous l valuons de la fa on suivante pour un sous bassin l mentaire partir de l quation bilan hlu P S p avec u la vitesse de Manning au pixel tudi h la hauteur de la lame d eau en ce m me point la largeur de la rigole cet exutoire P l in
320. rgence est rapide 12 Z lt 0 001 Dt 242 Programmation du modele de Green amp Ampt Un ordre de grandeur des volumes infiltr s peut tre obtenu en supposant que l tat d fini au d but d un pas de temps est valable pour tout l intervalle de temps Ainsi au temps t 0 le volume d eau infiltr cumul est nul donc F t 0 10 tests de sensibilit sur le choix arbitraire de cette valeur Puis pour le temps t courant la capacit d infiltration vaut f t qui se calcule de la fa on suivante D 6 S l Kj 1 d3 f CIE FO d4 f min f 0 it Dt Le volume infiltr cumul au temps t Dt s exprime par 15 F t Dt F t f Dt On v rifiera que les valeurs des temps de ponding sont bien n gligeables dans les cas tudi s Dans le cas contraire on devra adopter un algorithme plus complexe pour lequel on supposera toujours que l tat d fini au d but d un pas de temps est valable pour tout l intervalle de temps En supposant connu l tat t on value l tat t Dt par 16 F t Dr F D 08 5f Im RTS qui sera r solu soit par substitution soit par Newton K Dt Notons que la m thode de programmation du mod le de Green amp Ampt fait appara tre le volume initial infiltr au d but de la simulation qui ne peut tre nul Nous avons donc test l influence de la valeur de ce volume initial infiltr pour un sol donn Hydrogramme de crue Orbieu L
321. risque hydrologique Enfin bien que satisfaisants sur le plan op rationnel 1ls ne permettent pas de comprendre le fonctionnement interne du bassin puisqu ils ne font aucune hypoth se sur son fonctionnement hydrologique Notre choix se porte donc sur les mod les d terministes pour mod liser les crues clair M me si selon Montz amp Gruntfest 2002 la pr vision des crues clair est loin d tre d crite par une approche d terministe du fait de la complexit des processus mis en jeu Toutefois Beven 1989 rappelle qu il est utopique de vouloir mod liser le fonctionnement de l ensemble des relations pluie d bit tant elles sont complexes nous nous focaliserons donc uniquement sur la mod lisation des crues dites clair et validerons toutes les hypoth ses simplificatrices li es leur nature Il s agit donc au moins dans un premier temps d un mod le v nementiel Duband 1999 justifie cette approche en cas de pr vision op rationnelle de la fa on suivante En pr sence d informations incompl tes avec incertitudes tant physiques que m trologiques il faut une mod lisation simple robuste fiable parcimonieuse s appuyant sur un processus physique globalis ce qui pose le choix des chelles d espace et de temps structurantes Dans la mod lisation op rationnelle deux approches principales sont propos es e La mod lisation en continu qui consiste reproduire pas de temps fin horaire ou pl
322. roprement le lit des rivi res cette partie des donn es sera commune et extraite d une autre source d information Les solutions des quations de continuit et de la dynamique sont obtenues en utilisant le sch ma aux diff rences finies de Preissmann travers MAGE La g om trie du Thor est d crite par 97 profils en travers distants en moyenne de 250m le long des 28350m de rivi re La pente du fond peut atteindre 4 en amont mais reste de l ordre de 1 plus en aval Plus de 20 seuils de hauteur comprise entre 1m et 6m sont introduits en tant que singularit s le long de la rivi re Le lit majeur est d crit par la couche des lignes de niveaux de la BD Topo d IGN Une visite sur le terrain a permis d valuer les coefficients de Strikler du lit Le lit tant constitu s de gravats et pavets son aspect tant irr gulier avec de larges blocs de roches et l effet de la v g tation n y tant pas n gligeable nous avons opt pour un coefficient de Strickler de 15 influence de ce coefficient n tant pas le sujet de tude ci pr sent e En aval la relation H Q est tablie a partir de la hauteur normale Les conditions initiales sont bas es sur le r gime permanent Le pas de temps est variable et auto ajust de fa on a garantir la stabilit et la convergence du mod le selon le crit re du nombre de Courant Le pas de temps de sortie est fix 600s IV 2 3 2 2 Analyse topographique des MNT SPOT
323. ropres observations d finissant ainsi 3 jeux de param tres optimums pour chacune des 3 crues 10 11 10 87 0 004 1 097 0 485 0 044 156 Efficience 0 87 Tab 13 Param tres de calage de TOPMODEL Saye En ce qui concerne les param tres li s l vapotranspiration SRmax et SRinit ils varient d un v nement l autre mais pr sentent le m me ordre de grandeur pour l v nement de 1987 et celui de 1999 Ce point n est pas surprenant puisque que ces deux v nements se produisent la m me p riode de l ann e automne alors que les autres ont lieu en hiver et au d but du printemps Les vitesses de propagation dans la rivi re sont du m me ordre de grandeur quelques centim tres par secondes quelle que soit la crue consid r e Le param tre M pr sente une valeur optimis e relativement constante pour toutes ces crues Ce param tre est conditionn par les courbes de r cession de l hydrogramme de crue qui pr sentent des formes similaires pour ces petites crues De plus il traduit la liaison entre d bit de base dans la rivi re l exutoire et d ficit en eau moyen du sol du bassin comme nous l avons pr c demment mentionn Il semblerait donc que cette relation soit constante pour des petites crues Enfin les valeurs de la transmissivit sont extr mement variables dans tous les cas de figures depuis 0 08 2 49 m h E r MUR PF EE FF gt m pt oF a F EF Ti 4 Le
324. rs de B varient entre 0 05 et 0 1 min 1 elles sont donc globalement plus faibles que les pr c dentes et de fait elles vont influencer la valeur de l infiltrabilit du sol plus longtemps de l ordre de l heure Les valeurs de fo en d but d v nement varient entre fc et 4 fc suivant l tat hydrique du sol satur ou sec Cet ordre de grandeur est propos par le mod le de Holtan Holtan 1961 160 L influence de la valeur initiale de la conductivit hydraulique du sol se fait ressentir sur plusieurs pas de temps soit plus d une heure apr s le d but de la pluie Cette dur e est essentiellement contr l e par la valeur du param tre f IV 1 2 3 Mod le d infiltration de Green amp Ampt Les valeurs de ces param tres se trouvent dans la litt rature Ci dessous est pr sent le tableau de valeurs fournies dans Maidment 1993 d humectation mm a saturation mm h 0 437 49 5 0 374 0 500 9 7 253 6 Loamy sand 0 437 61 3 0 363 0 506 13 5 279 4 0 351 0 555 26 7 454 7 0 375 0 551 13 3 593 8 BNP SE SRE 0 420 0 582 29 2 953 9 0 332 0 464 44 2 1080 0 CE La Dh E 0 409 0 519 47 9 911 0 0 418 0 524 56 7 1315 0 0 370 0 490 40 8 1402 0 0 425 0 533 61 3 1394 0 CE Late allie 0 427 0 523 63 9 1565 0 Tab 29 Param tres de Green et Ampt Tableau extrait de Maidment 1993 Derri re chacune de ces valeurs se cache une fonction de p do tra
325. ruissellement hortonien a t observ maintes reprises l chelle de la parcelle et la th orie de Horton a la aussi fait ses preuves Albergel 2003 Dans ces cas les grosses gouttes de pluie peuvent tre g n ratrices de ce type de ruissellement car elles ont deux effets principaux sur la diminution de la perm abilit du sol elles obstruent les pores de la surface du sol et elles d sagr gent la surface du sol engendrant alors un ph nom ne d rosion Il a observ que des intensit s de pluie faibles 2 mm h suffisaient faire appara tre ce type de ph nom ne et a fortiori des intensit s plus importantes Ce ph nom ne entra ne la formation d un coulement en nappe de faible paisseur de quelques millim tres a 1 cm et de vitesse inf rieure 0 1 m s Ce point est controvers du fait de la pr sence de rugosit sur le sol qui entra ne des zones de remous et de turbulence ainsi que du fait de la formation rapide de rigoles dans lesquelles s effectue l coulement 03 Le mod le hortonien pr sente quelques avantages et quelques inconv nients de mise en uvre Ses param tres sont physiques et peuvent tre mesur s Mais du fait des h t rog n it s spatiales des pluies et de l infiltrabilit des sols le passage de la parcelle hortonienne au versant ou au bassin versant n cessite la spatialisation de ce concept De plus la variabilit spatiale de l infiltration ainsi que l h t rog n
326. ruissellement superficiel direct est rarement observ Cosandey amp Robinson 2000 et Obled 1999 citent plusieurs bassins fran ais pour lesquels l intensit des pluies n tait pas directement li e au volume d coulement rapide de crue Brie Massif Central et Vosges D autres auteurs abondent dans ce sens Freeze 1972 Iorgulescu amp Jordan 1997 car soit les tra ages g ochimiques ont mis en vidence la part majoritaire de vieille eau dans les hydrogrammes de crue soit des crues se sont produites sans que le ruissellement superficiel ait t observ soit les courbes de d crue extr mement lentes maintiennent des d bits importants plusieurs jours apres la fin des pluies importance des coulements souterrains Le ruissellement hortonien n est donc pas universel et ne doit pas tre consid r comme le seul mode de gen se de crue D un autre c t les vitesses de transferts dans les sols sont relativement faibles et cadrent mal avec les temps de r ponse des crues Beven 1982 Gaume 2002 En milieu semi aride par exemple o les sols sont couverts d une cro te de surface et o les pluies sont relativement intenses le sch ma hortonien semble bien repr senter le processus de gen se des crues Esteves ef al 2000 Peugeot ef al 1997 Mais pas seulement dans le Sud de la France dans le cas de fortes intensit s pluvieuses sur de petites surfaces pr sentant des surfaces rosives le
