[PDF] Recherche dun modèle dévapotranspiration potentielle pertinent

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ENGREF

ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORÊTS

N° attribué par la bibliothèque

/__/__/__/__/__/__/__/__/__/__/ THESE pour obtenir le grade de

Docteur de l'ENGREF

Spécialité : Sciences de l'eau

présentée et soutenue publiquement par

Ludovic Oudin

le 29 Octobre 2004 à l'Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et Forêts

Centre de : Paris

RECHERCHE D'UN MODELE D'EVAPOTRANSPIRATION

POTENTIELLE PERTINENT COMME ENTREE D'UN

MODELE PLUIE-DEBIT GLOBAL

devant le jury suivant :

M. Gérard Degoutte

Président

M. François Anctil

Directeur de thèse

M. Claude Michel

Directeur de thèse

Rapporteur

M. Kieran O'Connor

Rapporteur

M. Pierre Ribstein

Examinateur

M. Pierre-Alain Roche

Examinateur

Remerciements

Je tiens à remercier chaleureusement mes deux directeurs de thèse, Claude Michel et François Anctil pour

m'avoir, chacun à sa manière, encouragé et conseillé.

Claude Michel, hydrologue au Cemagref d'Antony, a encadré ce travail de recherche. Son enthousiasme et la

confiance qu'il m'a accordée ont été une source de motivation constante. Tout au long de ces trois années, son

expérience, sa clairvoyance et son dynamisme ont été les moteurs de mon travail.

François Anctil, Professeur de l'Université Laval a accepté de co-diriger cette thèse. Ses échos depuis l'autre

côté de l'atlantique m'ont permis de prendre du recul et ses suggestions ont été d'une aide précieuse pour

l'orientation de cette recherche.

J'adresse ma profonde reconnaissance à Kieran O'Connor, Professeur à l'université de Galway et Sten

rapporteurs de mes travaux.

Pierre Ribstein, Professeur à l'université Paris VI, et Pierre-Alain Roche, Professeur à l'Ecole nationale des Ponts

et Chaussées, ont accepté d'être examinateurs. Je leur exprime ma sincère reconnaissance.

Je remercie chaleureusement Gérard Degoutte, Directeur Adjoint de l'Ecole Nationale du Génie Rural des Eaux

et des Forêts, de m'avoir inscrit dans son établissement, d'avoir accepté de faire partie de mon comité de suivi de

thèse et de mon jury de soutenance.

Le comité de suivi de thèse comprenait également Pierre Chevallier, chercheur à l'Institut de Recherche pour le

Développement et Jean-Paul Goutorbe, chercheur à Météo-France. Je les remercie pour avoir accepté de suivre

mes travaux. Leurs conseils et leurs critiques ont été très utiles, et les discussions animées lors de ces réunions

passionnantes !

Vazken Andréassian, Charles Perrin et Cécile Loumagne, ingénieurs-chercheurs au Cemagref d'Antony ont suivi

l'avancement de mes travaux avec intérêt. Leurs idées et conseils au quotidien ont fait de cette thèse une

expérience passionnante et enrichissante.

Les évaluateurs des articles soumis à Journal of Hydrology, Hydrological Processes et Water Resources

Research ont également contribué à l'approfondissement et à la clarification de certaines parties de mes

recherches. Je tiens à les remercier vivement pour le temps qu'ils ont accordé à ces relectures et pour leurs

remarques et leurs critiques constructives.

Cette thèse s'appuie sur des données qui ont été recueillies et mises à disposition par des organismes divers. Le

recueil et la gestion de ces données représentent un travail colossal et je voudrais adresser ma reconnaissance

aux personnes qui ont bien voulu me les mettre à disposition :

Ross James, du Bureau australien de Météorologie qui a fourni l'essentiel des données des bassins

australiens ;

Qynyuan Duan et le groupe du projet MOPEX ;

La direction de l'Eau du Ministère de l'écologie et du développement durable ; Météo-France, et en particulier Bruno Rambaldelli ; Les organismes américains de l'Agricultural Research Service et de l'United State Department of

Agriculture.

