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Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ? Développements empiriques et intercomparaison de modèles sur un large échantillon de bassins versants. Thibault MATHEVET Directeur de thèse : Claude MICHEL Co-encadrants : Vazken ANDRÉASSIAN & Charles PERRIN - PowerPoint PPT Presentation
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1
Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ?
Développements empiriques et intercomparaison de modèles sur un large échantillon
de bassins versants
Thibault MATHEVET
Directeur de thèse : Claude MICHELCo-encadrants : Vazken ANDRÉASSIAN & Charles PERRIN
École Doctorale Géosciences et Ressources NaturellesUR Hydrosystèmes et Bioprocédés, Cemagref, Antony
2
Contexte
• Augmentation du besoin de prévisions hydrologiques opérationnelles
• Intérêt particulier pour les bassins versants amonts
• Besoin de développer et de discriminer les modèles hydrologiques les plus efficaces à un pas de temps fin (horaire)
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
Pont Romain de Vaison la Romaine
L’Ouvèze, 585 km²
3
Contexte
Pont Romain de Vaison la Romaine22 Sept. 1992
L’Ouvèze, 585 km²
• Augmentation du besoin de prévisions hydrologiques opérationnelles
• Intérêt particulier pour les bassins versants amonts
• Besoin de développer et de discriminer les modèles hydrologiques les plus efficaces à un pas de temps fin (horaire)
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
4
L’objet d’étude : le bassin versant
PLUIE DEBIT
BASSIN VERSANT
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
5La particularité des bassins versants réactifs
La Goudèche à Saint Maurice de Ventalon,
10 km²Crue du 21/09/1992
Prévision et simulationdes crues
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
6La particularité des bassins versants réactifs
La Goudèche à Saint Maurice de Ventalon,
10 km²Crue du 21/09/1992
Prévision et simulationdes crues
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
7
Du bassin versant au modèle
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
8
Du bassin versant au modèle
• Adéquation entre le besoin et la disponibilité des données
• Efficacité
• Robustesse
• Généralité
Qualités requises
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
9
Modélisation hydrologique empirique
Pluie
Échanges souterrains
ETR
Débit
Données d’entrée et de sortie
Approche systémique :
Représenter le bassin versant dans son ensemble
ETP Pluie Débit
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
10
• Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu
• La relation Pluie – Débit à l’échelle du bassin versant n’existe pas !
• Tous les modèles sont faux…
Quelle validation d’un modèle hydrologique ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
11
Quelle validation d’un modèle hydrologique ?
• Approche empirique et comparative
• Large échantillon de bassins versants
• Le bassin versant : un objet 4D complexe, mal connu
• La relation Pluie – Débit à l’échelle du bassin versant n’existe pas !
• Tous les modèles sont faux…… mais certains le sont moins que d’autres !
J.E NASH V. KLEMES R. LINSLEY S. BERGSTRÖM W. BOUGHTON C. MICHEL
M. SUGAWARA
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
12Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Annuel Mensuel Journalier Horaire
Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km²
Pluie
Débit
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
13Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km²
Pluie
Débit
12Annuel Mensuel Journalier Horaire
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
14Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km²
Pluie
Débit
12 30Annuel Mensuel Journalier Horaire
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
15Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km²
Pluie
Débit
12 30 24Annuel Mensuel Journalier Horaire
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
16
0.52
1
11
0.7 0.31
1.
k k
k k
k
Q PP P
X E
Débit
Modèles
Annuel Mensuel Journalier Horaire
1 2 4
Modélisation pluie-débit à différents pas de temps
Paramètres
?
?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
17Objet de la thèse :
Quels modèles pluie-débit globaux pour le pas de temps horaire ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
18
Intercomparaisonde modèles
Développement demodèles
Modélisation hydrologique
Synthèse des travaux effectués
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
Pluie
Échanges souterrains
ETR
Débit
Méthodologie
Applications opérationnelles
C2M : Critère d’évaluation
des performances
Stratégie d’optimisation
Intérêt des grandséchantillons de BV
Valorisation de ladistribution temporelle
de la pluie
Valorisation de ladistribution spatiale
de la pluie
Prédétermination des paramètres
19
Synthèse des travaux effectués
Pas de temps Journalier
Pas de temps Horaire
Modélisation pluie-débit
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
20
Synthèse des travaux effectués
Intercomparaison et développements empiriques de
modèles pluie - débit
Pas de temps Journalier
Pas de temps Horaire
1
Modélisation pluie-débit
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
21
Synthèse des travaux effectués
Amélioration du modèle journalier
Pas de temps Journalier
Pas de temps Horaire
2
Modélisation pluie-débit
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
22
+ 12 BV Australie, + 2 BV Slovènie, + 2 BV Espagne
Méthodologie
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
227 BV
70 BV
313 Bassins versants
Durée médiane des chroniques : 6 ans (de 3 à 33 ans)Superficie médiane : 85 km² (de <1 à 5000 km²)
23
Méthodologie
• 15 Modèles pluie-débit conceptuels ou empiriques :
– de 4 à 10 paramètres libres,
– 14 structures testées par C. Perrin [2000],
– 1 nouvelle structure testée : MORDOR [eDF].