327. s tre assimil une nappe r partie de fa on homog ne il explique que la propagation du ruissellement se fait suivant 3 tapes Tout d abord la rugosit du sol forme des d pressions flaques puis elles se remplissent et se connectent pour enfin former un r seau l chelle du versant On progresse d autant plus dans cette propagation que la pluie est importante le ruissellement y est de plus en plus hortonien On peut mettre en vidence l apparition d un seuil entre le remplissage des d pressions et leurs connections pour lequel on passe de 0 de ruissellement 100 L chelle laquelle on se place joue un r le capital dans la d finition du mode d coulement Gascuel Odoux ef al 1999 pr sentent le ruissellement superficiel comme contr l par la surface du sol diff rentes chelles e A l chelle du microrelief les cailloux fissures et plantes vont modifier localement l coulement e A l chelle du motif agricole la pr sence de talus et de haies d connecte une fraction du bassin g n ratrice de l coulement hortonien du r seau hydrographique l extension de la zone satur e connexe au ruisseau est contrainte par ce r seau anthropique e A l chelle du versant la pente fixe les directions d coulements e A chelle du bassin la topographie rend compte de l existence du r seau hydrographique Ainsi l coulement sur les versants peut tre laminaire ou turbul
328. s sur la section de passage pr pond rantes Ils sont g n ralement cisaill s et pleinement d velopp s Cependant la diversit des conditions aux fronti res et leur m connaissance milieu naturel rend illusoire toute tentative de r solution locale et instantan e des quations de conservation On est alors conduit simplifier l criture des quations de conservation en introduisant d une part un processus de filtrage temporel au sens de la turbulence tout en conservant les chelles de temps des ph nom nes instationnaires et d autre part un processus de moyenne spatiale sur une section droite de l coulement Cette approche est justifi e dans la mesure o les coulements restent quasi parall les une direction principale et par le fait qu en coulement turbulent les gradients des grandeurs moyennes sont faibles les forts gradients tant confin s pr s des parois Le processus de filtrage temporel et spatial engendre une perte d information locale dans chaque section et introduit des termes suppl mentaires qu il est n cessaire de mod liser On a alors recours des hypoth ses simplificatrices et des lois ph nom nologiques sur les fronti res Dans MARINE nous avons opt pour la r solution des quations de Saint Venant en 1D lorsqu il s agit de simulations en temps r el ou bien lorsque les donn es d crivant la rivi re ne sont pas assez pr cises Les quations de Saint Venant ont t
329. s unit s hydrologiques li es entre elles par des l ments hydrauliques Cette description se fait 63 l aide d outils g om triques pr d finis La description des pluies se fait par l introduction d observations faites sur des pluviographes ou bien de pluies synth tiques Chacune des unit s hydrologiques ainsi que chacun de ces l ments de liaison sont caract ris s par de multiples mod les de simulation hydrologiques et hydrauliques Parmi ces mod les on trouve e les mod les de pertes par infiltration retenue ou vapotranspiration qui permettent d valuer le ruissellement mod le de perte initiale et taux constant mod le d ficit et taux de perte constant mod le bas e sur le Curve Number CN mod le de Green et Ampt e les mod les de ruissellement direct sur les versants les mod les li s la m thode de l hydrogramme unitaire le mod le de l onde cin matique e les mod les des coulements souterrains le mod le constant le mod le r cession exponentielle le mod le r servoir lin aire e les mod les d hydrologie fluviale dont les quations de base sont celles des coulements surface libre le mod le Muskingum le mod le du d calage lag model le mod le de l onde cin matique le mod le de Muskingum Cunge ces mod les prennent en compte la g om trie des tron ons bifurcations confluences Le choix des mod les l mentaires d pend essentielleme
330. s d eau rend ces observations bien incertaines 53 L hydrogramme de crue a Carcassonne est aussi connu aed d bit m3 s Q t a Carcassonne Pont Neuf 600 500 400 300 200 100 0 11 13 99 11 13 99 11 13 99 11 13 99 11 14 99 11 14 99 11 14 99 11 14 99 11 14 99 11 15 99 4 48 9 36 14 24 19 12 0 00 4 48 9 36 14 24 19 12 0 00 Fig 31 Hydrogramme de crue de Aude a Carcassonne Pont Neuf d bit m3 s 2000 Q H Carcassonne 1600 1400 1200 A 1000 ra 800 3 x 600 x 400 a 200 A 0 smagt 8 n T T T T T T 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 hauteur d eau m Fig 32 Courbe de tarage de Aude a Carcassonne Pont Neuf _ 54 1 2 2 3 Petits bassins du d partement du Gard crues de 1995 11 2 2 3 1 Pr sentation du bassin La Direction D partementale de l Equipement du Gard au travers de son Service d Annonce des Crues SAC poss dant d j un mod le d di l anticipation des crues caract ristiques de ce site a pu nous fournir la majeure partie des donn es n cessaires notre mod le altim trie pluviom trie spatialis e ainsi que les hydrogrammes aux exutoires des bassins concern s Ces donn es sont pr sent es ci dessous Altim trie La partie Ouest du d partement du Gard est situ e aux pieds des montagnes C vennes Saint Hippolyte du Fort Al s Anduze elle se prolo
331. s de la phase de gestion de crise peuvent avoir des cons quences catastrophiques 1l faut souvent choisir entre une pr vision pr cise et une anticipation suffisante Suite aux avis avertis des pr visionnistes de terrain Services d Annonces des Crues M t o France des fournisseurs de technologie spatiale et bien s r des chercheurs de diff rentes sp cialit s hydrologiques l accent a t donc mis sur la rapidit de calcul et la robustesse du code la prise en compte des donn es en temps r el et la pertinence des informations fournies 1 4 Objectifs de la these et plan du m moire Notre travail s inscrit dans une optique de gestion du risque li aux crues clair et a pour vocation de fournir de nouveaux l ments d analyse aux d cideurs au cours de la phase de pr vision des inondations La m thode retenue est celle de la mod lisation d terministe en temps r el de la propagation des crues Celle ci passe par une connaissance des bassins versants sur lesquels elles s op rent Les informations recueillir sont de diff rentes natures comprenant les caract ristiques du bassin consid r es comme statiques aux chelles de temps d int r t topographie hydrographie des cours d eau g ologie g ographie occupation du sol v g tation et les propri t s dynamiques des processus qui s y op rent pluies transferts d eau dans le sol pass s et pr sents volution de l tat des cours d eau et de l
332. s doivent tre consid r es comme indicatives Des tudes au cas par cas lorsque les observations le permettront devraient nous permettre d affiner ces valeurs Cependant bien qu impr cises ces valeurs ont au moins le m rite d exister 163 IV 2 Sensibilit de MARINE Dans cette partie nous allons pr senter diff rents tests de sensibilit du code r alis s dans un contexte crue clair et donc a partir d un des v nements pr sent s dans le chapitre IL Les proc dures de calage ou de d termination num rique a priori des param tres sont telles qu elles ont t d finies pr c demment La sensibilit est valu e l exutoire du bassin seulement exception faite de la sensibilit du mod le aux MNT pour laquelle une attention toute particuli re sera accord e IV 2 1 Sensibilit aux mod les et ou param tres IV 2 1 1 Sensibilit aux mod les de ruissellement IV 2 1 1 1 Coefficient de Manning De fa on ne tester que l influence du coefficient de Manning sur le mod le de ruissellement superficiel isochrones en l occurrence nous avons r alis des tests sur la vitesse de ruissellement seulement le taux d infiltration ayant t forc z ro Sensibilit la connaissance de l occupation du sol donn e Nous avons dans un premier temps test la sensibilit de MARINE la connaissance de l occupation d un sol A partir du mod le des isochrones coupl
333. s en massifs poreux h t rog nes 3D mais sans prise en compte de couplages aux interfaces hydrologiques Comme exemple de couplage une mod lisation de couplage nappe rivi re a t conduite par R Ababou et G Tr garot IMFT en collaboration avec G Oberlin CEMAGREF Lyon et C Thirriot INPT ENSEEIHT dans le cadre du programme de recherche DIES IRAE sur le ralentissement dynamique des crues Minist re de l Environnement 1998 2000 A l aide du code BigFlow cette quipe a mod lis et analys le ralentissement d une crue dans un tron on de rivi re du l absorption d une fraction du volume de crue dans les berges poreuses Le couplage pris en compte dans cette mod lisation tait la fois direct crue gt nappe et r troactif nappe gt rivi re Cette approche coupl e Tregarot 2000 Ababou amp Tregarot 2002 repose sur le concept de milieux macroporeux et d un mod le 225 une seule quation g n ralis e acceptant une distribution spatiale de lois de pertes de charges milieux satur ou non loi darcienne ou non loi quadratique 3D onde diffusive 2D etc On trouve dans la litt rature d autres approches de couplage coulement surfacique souterrain assez diff rentes de la pr c dente notamment celles propos es par Paniconi et al 2003 ou encore celles disponibles dans certains codes hydrologiques MIKE SHE ou hydrog ologiques MODFLOW Ces approches aboutissent a coupler