La région Ile-de-France a également apporté une contribution financière substantielle pour ces recherches.

Un grand merci à l'ensemble des membres permanents ou stagiaires de l'Unité de Recherche - et en particulier

à l'équipe hydrologie (Claudia, Jean-Louis, Jean-Luc, Mamoutou, Marine, Safouane, Thibault, et sans oublier

Frédéric, Laurent, Alexandre, Laetitia, Marc, Majida, Timothée et Marie-Perrine) - pour m'avoir fait partager un

peu, leurs diverses connaissances et expériences. Merci à Jean-Louis Rosique pour son aide efficace pour la

gestion au quotidien des problèmes informatiques et pour son aide dans l'élaboration de belles cartes ; Sylvie

Tonachella et Sophie Morin pour leur aide dans les démarches administratives et leur bonne humeur. Et je

n'oublie pas les équipes de foot et de basket du Cemagref ! Toutes ces personnes ont fait de cette thèse une

période agréable et pleine de bonne humeur.

Merci aussi à Jean-Luc Pujol, Cécile Loumagne et Gildas Le Bozec, successivement chefs de l'Unité de

Recherche Qualité Fonctionnement Hydrologiques des Systèmes Aquatiques (QHAN) du Cemagref d'Antony, qui

m'ont accepté au sein de leur unité et à Jacques Joly et Gérard Sachon, successivement chefs du groupement

du Cemagref Antony pour leur accueil et les bonnes conditions dans lesquelles j'ai pu réaliser mes travaux.

Merci enfin à aux membres de l'équipe courageuse et intransigeante (Joanna, Enrique et mon père) qui ont relu

ce mémoire à la recherche de coquilles ! 4

Résumé

Abstract

6

Résumé

L'objectif de notre recherche est d'améliorer les performances des modèles pluie-débit par une meilleure prise en

compte de l'ETP au sein de ces modèles. Pour cela, l'échantillon de bassins versants étudiés devait représenter

diverses conditions climatiques et hydrologiques. L'assemblage des différentes données collectées (pluie, débit

et paramètres climatiques) a permis l'élaboration d'un échantillon de 308 bassins versants dont 221 français, 79

nord-américains et 8 australiens. L'avantage de travailler sur un échantillon assez vaste est de tirer des

conclusions relativement libres de toute dépendance vis à vis des caractéristiques particulières de tel ou tel

bassin. De plus, quatre modèles pluie-débit ont été utilisés : le modèle GR4J et des versions globales des

modèles HBV, IHACRES et TOPMODEL.

Tout d'abord, une étude de sensibilité de ces modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP a été entreprise. Deux aspects

ont été traités en particulier. La première motivation était de tester l'impact d'une connaissance fine du climat par

rapport à une connaissance des normales (moyennes interannuelles). Les résultats ont confirmé le manque

d'utilisation judicieuse de l'information datée contenue dans les formules d'ETP par les modèles pluie-débit. Le

deuxième aspect était de tester plusieurs formules pour représenter les variations de l'ETP au sein des modèles

pluie-débit. Les résultats ont montré là aussi une faible sensibilité des modèles quant au choix fait pour la formule

d'ETP. Nous avons porté en particulier notre attention sur la formule de Penman, couramment utilisée en

modélisation, car elle est la plus satisfaisante d'un point de vue physique, à l'échelle de la parcelle. En

modélisation pluie-débit, elle est dépassée par d'autres formules plus simples (utilisant moins de données

climatiques). Ainsi, nous pouvons parler de la pertinence d'autres formules que Penman pour la modélisation :

des formules simples faisant intervenir uniquement la température de l'air sont aussi performantes que la formule

de Penman.

D'un point de vue opérationnel, ces résultats sont extrêmement rassurants puisqu'ils suggèrent qu'une entrée

d'ETP simple à obtenir peut être utilisée à la place de formules d'ETP plus demandeuses en données.