• Procédure de Calage / Contrôle (Split Sample test)
– 313 BV = 2093 périodes de calage et de contrôle
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
24
Méthodologie
• 15 Modèles pluie-débit conceptuels ou empiriques :
– de 4 à 10 paramètres libres,
– 14 structures testées par C. Perrin [2000],
– 1 nouvelle structure testée : MORDOR [eDF].
• Procédure de Calage / Contrôle (Split Sample test)
– 313 BV = 2093 périodes de calage et de contrôle
• Synthèse de la distribution des performances
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
25
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
Pas de temps Journalier
Pas de temps Horaire
1
26Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire
313 Bassins Versants 15 Modèles
Procédure deCalage / Contrôle
4 à 10 paramètres libres
2093 périodes de calage / contrôle
Méthode de calage locale
Fonctions objectifs :NS(Q) et NS(Q1/2)
Intercomparaison des performances2 fonctions objectifs : C2M(Q) et C2M (Q1/2)
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
27Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
28Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire
Journalier
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
29Développement d’un modèle au pas de temps horaire
• Quelle démarche de développement d’un modèle ?
• Complexification progressive ?
• Simplification progressive ?
?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
30Développement d’un modèle au pas de temps horaire
• Quelle démarche de développement d’un modèle ?
• Complexification progressive ?
• Simplification progressive ?
?
GR4J
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
31Développement d’un modèle au pas de temps horaire
• Quelle démarche de développement d’un modèle ?
• Complexification progressive ?
• Simplification progressive ?
MORDOR
?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
32Complexification progressive
A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991;Nascimento, 1995;Perrin, 2000]
Fonction de production
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
33
Fonction de transfert
Complexification progressive
A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991;Nascimento, 1995;Perrin, 2000]
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
34
1. Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial
2. Complexification de la fonction de routage
3. Complexification de la fonction de Production
Complexification progressive
A partir de GR4J [Edijatno et al., 1991;Nascimento, 1995;Perrin, 2000]
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
35
1. Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial
2. Complexification de la fonction de routage
3. Complexification de la fonction de Production
A partir de GR4J [Edijatno et al., 1999; Perrin, 2000]
Complexification progressive
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
36
A partir de GR4J [Edijatno et al., 1999; Perrin, 2000]
Complexification progressive
1. Remise en cause des paramètres fixes du modèle initial
2. Complexification de la fonction de routage
3. Complexification de la fonction de Production
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
37Complexification progressive
• Plus de 400 structures testées
• GR4H, une structure plus simple que GR4J ?
• GR4H et GR5H : gains substantiels de performances
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
38Complexification progressive
Comparaison des performancespar bassins versants
Comparaison des performancesmoyennes
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
39
• MORDOR :– 10 paramètres libres
– 4 réservoirs
– Performant, robuste
– Interactions entre paramètres
– Modèle sur-paramétré
Simplification progressive
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
40
• De MORDOR10 à MORDOR6 :– Etude de sensibilité à grande
échelle,– Mêmes performances,– Meilleure définition des
vecteurs de paramètres.
• Identification d’un optimum de la surface de réponse :– MORDOR10 : 15% des cas,– MORDOR6 : 60% des cas.
Simplification progressive
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
41
• 17 modèles (o)
• GR4H (+), GR5H (*), MORDOR6 (x)
• 4 à 6 paramètres au pas de temps horaire
GR4J
GR4H
GR3H
GR5HMORDOR
MORDOR6
Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
42Intercomparaison de modèles au pas de temps horaire
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
43
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
Pas de temps Journalier
Pas de temps Horaire
2
44Intercomparaison de modèles au pas de temps journalier
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
45Vers une structure unique au pas de temps
horaire et journalier ?