334. s en voie de d veloppement dont les moyens d observations et les tudes hydrologiques sont limit s Toutefois la probl matique des bassins non jaug s est loin d tre sp cifique ce contexte M me dans un pays aussi d velopp que la France il arrive que des bassins versants anthropis s se retrouvent dans un contexte similaire Oki 2002 Les mod les hydrologiques classiques de pr vision des crues utilisent de longues chroniques d observation pluie d bit pour leur calage ils sont donc inefficients pour les bassins mal jaug s inutilisables pour les bassins non jaug s La probl matique des crues clair ressort de la m me th matique Il s agit de crues qui font suite de violentes pluies localis es dont l volution est soudaine et de courte dur e et dont les impacts humains et socio conomiques sont lourds de cons quences IAHS et al 1974 elles sont parfois aussi appel es crues rapides comme la crue de novembre 1999 quia touch e plusieurs d partements dont Aude Dans ce contexte les observations sont difficiles a acqu rir dispositif de mesures pluviographiques de densit insuffisante destruction des appareils de mesures limnim triques extrapolation excessive des courbes de tarage Disposant de peu d informations de chroniques longues notre objectif g n ral est de concevoir un mod le permettant d exploiter au mieux toutes les informations disponibles et notamment des informations provenant de
335. s observations auraient pu nous permettre de trancher Dans ce contexte l application de TOPMODEL a des fins d anticipation sur des petits bassins du Sud de la France est discutable En effet il est possible de retrouver des hydrogrammes de crue corrects si l on porte en l tat tous les parametres pr alablement cal s sur une autre crue ou un autre site semblables sauf un que l on ajuste au cas par cas en l occurrence To Le manque de sens physique des param tres ne nous permet toutefois pas d anticiper ces valeurs seul un ajustement manuel nous a conduit a des hydrogrammes de crue corrects 11 2 3 2 3 Crues de l Orbieu a Lagrasse Petites crues a Lagrasse Simulations aux cas par cas Nous avons dans cette partie utilis TOPMODEL pour simuler 3 v nements disponibles sur le bassin de l Orbieu Lagrasse Aude Il s agit de crues de faible intensit survenues en 1987 1988 et 1990 Les observations de ces petits v nements nous ont t fournies par la DDE11 Les caract ristiques des pluies et des hydrogrammes de crue observ s sont les suivantes CRUE 12 14 2 90 3 4 4 88 10 11 10 87 Intensit maximale de la pluie 10 mm h 6 mm h 35 mm h 190 m s 220 m s 190 m s Tab 12 Pluies Lagrasse Les d bits sp cifiques maximums pour ces crues sont faibles de l ordre de 0 8 m3 s km2 contre 2 15 m3 s km2 pour la crue clair sur le m me bassin Chaque hydrogramme a t cal partir de ses p
336. saisons par exemple le Mont Loz re a un comportement tr s diff rent L hiver les pluies abondantes sont responsables d un fonctionnement par zones contributives satur es L t les gros orages provoquent un ruissellement par organisations pelliculaires de surface visibles dans des rigoles qui se forment sur les versants Le champ de ma s de Gascuel Odoux ef al 1999 pr sente aussi une forte variabilit temporelle Il r pond 3 fonctionnements distincts e nu l hiver il est m canis et peu couvrant au relief mod r pente et labour dans le m me sens le ruissellement se fait sur les zones contributives satur es qui sont plus ou moins tendues en fonction de l tat hydrique du sol contr le par l hydrologie du versant e au printemps il se forme une cro te de battance et un ruissellement sur de courtes distances processus de d gradation des sols e l t le ruissellement se produit sur de longues distances qui suivent les pentes jusqu la rivi re si les pluies sont assez fortes Le ruissellement observ est alors hortonien contr le par la topographie variabilit spatiale et temporelle Le type d v nements pluvieux peut aussi expliquer des gen ses diff rentes Consid rons des pluies qui engendreraient des intensit s exceptionnelles et qui g n reraient des coulements surfaciques importants principe de Horton Le plus souvent ce ph nom ne appara t sur de toutes petites sur
337. se pose alors est ce que les processus d crits par le mod le hydrologique sont en phase avec la r solution et la pr cision du MNT utilis Plusieurs l ments de r ponse a cette question sont d ja disponibles dans la litt rature En ce qui concerne la r solution horizontale des MNT Puech 2000 par exemple a travaill sur le sens math matique des caract ristiques extraites du MNT Il a montr que le changement de r solution du MNT occasionnait un changement de la signification de la pente L illustration qu il utilise dans son HDR tr s imag e permet de fixer rapidement les id es Consid rons une t le ondul e orient e selon un plan inclin et d crivons l par un MNT dont la r solution correspond a l chelle des petites ondulations La pente ainsi calcul e sera la pente d une petite ondulation pond r e par la pente de l inclinaison globale de la t le Consid rons maintenant un MNT dont la r solution est plus grossi re et ne permet pas de voir ces petits d tails La pente extraite du MNT correspond alors l inclinaison globale de la t le suivant le plan Ainsi on parle de pentes dans les deux cas qui m me si elle est calcul e avec les m mes formules math matiques ne repr sente pas la m me entit du fait du changement de r solution des donn es Puech 2000 a aussi amen des l ments de r ponse cette question par une approche empirique Il a test la facult des MN
338. sically based approach to infiltration under variable rainfall conditions 1988 hydrology Days Colo 226 247 Morel Seytoux H J 1989 Unsatured flow in hydrologic modeling theory and practice Boston Nelson J E amp Jones N L 1995 Reducing elevation roundoff error in DEMs J of Hydrololy 169 37 49 Neveu J amp Perrot X 2002 Validation d un mod le pluie d bit partir d une base de donn es d v nements extr mes INPT DEA Toulouse Niemczynowicz J 1987 Storm tracking using raingauge data Journal of Hydrology 93 135 152 Obled C 1999 le versant et le bassin versant quelques aper us sur la formation des crues et la production du ruissellement Crues de la normale l extr me SHF Lyon france 5 23 Obled C Wendling J amp Beven K 1994 The sensitivity of hydrological models to spatial rainfall patterns an evaluation using observed data journal of hydrology 159 305 333 O Callaghan J F amp Mark D M 1984 The extraction of drainage networks from digital elevation data Comput Vision Graphics and Image Process 28 323 344 Oki 2002 PUB oral com Brasilia 250 Palop Rabat D 2003 Stage de fin d tude Mod lisation des crues clair avec HEC HMS Toulouse Responsables Estupina Borrell V amp Dartus D Paniconi C Troch P van Loon E amp Hilberts A 2003 Hillslope storage Boussinesq model for subsurface flow and variable source areas along com
339. sit s pluvieuses obtenues par mesures au sol ou par radar m t orologique au sol diff rent Ceci ne pose pas de probleme dans l utilisation d un code qui utilise comme param tre d infiltration la conductivit hydraulique efficace rapport e une surface de quelques centaines de km et qui n est donc rien d autre qu un param tre de calage Il faut donc veiller caler le rapport entre pluie brute et pluie nette partir d une source de donn e pr cise et de s y tenir dans l utilisation du code Le changement de cette source d information entra nera un nouveau calage du param tre d infiltration 183 IV 2 3 Sensibilit a la resolution spatiale et a la pr cision des MNT Les mod les hydrologiques distribu s base physique ont tous en commun l utilisation de la notion d aires drain es d une mani re ou d une autre Cette d pendance se fait le plus souvent par la d limitation du bassin versant mais parfois elle intervient d autres niveaux par exemple pour TOPMODEL Beven amp Kirkby 1979 elle intervient travers son indice topographique Montz amp Gruntfest 2002 precise que les basin characteristics are easily as important as the rainfall characteristics for determining the nature of the runoff La d finition de ces caract ristiques topographiques du basin versant se fait via le MNT pour les mod les distribu s Le probl me de la r solution et de la pr cision du MNT
340. ss s la pr cision verticale des MNT Le bassin versant tudi une superficie de 7 2 km pour une altitude variant entre 240m et 455m les pr cipitations consid r es sont faibles Ils disposaient de 3 MNT diff rents pour leur tude 184 e MNT de r f rence haute r solution issue de photographies a riennes basse altitude r solution horizontale de 5m pr cision horizontale de 0 1m e MNT classique de USGS r solution horizontale de 30m pr cision verticale de 1m e MNT spatial issu de SIR C r solution horizontale de 30m Dans un premier temps ARC INFO est utilis pour d finir les fronti res des basins versants puis le mod le hydrologique utilis est le Distributed Soil Hydrology Vegetation Model HSVM Wigmosta et al 1994 pour la mod lisation de la crue Les r sultats obtenus montrent que The hydrological modeling study showed that the vertical accuracy of DEM does affect the accuracy of hydrologic predictions Compared to the reference DEM the USGS and the SIR C DEM showed progressively reduced spatial coherence more scattering in images of elevation and directly derived quantities This degradation of spatial coherence was also evident in spatial images of depth to saturation and runoff production calculated by the hydrologic model Runoff peaks timing and volume were all affected by the vertical resolution of the DEM The SIR C DEM was in general inadequate for prediction of individual storm hydr