Cependant, d'un point de vue scientifique, le constat d'apparente insensibilité des modèles pluie-débit à l'entrée

d'ETP est préoccupant. En effet, le modèle semble se contenter d'une représentation extrêmement simplifiée de

la demande évaporatoire. Pourtant, il est légitime de penser que le modèle serait plus performant s'il prenait

mieux en compte cette information supplémentaire.

Les hypothèses avancées pour expliquer la faible sensibilité des modèles à l'entrée d'ETP sont multiples :

S'agit-il d'un phénomène naturel que le modèle retranscrit assez fidèlement ? Faut-il remettre en cause la structure du modèle, notamment la partie traitant l'évaporation ? Les formules d'ETP traditionnelles sont-elles inadaptées à la modélisation pluie-débit ?

Alors que la première interrogation nous semblait difficile à investiguer, les deux autres étaient plus à la portée

d'un utilisateur de modèles pluie-débit conceptuels. Pour cela, nous avons utilisé une approche par données

synthétiques d'ETP qui permet notamment de lever toute incertitude sur la pertinence des données d'ETP. Les

résultats ont montré que les différences entre ETP datées et interannuelles étaient presque totalement absorbées

par les réservoirs de production des modèles pluie-débit. Le modèle se comporte donc comme un filtre passe-

bas pour les données atmosphériques, atténuant ainsi la variabilité temporelle des entrées climatiques.

7

Abstract

The objective of our research was to improve the performance of rainfall-runoff models thanks to a better

representation of Potential Evapotranspiration (PE). To this aim, we gathered a large sample of catchments,

encompassing different hydro-climatic conditions. Streamflow, rainfall and climatic data were collected for 308

catchments located in France (221), North America (79) and Australia (8). The advantage of work on a wide

sample is to draw conclusions relatively free of any dependence to specific catchment characteristics. Moreover,

we used four lumped rainfall-runoff model (GR4J and modified versions of IHACRES, HBV and TOPMODEL).

First, we carried out a sensitivity analysis of these models to PE. Two main aspects were investigated. We

wanted to check the possible superiority of a precise daily knowledge of PE over mean data (interannual

averages of PE). Results confirmed the lack of sensitivity of rainfall-runoff models to day-to-day fluctuations of

PE, since using a regime curve appears as efficient as using detailed PE knowledge, in terms of low simulation

quality. Then, we tested several formulae to represent the variations of PE as inputs to rainfall-runoff models.

Results showed that there exists a low sensitivity of the models to the choice of the PE formulation. In this

context, the wide use of the Penman formulation, based on four climatic parameters, is questionable: simple

formulae using only air temperature data yield as satisfactory flow simulations as Penman formula. Therefore, the

Penman approach may not be the best suited for a PE estimation at the catchment-scale. A simple PE formula,

based only on catchment latitude and long term averages of air temperature was proposed. This formula provided

a slight but significant improvement of the performance of the four rainfall-runoff models over the 308 watersheds.

From an operational point of view, these conclusions are very reassuring because one can relatively easily obtain

mean monthly temperatures at many locations. Thus, it will be much easier to obtain basin-scale representative

PET estimates with temperature-based methods than with Penman-type methods, for which values are often

extrapolated from distant meteorological stations.

However, from a modelling point of view, these results were disconcerting because they suggest pushing aside

the practice of many hydrologists who use Penman's formulation with daily time varying data. Moreover, models

seem to favour extremely simplified representations of the climate information. Several hypotheses can be put

forward: is it due to a natural phenomenon that rainfall-runoff models convey rather faithfully?

is it an artefact of the model, making necessary to question the structure of the model, particularly the part

handling evaporation? are the traditional PE formulae inappropriate for rainfall-runoff modelling?