• Coefficient de percolation
• Est ce que GR4H peut capter la transformation Pluie-Débit au pas de temps journalier ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
46
• GR4X1 :
• Au moins aussi bon que GR4J au pas de temps journalier,
• Largement meilleur au pas de temps horaire
• Validation indépendante : 429 BV de C. Perrin [2000]
Vers une seule structure :
GR4X1
Vers une structure unique au pas de temps horaire et journalier ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
47
Conclusions
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
48
0.52
1
11
0.7 0.31
1.
k k
k k
k
Q PP P
X E
Débit
Modèles
Annuel Mensuel Journalier Horaire
1 2 4
Conclusions
Paramètres
?
?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
49
0.52
1
11
0.7 0.31
1.
k k
k k
k
Q PP P
X E
Débit
Modèles
Annuel Mensuel Journalier Horaire
1 2 4
Conclusions
Paramètres
4Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
50
Conclusions
• Intérêt de questionner la structure d’un modèle à différents pas de temps
• Continuité de la structure GR aux pas de temps horaire et journalier
• Quels modèles pour le pas de temps horaire ?
GR4X1, MORDOR6, WAGENINGEN, IHACRES
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
51
Perspectives
• Chaîne de modèles
• Stratégies de valorisation de l’information pluviométrique
• Stratégies de transfert des vecteurs de paramètres d’un pas temps à un autre
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions / Oral Thèse T. MATHEVET
52
MERCI !
De Leticia (Colombie) à Belem (Brésil) en passant par l’Amazone
53
Prédétermination
54
Bassin versant du Réal Collobrier, 70.6 km²
La particularité des bassins versants réactifs
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions
55La particularité des bassins versants réactifs
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions
56La particularité des bassins versants réactifs
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions
57
Robustesse
58
Influence de la durée de la période de calage
59
Influence de la durée de la période de calage
60
Prédétermination des paramètres d’un modèle au pas de temps horaire
61
Synthèse des travaux effectués
Pré-détermination des paramètres d’un modèle horaire
Pas de temps Journalier
Pas de temps Horaire
3
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Modélisation pluie-débit
62
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
Peut on valoriser l’information journalière
pour une simulation horaire ?
63
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
Vecteurs de paramètres calés au pas de temps journalier
7 Stratégies de transferts au pas de temps horaire
Évaluation des performances en calage
Évaluation des performances en validation
Pré-détermination des paramètres au pas de temps
horaire
64
• Première stratégie de transfert :– Régressions linéaires :
Xi (H) = ai.Xi (J)+bi
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
65Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
• Deuxième stratégie de transfert :– Transfert de régions de l’espace des
paramètres,
• Matrice de transition entre la région d’un vecteur de paramètre horaire et les régions de son/ses vecteur(s) correspondant horaires– Exemple :
• X(J)R1 X(H)R1, p = 0.5
• X(J)R1 X(H)R2, p = 0.25
• X(J)R1 X(H)R29, p = 0.25
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
66
• Deuxième stratégie de transfert :– Vecteur composite– Multi-modèle
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
67
• Performances en calage
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
68
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
• Performances en validation
69
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Est il possible de pré-déterminer les paramètres d’un modèle horaire ?
• Performances en validation
70
Amélioration des simulations journalières en faisant tourner un modèle au pas de
temps horaire
71
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / Conclusions
Pas de temps Journalier
Pas de temps Horaire
2
72
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Quelle valorisation d’une pluie horaire au pas de temps journalier ?
Pluie et débit horaire
73Quelle valorisation d’une pluie horaire au pas de temps journalier ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Pluie et débit horaire
Pluie et débit journalier
74Quelle valorisation d’une pluie horaire au pas de temps journalier ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Pluie et débit horaire
Pluie et débit journalier
Simulation journalière
75Quelle valorisation d’une pluie horaire au pas de temps journalier ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Pluie et débit horaire
Pluie et débit journalier
Simulation journalière
Simulation horaire
76Quelle valorisation d’une pluie horaire au pas de temps journalier ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
Pluie, ETP Horaire
Modèle
Débit horaire
Débit journalier
o : pluie journalière // + : pluie horaire
agrégation
77
• Amélioration robuste et générale des performances des modèles !
• Gain moyen de + 5 points au pas de temps journalier
Quelle valorisation d’une pluie horaire au pas de temps journalier ?
Problématique / Synthèse / Méthodologie / de J vers H / de H vers J / de J vers H / Conclusions
78
SALLE DARCY
Couloir 46-56
3 éme étage