341. ssellement constant e Ks 20 coefficient de Strickler de la rivi re 206 Hydrogramme de crue a Saint Hippolyte du Fort le 03 10 1995 MARINE cal sur cet v nement Ut p 500 10 400 i Le Lx Ih rg 2 300 EM pluie 2 pe E 5 e d bit observ Vii k 50 gt a MARINE 3 A eo 200 e e 70 e 100 80 90 Dao o 0 e 100 10 3 1995 19 12 10 4 1995 0 00 10 4 1995 4 48 10 4 1995 9 36 temps Fig 144 Calage de MARINE 3 5 10 95 Saint Hippolyte L efficience est de 0 80 le coefficient de corr lation de 0 81 et le biais relatif de 0 03 Le calage du second pic n est pas aussi satisfaisant que celui du premier les valeurs des d bits de pointe sont l g rement sous estim s et le second pic est retard Cependant la forme globale de l hydrogramme de crue est correcte et la courbe de mont e de crue premier pic tr s fid le aux observations Rappelons ce que nous avions obtenu pour la m me crue avec TOPMODEL e LnTo 4 25 avec To en m2 h transmissivit lat rale maximale e M 0 09 m taux de d croissance e SrInit 0 23 m saturation initiale e ChVel 5650 m h vitesse de ruissellement surfacique Les valeurs des param tres cal s pr sentent un ordre de grandeur correct Hydrogramme de crue a Saint Hippolyte du Fort le 03 10 1995 Calage de TOPMODEL sur ce m me v nement 450 ro i Ma
342. st alors conceptualis par un plan inclin sur lequel s coulent deux petites rigoles dans une troisi me plus importante Figure 24 La mod lisation du sous bassin avec le mod le de l onde cin matique Chacun des sous bassins de notre mod lisation a d tre sch matis de cette fa on Le d bit l exutoire des sous bassins s exprime donc de la fa on suivante 2 1 C R S 2 10 N avec Q d bit R rayon hydraulique Sf pente N facteur de r sistance A aire de section 600 Onde cin matique Observations 500 Kinematic wave 10 400 a Kinematic wave 3 300 gt lt Kinematic wave 10 G Fig 63 R sultats obtenus avec le mod le de l onde cin matique Les hydrogrammes simul s sont satisfaisants L avantage de cette m thode r side dans le fait qu elle est bas e sur des quations physiques et des donn es g ographiques que l on peut extraire d un Syst me d Information G ographique Toutefois la sch matisation extr me 90 des sous bassins passe par plusieurs jeux d hypoth ses et d essais afin d optimiser les r sultats SCS UH Ce modele permet de r aliser un hydrogramme unitaire HU adimensionnel SCS UH t Tp Fig 64 Hydrogramme Unitaire adimensionnel Avec U Valeur maximum de l HU T Temps du pic Ce modele utilise les relations empiriques ci dessous
343. suffisamment pr cises a ces chelles chacune pr sentant alors les d fauts de ces concepts locaux Ceci ne constitue toutefois qu une piste de r flexion sur les chelles minimales de MARINE 170 30 IV 2 1 2 Sensibilit aux mod les d infiltration MARINE versant 1V 2 1 2 1 Sensibilit de MARINE au coefficient de ruissellement constant Nous avons test la sensibilit du mod le d infiltration a coefficient de ruissellement constant Hydrogramme de crue Orbieu Lagrasse Influence de la valeur du coefficient de ruissellement constant dans le 800 mod le d infiltration MARINE OC3 amp Inf Cr MARINE OC3 amp Inf Cr MARINE OC3 amp Inf Cr MARINE OC3 amp Inf Cr 700 600 500 MARINE OC3 amp Inf Cr MARINE OC3 amp Inf Cr x MARINE OC3 amp Inf 400 D bit m3 s 300 200 100 Temps h Fig 106 Sensibilit la valeur du coefficient de ruissellement constant Le volume de l hydrogramme de crue varie proportionnellement avec le coefficient de ruissellement constant Il peut donc varier de 0 100 La forme de l hydrogramme de crue est simplement aplatie lorsque la proportion d eau infiltr e augmente Un l ger retard est constat dans l apparition des pics L introduction de la carte d occupation des sols dans les coefficients de ruissellement ne modifie en rien
344. t e repr sentant d j une chelle d environ 150m dans ce cas pr cis Le traitement d autres extraits du MNT nous a conduit des r sultats similaires avec une chelle de p riodicit d tect e comprise entre 130 et 160m pour des directions analys es diff rentes Ainsi bien que la stationnarit suppos e ne soit pas aussi forte que ne l exige la th orie il est quand m me possible de d tecter une chelle caract ristique de la variabilit d autres recherches ont men aux m mes constations Dans cette partie nous avons t amen a consid rer que pour une chelle d observation qui tendrait a s annuler la variabilit tendrait vers la variabilit naturelle ce qui suppose que le paysage que nous observons est continu Imaginons que nous soyons en train d observer une pinede si nous r duisons l chelle d observation alors nous n observerons plus qu une aiguille de pin L hypothese d une nature hi rarchis e du paysage impose une chelle minimale d observation que la m thode statistique bas e sur un paysage continu ne pr cise pas La probl matique soulev e est vaste et d licate nous nous contenterons de comparer les ordres de grandeur des chelles fournies par ces deux approches 111 2 3 3 2 Analyse des chelles des donn es t l d tect es dans un paysage hi rarchis Dans cette partie nous nous int ressons aux changements d chelle entre les processus naturels e
345. t h t rog n it spatiale des coulements processus hortonien non n cessairement le principal processus de gen se des coulements La programmation du concept de Horton r alis e dans MARINE par un sch ma explicite en temps amont est d taill e en annexe2 La programmation eul rienne consid re que l eau peut s infiltrer n importe quel moment de son transfert alors que la programmation lagrangienne ne laisse s infiltrer l eau qu au moment de son impact sur le sol Dans le cas de crue clair la diff rence entre ces deux approches sur la courbe de mont e de crue n exc de pas 10 Elle devient non n gligeable dans le cas o l on traite du transfert de polluants ou de la phase de r cession d hydrogramme Moore amp Foster 1990 Carluer 1998 146 111 3 2 3 Mod le de Green amp Ampt L expression de Green amp Ampt repose sur l quation de Darcy Cette derni re pr cise que dH V Eo 57 dZ avec v la vitesse de l coulement dans un milieu poreux entre deux points mm h K la conductivit hydraulique effective du sol mm h dH dZ le gradient hydraulique Green et Ampt sch matisent le sol fa on suivante SOL HUMIDE SOL SEC Fig 93 Sch matisation du sol selon Green amp Ampt La couche sup rieure repr sente la flaque qui se forme en surface au bout d un temps tp time ponding Pendant tout l v nement cette hauteur d eau est suppos e rester
346. t dans le sous sol Ces coulements vont induire un coulement l exutoire du bassin Les coulements souterrains horizontaux ne seront pas consid r s dans cet expos du fait de leur chelle de temps incompatible avec la probl matique des crues clair En effet les conductivit s hydrauliques des sols usuellement mesur es sont de l ordre de 10 10 cm s pour des sols non argileux ce qui induit des dur es de plusieurs dizaines d heures pour un parcours d une longueur de 10 m seulement Beven 1982 Nous distinguerons parmi les coulements superficiels horizontaux deux grandes familles le ruissellement hortonien et le ruissellement sur zones contributives satur es D autres ph nom nes peuvent venir se greffer ces coulements et modifier ainsi les conditions de production du ruissellement Theorie de Horton a propos du ruissellement La th orie de Horton Horton 1933 correspond a l apparition d un ruissellement de surface par refus d infiltration dans un sol initialement non satur on parle de saturation du sol par dessus Jusque dans les ann es 70 la formation des d bits de crue s expliquait exclusivement par cette th orie Obled 1999 et Cosandey amp Robinson 2000 en proposent des revues bibliographiques completes Distinguons bri vement la th orie de Horton d une part et l quation empirique d infiltration de Horton utilisable dans les mod les num riques La th orie de
347. t donc de d finir parmi toutes les conceptualisations de la gen se et de la propagation des crues disponibles celle qui tait le plus adapt e la pr vision d une crue rapide Cette tape est donc n cessairement pass e par une analyse de la sensibilit du mod le par rapport aux param tres qu il contient Les d tails de ce travail peuvent tre retrouv s dans le document PalopRabat 2003 11 2 3 3 1 Description de la mise en uvre de HEC HMS La mise en uvre du logiciel consiste dans un premier temps conceptualiser la g om trie du bassin versant Ne connaissant pas a priori l influence de cette conceptualisation sur les simulations hydrologiques nous avons d fini deux sch mas diff rents l un nomm simple et l autre complexe Fig 52 Sch mas de bassin simple et complexe 0 Version datant de 1999 disponible gratuitement sur Internet http www bossintl co uk products download item HEC HMS html 82 Permanent Discharce Go Subbasir 2 Permanent Discharge Boundary Subbasir INI Reach 1 Subbasin INI 7 Vigrevielle Haute Orbieu Subbasin C 77 Slope chance Haute Orbieu 2 Subbasin LE Reach 2 Saint Piete Me Subtasin 1 Boundary Reach 1 Subbasin D Vignevielle Haute Orbieu 1 77 Subbasin AUX 2 Saint Martin ee Subbasin B Saint Pierre Basse Orbiey 27 Subbasin AUX 3 Junction Basse Orsieu Basse Orbieu 2 Lagrasse Fig 53 Sc