Which of the previous points is the actual cause of the insensitivity of rainfall-runoff models to PE inputs? While

the first hypothesis seems difficult to verify objectively, the three others are more within the reach of users of

rainfall-runoff models. Since uncertainties affect both the structures and the inputs of rainfall-runoff models, we

base our analysis on synthetic flow data. Results confirm the insensitivity of rainfall-runoff models to PE, and

show that this can be explained by the fact that the soil moisture accounting stores of the models act as low-pass

filters, smoothing the effect of daily PE fluctuations. 8

Sommaire

10

Sommaire

Résumé - Abstract........................................................................ Introduction générale........................................................................

Partie I - Evapotranspiration réelle et évapotranspiration potentielle - Contexte de la modélisation pluie-

CHAPITRE 1 L'EVAPOTRANSPIRATION POTENTIELLE (ETP) - CONTEXTE DE LA MODELISATION PLUIE-DEBIT..............................23

CHAPITRE 2 COMMENT EVALUER UN MODELE D'ETP EN MODELISATION PLUIE-DEBIT GLOBALE ? CONTEXTE D'UNE DEMARCHE

CHAPITRE 3 PRESENTATION DE L'ECHANTILLON DE DONNEES........................................................................

........................61 Conclusion de la partie I........................................................................

Partie II - Sensibilité des modèles pluie-débit à l'évapotranspiration potentielle.........................................75

CHAPITRE 4 IMPACT DU MODE DE CALCUL DE L'ETP SUR LES PERFORMANCES DES MODELES PLUIE-DEBIT...............................79

CHAPITRE 5 IMPACT DE LA VARIABILITE TEMPORELLE DE L'ETP SUR LES PERFORMANCES DES MODELES PLUIE-DEBIT...............97

CHAPITRE 6 IMPACT DE LA VARIABILITE SPATIALE DE L'ETP SUR LES PERFORMANCES DE MODELES PLUIE-DEBIT....................117

Conclusion de la partie II........................................................................

Partie III - Recherche des causes de l'apparente insensibilité des modèles à l'évapotranspiration

CHAPITRE 7 ADAPTATION DES PARAMETRES DU MODELE GR4J A DES MODIFICATIONS D'ETP...............................................135

CHAPITRE 8 FAUT-IL REMETTRE EN CAUSE LES FORMULES D'ETP CLASSIQUES ?.................................................................147

CHAPITRE 9 SUIVI DE LA SENSIBILITE DES MODELES PLUIE-DEBIT AU SEIN DE LEUR STRUCTURE.............................................157

CHAPITRE 10 FILTRAGE DES SERIES D'ETP ET ANALYSE FREQUENTIELLE DES SERIES INTERMEDIAIRES...................................175

Conclusion de la partie III........................................................................

Partie IV - Tentatives d'amélioration de la prise en compte de l'évapotranspiration potentielle au sein des

modèles pluie-débit........................................................................

CHAPITRE 11 RECHERCHE EMPIRIQUE D'UN MODELE D'ETP PERTINENT A PARTIR DES FORMULES DEJA TESTEES.....................193

CHAPITRE 12 UTILISATION DE L'HYPOTHESE DE BOUCHET EN MODELISATION PLUIE-DEBIT.......................................................211

CHAPITRE 13 UTILISATION D'INDICATEURS DE VEGETATION POUR AMELIORER LA PRISE EN COMPTE DE L'ETP..........................223

Conclusion de la partie IV........................................................................ Conclusion générale........................................................................

Références bibliographiques........................................................................

11 Annexes ................................................................

ANNEXE 1 MANUSCRIPT EXTENSIVE SUMMARY........................................................................

ANNEXE 2 PROCESSUS PHYSIQUES ET ESTIMATIONS DE L'EVAPOTRANSPIRATION...............................................................313

ANNEXE 3 CALCULS ET ESTIMATIONS DES TERMES CONTENUS DANS LES FORMULES D'ETP................................................327

ANNEXE 4 STRUCTURE DES MODELES PLUIE-DEBIT UTILISES........................................................................

.....................335

ANNEXE 5 TRADUCTION DE L'ARTICLE DE PENMAN (1948)........................................................................