348. t en eau moyen du bassin indicateur de l tat des nappes perch es temporaires mod lis es par TOPMODEL D Q f Aal THE e 1 2 rR avec D le ET moyen du bassin IT l indice moyen du bassin To la transmissivit du bassin et A les aires drain es et Q le d bit de base Dans cette relation on assimile les deux nappes profonde et temporaire a l tat initial ce qui n est pas forc ment vrai Afin de corriger cet tat initial il est possible de modifier les coefficients M ou To qui jouent un r le sur le d ficit moyen du bassin travers cette quation Analysons les autres param tres au cas par cas e Les param tres SRmax et SRinit sont caract ristiques de la zone racinaire et des pertes par vapotranspiration et interception Le param tre SRmax tel qu il a t test n influence pas les r sultats 11 peut rester constant pour toutes les crues 0 5 Le parametre SRinit s est montr relativement constant 0 2 De plus physiquement les 93 lt _ Formatted Bullets and Numbering valeurs de ces param tres ne devraient pas trop influencer la crue clair Ces parametres devraient pouvoir tre port s dans les cas de figures qui nous int ressent e Le param tre ChVel pourrait varier puisqu il d finit des vitesses de transfert superficiel intimement li es l paisseur de la lame d eau ruisselante si l on en croit les quations de Saint Venant Sa valeur varie don
349. t exister sur les versants et dans les cours d eau puisque l on construit un hydrogramme de ruissellement superficiel e les processus de stockage superficiel doivent pouvoir tre n glig s Enfin la calibration ou l estimation des temps de transfert des lignes isochrones est d licate Elle peut tre envisag e de diff rentes mani res e Laurenson 1964 suppose que le temps de transfert varie comme le rapport de la distance parcourir sur la racine de la pente du terrain s inspirant de la formulation de la vitesse de l onde cin matique e Maidment 1993 et Kull amp Feldman 1998 propose de calculer le temps de transfert d un pixel particulier l exutoire par le produit du temps de concentration du bassin par le rapport des distances l exutoire distance entre le pixel et l exutoire par rapport la distance maximale e Saghafian ef al 2002 propose de d finir des isochrones variables dans le temps Son approche est originale puisqu il red finit ce concept de fa on en faire un mod le distribu qui int gre les propri t s hydro morphologiques h t rog nes des bassins versants mais aussi qui prend en compte diff rentes intensit s de pluie Il consid re que les coulements superficiels sont dirig s par le MNT et s inspire de l onde cin matique pour approcher les temps de transfert De plus 1l prend en compte une infiltration de type Horton mais 1l n glige les effets de stockage
350. t les observations en nous questionnant sur la r solution requise par l image satellitale La majeure partie des informations de cette partie provient de Puech 2000 Nous y faisons l hypoth se d un paysage structur hi rarchiquement OBSERVATIONS Parcelle exp Champ Pixel Versant Sous bassin Bassin PROCESSUS NATURELS STRUCTURATION HIERARCHIQUE 5 SPILLER M 2004 Physical and Numerical Experiments of Flow and Transport in Heterogeneous Fractured Media Single Fracture Flow at High Reynolds and Reactive Particle Transport PhD Thesis INP Toulouse amp RWTH Aachen Univ Aachen Germany submitted 2004 110 Fig 75 Domaine d application du changement d chelle li aux contraintes de I outil d observation Les processus naturels sont appr hend s a travers les mesures et les observations Comme nous l avons vu pr c demment une partie de notre travail consiste int grer des images satellitales dans notre mod lisation Cet outil d observation fournit une image grillag e du processus naturel pour laquelle chaque maille a des propri t s homog nes Il existe donc un certain nombre de diff rences entre le processus naturel et sa vision satellitale li es a la r solution du moyen de mesure l interpr tation du signal obtenu et a chelle de d finition du processus en question La reconnaissance d une classe d objet repose sur la vision de son homog n it L
351. t plus grande pour les points pr sentant un fort indice topographique c est dire tant le plus facilement susceptibles de se saturer Ces exp rimentations ouvrent donc des perspectives en terme de sch ma de d sagr gation de l information satellitale concernant l humidit des sols en y int grant aussi la v g tation et la rugosit du site Elles d montrent par contre la difficile corr lation directe entre valeur absolue de l humidit du sol et valeur de l indice topographique ce qui n est pas tonnant puisque l indice topographique est un param tre temporellement statique alors que l humidit est dynamique Le d ficit en eau de TOPMODEL ne serait il pas mieux adapt notre probl matique On retrouve dans l initialisation de TOPMODEL l quation suivante exprimant le d ficit en eau initial 65 1Q Aal Dee SCT LR M Dans cette formule le d bit de base de la rivi re est utilis pour d finir la valeur initiale du d ficit en eau moyen du bassin L utilisation de cette formule pour la crue de l Orbieu en amont de Lagrasse fournit un ordre de grandeur du d ficit en eau initial du bassin A partir du calage r alis sur une petite crue caract ristique du fonctionnement en continu on peut estimer 110 mm le d ficit Cette valeur est en accord avec la quantit d eau infiltr e lors de la crue clair de novembre 1999 160 mm au maximum 224 Il serait donc int ressant de poursu
352. taille lt 50 km ont t calcul es par MARINE et compar es aux contours mis notre disposition par la DDE11 Ils correspondent avec les donn es Coloubated watershed QUE watershed _ Moussoulens Fig 150 Exemple de fronti re de bassin calcul avec un MNT IGN 50m le R pudre affluent de l Aude et superpos aux contours officiels donn es DDEI 1 213 e Pour chaque pixel de la fronti re du domaine de sortie discr tis e du module hydrologique de MARINE des hydrogrammes de crue sont reconstitu s Les points pr sentant les hydrogrammes de crue de plus forte amplitude correspondent aux confluences entre les affluents et les cours d eau principaux quelques centaines de m tres pr s Ces calculs ayant t r alis s partir des pluies observ es les affluents n ayant pas contribu s de fa on significative la crue n apparaissent pas dans les r sultats des simulations e Ces hydrogrammes interm diaires ont pu tre parfois confront s aux rares observations disponibles Par exemple nous avons obtenu pour la Nielle un d bit de pointe compris entre 800 et 1000 m3 s suivant le calage des coefficients de ruissellement qui doit tre compar l estimation de la DDE11 environ 800 m3 s soit un d calage d au maximum 20 A Mirepeisset sur la Cesse le d bit de pointe a t observ 5 heures le 13 11 et le mod le pr voit ce d bit 1 heure plus tard ce qui semble tout
353. tensit de pluie sur le sous bassin amont St la surface du sous bassin amont Ce bilan nous 3 5 donne acc s un ordre de grandeur de la hauteur d eau par pixel h avec h la hauteur de la lame d eau au point tudi la largeur de la rigole cet exutoire Ma le coefficient de Manning pour ce pixel So la valeur de la pente en ce point P l intensit de pluie sur le sous bassin amont St la surface du sous bassin amont e La surface du bassin amont est valu e en terme d aire de drainage l aide de la fonction flow accumulation de Arc View par le produit entre le nombre de pixels amont s coulant vers le pixel exutoire et la surface d un pixel Lassie Fig 80 Sch matisation des coulements adopt e pour le calcul a priori des param tres de l coulement Ainsi nous avons pos 124 Fr ec 2 3 m h Se Ma 33 uhl P S P flowaccS rixe Ce qui nous conduit l expression des crit res suivante L an gt S flowacc gt seuil2 34 k S L F h gt 10 gt flowacc S lt seuill Ces grandeurs sont calculables avant toute simulation et nous permettent d avoir une id e des domaines de validit de l approximation de l onde cin matique pour une pluie donn e Illustrons ce propos l aide du bassin versant de l Orbieu en amont de Lagrasse Les caract ristiques du bassin sont valu es par le biais du logiciel ArcView Ainsi
354. tion Les techniques utilis es correspondent aux m thodes pr sent es ci dessus o certaines variantes Dans le tableau ci dessous sont expos s diff rents travaux qui ont conduit d finir les chelles optimales de mod lisation pour les variables MNT occupation du sol et texture du sol Nous avons veill a bien y pr ciser la variable qui a t tudi e la zone d tendue du domaine les objectifs de leur d marche la m thode qu ils ont utilis e ainsi que I chelle optimale qu ils ont d finie Nous avons utilis les notations suivantes e Stat Statistique e Image Interpr tation d image satellitale e Occup sol occupation du sol 116 application mod lisation l tendue support Puech MNT France Real Signification Image 40 80 200 40 gt 500 m 2000 altitude Collobrier des param tres Stat 500 m Puech MNT France Real Signification Image 40 80 200 40 gt 80 m 2000 pente Collobrier des param tres Stat 500 m 10 de biais sur le coefficient de corr lation Artan ef MNT pente Idaho D termination Stat 26 Ha 2 5 5 10 15 lt 65m I Reynolds de l chelle 20 30 m Mes Creek bassin optimale pour source 2000 les observations 2 5m Booij MNT Impact des Stat 33 000 30 gt 7680 m 110m 2002 pente changements mod le totale source climatiques sur distribu 30 m les crues 1 gt 32 km source km Occup sol
355. tion 7th TELEMAC users club Ed EDF SOGREAH Grenoble Chow V T 1959 Open Channel Hydraulics Harmer E Davis consulting Editor Chow V T Maidment D R amp Mays L W 1988 Applied hydrology Mc Graw Hill International Editions Clark C O 1945 Storage and the unit hydrograph Trans Am Civil Engrs 110 1419 1488 Corradini C amp Singh V P 1985 Effect of spatial variability of effective rainfall on direct runoff by geomorphologic approach Journal of Hydrology 81 27 43 Cosandey C 1999 G n ses de crues c venoles dans les bassins l mentaires L exemple du bassin de la Latte crues de la normale l extr me SHF Lyon france 35 44 Cosandey C amp Robinson M 2000 Hydrologie continentale Paris Crawford N H amp Linsley R K J 1966 Digital simulation in hydrology Dept of civil engineering Stanford university Stanford Datin R 1998 Outils op rationnels pour la pr vision des crues rapides traitement des incertitudes et int gration des pr visions m t orologiques D veloppements de TOPMODEL pour la prise en compte de la variabilit spatiale de la pluie Application au bassin versant de l Ard che INPG Grenoble DIREN 1999 Bulletin hydrologique en Languedoc Roussillon DIREN LR Duband D 1999 R flexion actuelle sur la pr vision hydrom t orologique La gestion des risques li s aux inondations rapides et lentes colloque d Hydrotechnique 161 session du Comit
356. tion de ce type de crues mais dictera le profil d un mod le de crues clair vocation op rationnelle Nous r aliserons donc par la suite des simulations de quelques crues clair que nous aurons pris soin de d crire pr alablement l aide de logiciels existants disponibles et r pondant au moins partiellement aux contraintes de mod lisation retenues _18 11 2 Hydrologie des crues clair et tests de mod lisation 11 2 1 Caract risation des crues clair Dans cette partie nous allons analyser diff rents processus physiques responsables de la gen se et de la propagation des crues et partir des d finitions des crues clair pr cit es ainsi que d exp rimentations et d observations d j r alis es lors de ces v nements extr mes retenir ceux qui seraient susceptibles d tre impliqu s dans la formation d une crue clair Nous confronterons ensuite les exigences de la mod lisation de ce type de crues aux contraintes d une pr vision temps r el Ceci nous am nera d finir les principales caract ristiques dont devrait tre dot un code de calcul op rationnel de pr vision des crues clair 11 2 1 1 Processus physiques susceptibles d tre responsable de la gen se et de la propagation des crues clair Lorsqu il pleut sur un bassin versant toute la difficult r side dans la d finition du partage de l eau de la pluie entre ces diff rentes destinations possibles vaporation infilt
357. tion du minist re de l agriculture concerne la crue clair hors norme donc exceptionnelle et potentiellement catastrophique La d finition propos e en terme de d bit de pointe int gre seulement implicitement la notion de rapidit En fait il faudrait une colonne suppl mentaire au tableau 1 Rapidit chelle de temps 2 Volume ou lame d eau totale ruissel e 3 Intensit max par exemple d bit sp cifique de pointe Cette terminologie de crue clair rassemble donc un ensemble de crues caract ris es par leurs volutions et leurs cons quences il s agit de crues difficilement pr visibles qui font suite des violentes pluies localis es dont l volution est soudaine et de courte dur e et dont les impacts humains et socio conomiques sont lourds de cons quences Cependant les nombreux exemples de crues clair survenues dans le pass laissent supposer que diff rents processus physiques peuvent g n rer dans diff rentes conditions des crues qui seront toutes clair Notons que dans ce rapport nous utiliserons le terme de crues clair d une fa on qui pourrait para tre parfois un peu abusive en y int grant aussi les crues cin tique rapide pour les bassins versants Ainsi le travail de ce chapitre consiste lors d une premi re phase analyser la gen se et les conditions d apparition de crues clair Cette tude ne nous conduira pas vers une unique solution de mod lisa
358. tiques sont atteintes SOPHIE alerte automatiquement l op rateur d astreinte Sophie est compos e de 3 modules e Le param trage qui consiste d finir pour un bassin versant donn les stations qui le composent les c tes d alerte les quations de tarage et les param tres de chaque mod le e La pr vision e Le syst me expert qui est un outil d aide la d cision La pr vision est assur e par une proc dure multi mod le Il s agit d une analyse en terme de performances r centes et pass es des r sultats fournis par plusieurs mod les Sophie utilise en entr es les donn es c tes d bits pluies et pluies radar et fournit en sortie des pr visions de c tes Les mod les l mentaires qui le composent sont les mod les relation lin aire des mod les pluie d bit la r glette Bachet les mod les relations puissances les mod les relations multiples la pr vision intuitive formalis e et la m thode de l hydrogramme unitaire Les r sultats obtenus par cet outil sont proches de la r alit Toulouse par exemple des pr visions de qualit peuvent tre fournie 6 heures L originalit de SOPHIE r side dans l utilisation de la proc dure multi mod le Celle c1 permet de gommer les effets de mod les qui ne fonctionneraient pas de fa on satisfaisante pour la crue consid r e SOPHIE peut tre am lior par l introduction de mod les suppl mentaires dans la proc dure multi mod
359. tive du sol est importante plus le volume infiltr augmente rapidement et donc moins la valeur de Vhumidit initiale sera influente Il est cependant possible que l tat hydrique initial du sol influe de fa on plus cons quente sur les hydrogrammes de crue Pour cela il faudrait que les fortes intensit s de pluies s abattent sur des sols lourds argileux Gardons l esprit que si les intensit s de pluie taient plus faibles les temps de formation des flaques seraient plus longs et la sensibilit du modele serait diff rente IV 2 1 3 Sensibilit au mod le de propagation 1D MARINE rivi re Dans le cadre du projet ADEMA2000 l quipe Hydrologie de surface a r alis un ensemble de tests de sensibilit sur le mod le de propagation relativement la connaissance de sa topographie d taill dans le rapport Estupina ef al 2000 Ces r sultats sont aussi partiellement pr sent s dans Borgniet ef al 2003 le lecteur se r f rera de pr f rence cette derni re publication pour obtenir une description plus compl te des simulations r alis es et une analyse plus fine des r sultats obtenus Une premi re cat gorie de tests a consist superposer aux valeurs d altitude du lit mineur un bruit et y faire passer le d bit plein bord Ces tests ont mis en vidence l existence d un seuil en amplitude de ce bruit en de duquel ce dernier n avait plus d influence marqu e sur les r sultats du mod l
360. tpellier a fourni Puech les r sultats suivants Objet Garrigue 200 3 000 3 000 20 000 20 000 gt Tab 19 R solution en fonction de l objet Les limites de cette m thode r sident dans e La grande quantit d observations et d tudes r aliser pour constituer une banque de donn es reliant objet RSO et SH e La d pendance de la RSO avec la taille de l objet Sur une zone d tude donn e afin de discriminer des objets de variabilit diff rente il faudrait donc utiliser plusieurs images avec des r solutions diff rentes L observation d un paysage hi rarchis par t l d tection nous am ne d finir 2 seuils d chelles d observation Liu une chelle minimale appel e encore seuil d homog n it ou R solution Spatiale Optimale RSO et une chelle maximale ou seuil d h t rog n it SH Les valeurs de ces chelles sont d termin es de fa ons essentiellement exp rimentales seule la SH peut tre reli es directement la taille de l objet pour des cas d identification simple par SH O 2 et de fa on plus g n rale on divisera la taille de l objet par un coefficient plus important que 2 L encore cette m thode nous fournit des ordres de grandeur des chelles d observation mais le rapport entre taille de l objet et chelle maximale d observation doit tre pr cis 111 2 3 3 3 Bilan du choix des chelles de notre mod lisation Lien entr
361. ture des terrains Occupation des sols Pour les bassins tudi s aucune carte d occupation des sols n tait disponible N anmoins gr ce aux cartes IGN TOP 25 chelle au 1 25 000 me de la r gion il a t possible d tablir une couverture v g tale moyenne sur les bassins Le sol de cette r gion est calcaire par endroit l activit souterraine des cours d eau y est tr s importante De vastes et nombreux plateaux calcaires y sont pr sents et recouverts d une v g tation peu dense Le sol est souvent une ar ne c est dire des roches alt r es et rod es en sable plus ou moins argileux au sein de laquelle des boules de granit surgissent Seuls les quartz chappent cette d gradation temp rant ainsi l imperm abilit des argiles Bousquet 1997 La r gion est tr s vallonn e et recouverte majoritairement de garrigues ch nes verts et v g tation basse 57 Le regroupement en classes que nous avons effectu est le suivant Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 Classe 5 Classe 6 1 Bois 2 3 4 Prairie 5 Sol nu 6 Eau Branchages Branchages denses pars Bois de Garrigue sol Cultures Cultures Sites Zones feuillus rocailleux p rennes annuelles urbains humides ch nes accompagnant vignes sol mara ch res Sols nus Eau ch taigniers souvent les sec et fruiti res h tres pins ou les Prairie et ch nes verts pelouse de montagne Tab 5 Classes de rugosit s diff rentes 11
362. u coefficient de Manning a t mis au point conjointement avec la soci t SCOT L observation satellitale nous fournit une information sur les signatures spectrales des diff rents types d occupation des sols L image obtenue pr sente une r solution variable selon le satellite utilis Le tableau pr sent ci dessous donne une indication des diff rentes caract ristiques des images fournies par les satellites qui taient disponibles pour nos diff rentes tudes SPOTS par exemple n tait alors pas disponible LANDSAT i Utilisations principales Cartes d oceupation des sols v g tation Multispectrale Interpr tation Ponchramatiquo pr cise pour l urbain et les photos 140 140 Km 70 70 Km on 60 60 Km panchrematique MS MS Semblable une Y g tation V g tation M lange des 2 photo a rienne eau ville eau ville images pseudo routes gt couche de gt couche de couleur et pseudo rivieres cartes cartes pr cision maisons d occupation d occupation foss s des sols des sols Semblable une photo a rienne routes rivi res maisons foss s Applications Fig 96 Tableau indicatif des caract ristiques des images disponibles la date de tude Les images utilis es sont en g n ral compos es par deux images diff rentes une image en mode panchromatique qui fournit la pr cision et une image en mode multispectral qui four