........................343

ANNEXE 6 LISTE DES BASSINS VERSANTS UTILISES........................................................................

...................................381

ANNEXE 7 ARTICLE 1 : SENSIBILITE DES MODELES A LA VARIABILITE TEMPORELLE DE L'ETP...............................................387

ANNEXE 8 ARTICLE 2 : SENSIBILITE DES MODELES A LA FORMULATION DE L'ETP...............................................................405

ANNEXE 9 ARTICLE 3 : IMPACT D'UTILISATION DE DONNEES ERRONEES DE L'ETP SUR LA PERFORMANCE ET L'ESTIMATION DES

PARAMETRES DU MODELE GR4J........................................................................

ANNEXE 10 ARTICLE 4 : SUIVI DE LA SENSIBILITE DES MODELES PLUIE-DEBIT AU SEIN DE LEUR STRUCTURE...........................443

ANNEXE 11 ARTICLE 5 : PRISE EN COMPTE DE LA RELATION DE BOUCHET EN MODELISATION PLUIE-DEBIT.............................461

ANNEXE 12 ARTICLE SUR LA METHODE D'EVALATION DE L'INCERTITUDE LIEE A L'ESTIMATION DES PARAMETRES.....................477

12

Introduction générale

14

Introduction générale

Introduction générale

L'eau fascine autant les scientifiques, les philosophes que les poètes. Dans les sociétés traditionnelles, elle est

symbole de pureté et atteint une dimension sacrée. En Inde, les sadhus (saints hommes) vont se baigner dans

les sources glacées du Gange, à plus de 4000 mètres d'altitude, là où l'eau est la plus pure. Aujourd'hui

cependant, même le sacré semble être rattrapé par les problèmes du monde moderne. Ainsi, lors du dernier

pèlerinage de la Kumbh Mela , des sadhus ont refusé de se baigner dans les eaux du Gange à Allahabad, trop

polluées. Plus que tout discours politique, ces déclarations ont ébranlé la population indienne. L'eau n'est pas

seulement une ressource, elle est un enjeu de civilisation et un potentiel économique considérable. La rareté de

l'eau douce et son inégale répartition géographique provoquent des conflits juridiques et politiques entre de

nombreux pays et bien des communautés humaines. Ce n'est pas un hasard si le mot rival vient du mot rive : le

rival, c'est l'habitant de l'autre rive, celui qui pourrait être tenté de prendre plus que sa juste part de ce bien

commun essentiel, l'eau. Pour contenir les rivalités, il faut gérer au mieux les ressources. Et gérer, c'est

notamment prévoir. Cette maxime est pertinente dans le domaine des ressources en eau, où les stocks sont

souvent faibles au regard des besoins. D'où la nécessité de mettre au point des outils de gestion de la ressource,

de gestion du risque et d'aide à la décision, qui permettent de mieux cerner le fonctionnement des

hydrosystèmes naturels, et donc de mieux prévenir, anticiper et traiter les problèmes.

De nombreux travaux de recherche se sont attachés, depuis plus d'un siècle, à essayer de comprendre les

processus de génération des débits et le fonctionnement hydrologique du bassin versant. Parce qu'une très

grande complexité caractérise les processus impliqués dans le cycle de l'eau, les représentations de ces

processus, c'est-à-dire les modèles, sont nécessairement simplificatrices, réductrices de la complexité naturelle,

et donc grossièrement inexactes. Un moyen d'estimer les débits est de remonter jusqu'à leur cause première, les

pluies. Deux approches de modélisation sont alors envisageables : une approche dite physique, qui utilise le

cadre théorique des équations de la physique et permet de donner une représentation des flux et stocks au sein

du bassin ; et une approche empirique. Cette dernière suspecte que l'emploi des connaissances physiques

actuelles sont loin de pouvoir apporter la solution et préfère découvrir directement, au vu de la pluie et des débits,

le mécanisme des bassins versants. Les débats entre les partisans de ces deux approches sont toujours

passionnés ; au cours de l'un de ces débats auquel j'assistai, il m'est venu à l'esprit cette phrase d'Henri

Michaux : " Si un contemplatif se jette à l'eau, il n'essaiera pas de nager, il essaiera d'abord de comprendre l'eau.