363. ue Nous avons ensuite observ l influence de la localisation d une pluie d placement d amont en aval sur l hydrogramme de crue Les pluies alors test es sont localis es suivant la figure ci dessous et appel es pluie amont pluie centr e et pluie aval Les hydrogrammes de crue obtenus sont les volumes pr cipit s diff rent l g rement Localisation des pluies Hydrogrammes l exutoire debit en m3 s 0 10 20 30 temps en h Pluie aval Pluie centr e Pluie amont Fig 122 Localisation des cellules pluvieuses et hydrogrammes de crue obtenus pour chacune des pluies 182 Ce type de tests met en vidence l influence de la position des fortes intensit s pluvieuses sur le bassin plus la pluie se situe en aval et plus la r ponse sera rapide Ces diff rents tests montrent l int r t de la connaissance de la spatialisation des pluies Cette distribution peut tre fournie par un r seau extr mement denses de pluviographes ou bien par une image interpr t e depuis un radar m t orologique Un r seau de pluviographes trop l che est donc susceptible de passer c t de l picentre d un v nement pluvieux cf crue de novembre 1999 MATE 2000 Le radar m t orologique fournit une r partition spatiale qualitative des pluies d une grande utilit pour la pr vision des crues clair dont il parait difficile de se passer Les inten
364. ue __ Estupine Val rie Fig 155 Proposition d investigation a une chelle plus fine Parmi les principaux avantages de cette approche on retrouve L acc s une unit l mentaire hydrologiquement homog ne L apport d une mod lisation base physique pour une meilleure compr hension des processus petite chelle La portabilit de l approche Cependant les mesures locales n cessaires cette m thode peuvent s av rer tre cons quentes et dans ce cas elles ne seront pas toujours disponibles V 2 2 2 Assimilation de donn es l chelle du bassin Les mod les hydrologiques sont g n ralement repr sentatifs de processus physiques dominants seulement Les param tres des quations qu ils contiennent ne sont alors plus seulement des coefficients repr sentatifs de la physique des processus mais 1ls s apparentent aussi des coefficients de calage dont la valeur englobera r alit erreurs et approximations du mod le Dans ce cas il semble possible d appr hender l optimisation de la valeur de ces param tres par une approche plus globale qui partirait d observations l chelle du bassin pour affiner les valeurs de ces coefficients locaux L assimilation de donn es de crues en diff rents points du bassin peut alors constituer l outil math matique qui fournira les valeurs cal es de ces param tres Castaings et al 2003 De plus en dehors des quations bilans et de les param t
365. uie horaire la chronique des d bits l exutoire d un bassin versant crues tarissement tiages d apr s un syst me 4 ou 5 r servoirs en s rie et parall le avec leurs lois de remplissage et de vidange ayant comme donn es d entr e la pr cipitation et la temp rature de l air exemples les mod les GR3 GR4 du Cemagref le mod le Coriandre d EDF DGT qui simule aussi le manteau neigeux l talonnage s effectue d apr s 2 ou 3 ans d observations e La mod lisation v nementielle qui consiste reproduire l hydrogramme de ruissellement direct essentiellement dans la mont e de crue la pointe de crue et le d but de la d crue jusqu au tarissement d apr s le hy togramme d averse en s appuyant sur le processus de transformation de la pluie brute en pluie efficace et le transfert de celle ci en d bit l exutoire du bassin c est l approche dite hydrogramme unitaire et diff rence premi re de la fonction de transfert DPFT elle est talonn e d apr s un chantillon d averses crues Il faut pr ciser que dans la suite de cette th se nous utiliserons la notion de mod les v nementiels dans un sens diff rent de celui de Duband En effet nous travaillerons sur des mod les distribu s base physique parfois bien loign s du concept de l Hydrogramme Unitaire ou de la DPFT tout en conservant la philosophie v nementielle c est dire propre une crue donn e Dans notre cas cette caract r
366. uilibre correspond au d lai entre le d but d une pluie d intensit constante de dur e infinie et uniforme s abattant sur le bassin et le moment o l hydrogramme de crue atteint le r gime permanent Ainsi l intensit moyenne de pluie touchant la totalit du bassin sera r partie suivant une lame d eau moyenne et constante apr s que l on ait atteint l quilibre la d finition de ce temps correspond certaines d finitions du temps de concentration d bit Temps d quilibre 138 Fig 92 D finition du temps d quilibre On pose alors la hauteur d eau virtuelle atteinte apr s le temps d quilibre du bassin correspondant au produit entre l intensit de la pluie et le temps d quilibre 44 h 1 Te avec Ip l intensit de pluie nette Te le temps d quilibre du bassin et h la lame d eau moyenne qui ruisselle sur le bassin pour des temps gt Te En couplant cette hypoth se l approximation de l OC sur un versant plan inclin et sous une pluie uniforme de dur e finie on obtient l expression suivante Henderson amp Wooding 1964 I bv Sda Ma x Sa x Dor 45 che minle plus long avec Ip l intensit de pluie nette Te le temps d quilibre du bassin et Ma le coefficient de Manning le long du chemin de ruissellement So la pente du chemin et L la distance s parant le point consid r du voisin vers lequel il s coule L expression
367. ule jamais il tend vers la conductivit hydraulique du sol K de fa on asymptotique On estime que la seconde phase prend fin lorsque fs e K e gt 1 On obtient alors a K se K K i i K e l e 1 i i K 47 139 avec ts temps de la phase de ponding K conductivit hydraulique porosit effective 0i humidit initiale i intensit de pluie brute e le rapport entre le taux d infiltration et la conductivit Cette quation diff re de celle de Saghafian amp Julien 1995 par le dernier terme ce qui n est pas sans cons quence sur ses r sultats t bv t t L x isochrone V P z Lie bv 48 Los Pour le bassin de Lagrasse l valuation du temps d quilibre par la formule de Henderson amp Wooding 1964 donne environ 5h L infiltration est forte au tout d but de l v nement puis le sol se sature rapidement Le temps d quilibre virtuel pour un sol de type sandy loam une saturation initiale de 60 et une erreur entre conductivit hydraulique et taux d infiltration de 10 tol r e est estim 17h pour une dur e de pluie totale sur le pluviogramme de Lagrasse de 18h Le temps de ponding est n gligeable puisqu il peut tre grossi rement valu 3 minutes Toutefois les applications de ce concept sont limit es e Afin de valider globalement l expression du temps d quilibre la dur e de la pluie nette doit tre sup
368. ur un volume d infiltration donn et par cons quent modifie la valeur du gradient de charge hydraulique Ainsi une augmentation de la valeur de l humidit saturation du sol accro t la capacit d infiltration du sol e La succion effective au front d humectation d termine la valeur du gradient de charge hydraulique de l quation de Darcy Il s agit d une valeur effective puisque le front d humectation n est pas parfaitement d fini a un instant donn mais s tale sur une certaine paisseur de sol Plus la valeur de cette pression est lev e et plus le sol a une grande capacit d infiltration Nous avons opt pour le mod le de Green amp Ampt qui pr sente un compromis int ressant en terme de r alisme et de simplicit parmi les mod les d infiltration base physique existant Retenons que ce mod le est une approximation de la r alit qui peut fournir des r sultats satisfaisants sous certaines hypoth ses Une des principales hypoth ses tant que l on reste dans les premiers centim tres du sol o la saturation se fait plus vite et donc o la conductivit hydraulique est proche de la conductivit hydraulique saturation Mein 1973 Nous avons initialement fait l hypoth se que la gen se des crues clair pouvait tre simul e par des processus superficiels La moins bonne validit du mod le d infiltration dans les couches profondes du sol est donc de moindre importance dans ce cas part
369. us cause des fortes intensit s de pluie qui s abattent sur le sol d s le d but de l v nement Nous n gligerons cette tape dans le calcul apr s v rification syst matique Une fois cette flaque form e la hauteur d eau pr sente la surface du sol reste constante pendant tout l v nement l quation de Green amp Ampt se met sous la forme 147 ie xfr Sr 59 a avec fp capacit d infiltration mm h K conductivit hydraulique effective mm h F hauteur d eau cumul e infiltr e mm S la succion effective au front d humectation mm porosit du sol 1 humidit initiale Cette quation poss de trois param tres la conductivit hydraulique effective K la succion effective au front d humectation Sp et la porosit du sol Ainsi qu une condition initiale humidit initiale du sol 01 Analysons chacun des trois param tres du mod le afin de mieux comprendre l influence de chacun sur le mod le e La conductivit hydraulique effective rend compte des forces de gravit Pour un sol donn la valeur de la conductivit hydraulique saturation donne imm diatement une id e de la perm abilit et est habituellement utilis e comme crit re pour tablir un classement e La porosit est directement d termin e par la valeur de l humidit a saturation du sol Sa d termination est importante car elle agit sur la profondeur du front d humectation po
370. vaises raisons cause du calage de ses param tres Saulnier 1996 Validation du mod le Il n est effectu qu une validation globale du mod le avec le d bit l exutoire du bassin sans vraiment proposer de validation des processus internes simul s C est le reproche couramment fait l hydrologie op rationnelle Afin d effectuer une validation spatialement distribu e il faudrait y introduire des validations interm diaires Puech 2000 De plus il ne suffit pas que les simulations et les observations du d bit 1 exutoire soient en accord sur un v nement pour que le mod le pr tende reproduire le fonctionnement hydrologique de ce bassin pour d autres crues Limites d application et volutions du mod le TOPMODEL est plus un concept qu un mod le qui simule la gen se d une crue par d veloppement de surfaces satur es contributives Lorsque les nappes sont tr s dynamiques elles se saturent rapidement et se mettent ventuellement ruisseler en nappes Datin 1998 Toutefois l ordre de grandeur du pourcentage maximum de la surface de saturation est de 16 pour Saulnier 1997 les points satur s correspondant un r seau Les surfaces satur es sont consid r es comme contributives mais le sont elles vraiment L introduction de crit res de taille de la zone et de distance au r seau devrait fournir des l ments de r ponse Cette hypoth se pourrait tre l origine de l
371. ve dans la fourniture des donn es spatiales indispensables mon travail Je remercie Jean Fabre Directeur de l Institut de M canique des Fluides de Toulouse puis Olivier Simonin qui lui a succ d dans cette t che ainsi qu Olivier Thual responsable du groupe HYDRE qui m a accueillie Je remercie mes directeurs de th se Denis Dartus et Rachid Ababou qui m ont permis par la compl mentarit de leurs travaux de recherche et de leur personnalit d avancer dans mes propres travaux Merci Denis pour m avoir donn toutes les conditions mat rielles dont un th sard ne peut habituellement que r ver et merci de m avoir donn une v ritable place dans ton quipe en me permettant de prendre part bons nombres de ses projets de R amp D Merci aussi de m avoir appris optimiser un code de calcul Merci a Rachid pour tes id es et conseils scientifiques toujours pertinents pour toutes les solides bases que tu m as donn es en hydrologie pour tes corrections de th se en particulier Merci aussi de m avoir initier aux g ostatistiques et aux m thodes particulaires Merci aux personnels de l Ecole Doctorale du CNRS du CIES et de l INPT pour leur professionnalisme et leur disponibilit Un grand merci aussi a tous les membres de l IMFT et de l ENSEEIHT mes coll gues de tous les jours grace qui j ai pu mener ce travail bien dans la bonne humeur En particulier je remercie le groupe HYDRE qui m a si bien accueillie tant
372. versant selon le processus d exfiltration Loi de Darcy On consid re que l coulement sub superficiel suit la loi de Darcy 80 Lame out T grad H 156 Bien que cette loi soit valid e a de petites chelles elle ne l est pas forc ment a l chelle du versant Les mesures terrain auront donc du mal fournir des valeurs de param tres acceptables Beven 1997 Puech 2000 Le gradient hydraulique pente de la surface en aquifere libre est assimil localement la pente de la surface du sol Il est donc suppos tre temporellement invariant On le note 81 grad H tan 2 157 La transmissivit de paisseur de sol n est fonction que du d ficit local en eau du sol De plus le sol est suppos homog ne sur tout le bassin versant 82 T T exp d M 158 Ceci conduit donc a une galit des conductivit s hydrauliques a saturation du sol lat rale et verticale Recharge de la zone saturee Les pr cipitations sont suppos es tre homog nes l chelle du bassin versant Pour chaque versant la lame d eau qui alimente la zone satur e par l amont correspond au produit de l aire du versant consid r par le taux de recharge moyenne Afin que cette hypoth se de recharge moyenne homog ne soit correcte les flux sub superficiels doivent avoir le temps d effectuer correctement le lissage des recharges l mentaires h t rog nes le r seau de drainage ne doit
373. voir int grer l h t rog n it spatiale des contributions des diff rents sous bassins lors de ces pisodes de crues clair C est pourquoi nous privil gions les mod les distribu s aux mod les globaux Nous rechercherons donc pr f rentiellement un mod le hydrologique a priori d terministe distribu en surface et en temps perceptuel et base physique De plus il sera pr f rable que les temps de calcul soient courts et que les param tres du modele soient porteurs d un maximum de sens physique de fa on tre mesurables anticipables ou portables il faut limiter les proc dures de calage partir de longues chroniques d observations pluie d bit 371 11 2 2 Presentation d evenements exceptionnels recents Dans ce chapitre nous allons pr senter les bassins versants et les donn es des crues que nous avons recueillies et sur lesquels nous travaillerons dans la suite du document 1 2 2 1 Bassin de l Orbieu a Lagrasse crue des 12 et 13 novembre 1999 11 2 2 1 1 Presentation du bassin de l Orbieu Altimetrie Le bassin versant de l Orbieu en amont de Lagrasse s tend sur environ 260 km2 et se situe dans la partie Est du d partement de Aude L Orbieu est un des principaux affluents de l Aude en rive droite dans laquelle il d bouche hauteur de Raissac d Aude Parmi les principaux affluents de l Orbieu dans cette zone nous avons retenu les ruisseaux de Madourneuille dont la
374. w to calculate it and how to use it within the TOPMODEL framework Hydrol Process 9 161 182 Remenieras G 1986 L hydrologie de l ing nieur Paris Ribolzi O Andrieux P Valles V Bouzigues R Bariac T amp Voltz M 2000 Contribution of groundwater and Overland flows to storm generation in a cultivated Mediterranean catchment Journal of Hydrology 233 241 257 Rivrain J C M t o France amp l Environnement M d 1997 Les pisodes orageux a pr cipitations extr mes sur les r gions m diterran ennes de la France vol 4 Rodriguez Iturbe I Devoto G amp Valdes J B 1979 Discharge response analysis and hydrologic similarity the interrelation between the geomorphologic IUH and the storms characteristics Water Resosurces Research 15 6 1435 1444 Rodriguez Iturbe I amp Mejia J M 1974 On the transformation from point rainfall to areal rainfall Water Resosurces Research 10 4 729 735 Saghafian B amp Julien P Y 1995 Time to equilibrium for spatially variable watersheds Journal of hydrology 172 231 245 Saghafian B Julien P Y amp Rajaie H 2002 Runoff hydrograph simulation based on time variable isochrone technique Journal of hydrology 261 193 203 Saulnier G M 1996 Information p dologique spatialis e et traitements topographiques am lior s dans la mod lisation hydrologique par TOPMODEL INPG Grenoble 251 Saulnier G M Beven K amp Obled C 1997 Including s
375. x La rapide et importante mont e des eaux observ e est caract ristique de ce genre d v nement pour la crue de l Aude des 12 et 13 11 1999 par exemple l augmentation du niveau de l eau dans l Orbieu a t de 4 7 m tres en 4 heures Pour des pentes faibles et des mont es d hydrogrammes rapides ces coulements r pondent aux quations completes de Saint Venant en r gime non stationnaires Maidment 1993 leur r solution sera trait e par un code de calcul sp cifique Les temps de calcul de ce type de code tant non n gligeables une r solution en 1 ou 2 dimensions sera envisag e suivant les applications recherch es Nous distinguons donc deux types de transfert de la crue sur le bassin Le mode d crit dans les parties pr c dentes qui concerne les petites rigoles temporaires et le mode pr sent qui concerne les cours d eau La difficult r side dans la distinction entre ces deux fonctionnements Nous serons donc amen d finir l ordre limite des cours d eau en de duquel les cours d eau pourront tre ignor s dans notre mod lisation et d crits par un ruissellement de versant et au del duquel ces cours d eau devront tre consid r s en tant que tels 11 2 1 1 4 Bilan de la gen se des crues clair Finalement les diff rents mod les pass s en revue consistent d couper la r alit en plusieurs morceaux afin de rendre g rable la repr sentation quantitative de ces ph nom nes
376. xpliciterons dans un premier temps la notion d chelle en rapport avec la mod lisation hydrologique Puis nous analyserons les donn es n cessaires MARINE dans l optique de d finir a priori leurs chelles caract ristiques en rapport avec leur nature Enfin nous pr ciserons les chelles de travail du mod le et nous d taillerons les quations repr sentatives des processus physiques retenus _ 98 11 2 D finition et analyse des chelles de mod lisation des crues pour MARINE Cette partie pr cise les chelles de travail auxquelles nous nous placons Apres avoir pr cis ce que nous entendons par chelle nous pr senterons tout d abord e chelle laquelle le mod le doit fournir des r sultats afin de r pondre aux objectifs de pr vision des crues e puis nous nous int resserons l chelle des donn es qu il faudra consid rer de fa on a en capter leurs sp cificit s e et enfin nous d finirons l chelle du mod le de ruissellement superficiel retenu a priori La mise en concordance de ces diff rentes chelles nous conduira vers une proposition de structuration de mod lisation hydrologique des crues clair e L XN A 11 Une partie de cette tude est para tre dans un journal 11 2 1 D finition de la notion d chelle Dans cette partie pr liminaire nous allons d finir le terme d chelle telle que nous l utiliserons tout au long de cet expos Suite quoi

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