Et il se noiera. ». Dans cette thèse, j'ai voulu suivre une approche empirique pragmatique, en acceptant ses

limites... parce que reconnaissant sa nécessité !

Dans la représentation de la transformation pluie-débit, l'évapotranspiration représente un terme climatique

majeur et devrait donc jouer un rôle essentiel. Sur une majorité de bassins, la perte par évapotranspiration

représente quantitativement l'élément le plus important du bilan en eau (plus de 60% de l'apport pluviométrique

sur les surface continentales).Cependant, il n'existe pas encore de technique expérimentale satisfaisante pour

estimer l'évapotranspiration à l'échelle du bassin versant (Wallace, 1995).

Pour modéliser un bassin versant, il faut clarifier le rôle de l'évapotranspiration dans la transformation pluie-débit.

Bizarrement, les hydrologues s'en sont désintéressés assez largement : Klemeš (1986a) affirmait en effet que les

questions tournant autour de l'évapotranspiration représentaient moins de 5% des pages des manuels et des

revues d'hydrologie. Aujourd'hui, la situation est quelque peu différente : les connections entre la climatologie et

l'hydrologie de surface se sont considérablement renforcées et beaucoup s'accordent à dire que le

développement de tels couplages représente un tournant essentiel dans l'histoire de l'hydrologie (Entekhabi et

La Kumbh Mela est le plus grand rassemblement religieux au monde et a a ccueilli près de sept millions de pèlerins en 2001.
15

al., 1999). Dans ces couplages, l'évapotranspiration a un rôle clé, assurant une part considérable des transferts

d'eau et d'énergie entre les surfaces continentales et l'atmosphère.

L'historique des théories sur l'évapotranspiration (Brutsaert, 1982) montre que ce phénomène a intrigué les

penseurs et les philosophes depuis l'antiquité.

Aristote (384-332 av. J.-C.) reliait l'évaporation au réchauffement de l'atmosphère par les rayons du soleil et la

condensation au rafraîchissement de la vapeur atmosphérique. Alors qu'Aristote n'admettait pas le vent comme

facteur de l'évaporation, Theophrastos, un de ses contemporains (372-287 av. J.-C.) pensait que le vent

permettait à la vapeur émise par le réchauffement de l'atmosphère de s'évacuer. La controverse entre Aristote et

Theophrastos peut être considérée comme l'origine du conflit opposant les disciples de l'approche

aérodynamique et ceux de l'approche énergétique, évoqué par Penman (1956).

C'est Dalton (1802) qui a posé les premiers principes de la théorie actuelle de l'évaporation. Il affirme notamment

que le taux d'évaporation est directement lié à la température, aux mouvements de masses d'air, à l'humidité de

l'atmosphère et à la nature chimique du volume évaporant. Dalton propose aussi la première formule permettant

d'estimer l'évaporation, à partir du vent et de la différence de pression de vapeur. Cette formule est la base du

développement des nombreuses formules dites aérodynamiques. Les premières théories sur le bilan énergétique

ont été développées un peu plus tard à partir des travaux de Maury (1861).

Aujourd'hui, les connaissances théoriques sur le processus d'évapotranspiration sont relativement avancées et le

perfectionnement des instruments de mesure permet d'estimer de façon fiable l'évapotranspiration à l'échelle

ponctuelle, voire à l'échelle de la parcelle. Cependant, dès lors que l'on s'intéresse à un bassin versant

hétérogène, aucune technique ne permet d'estimer directement l'évapotranspiration et on a généralement

recours à des approches simplifiées. Au sein des modèles hydrologiques et en particulier des modèles pluie-

débit, l'estimation de l'évapotranspiration est réalisée via une variable climatique théorique, l'évapotranspiration

potentielle (ETP), censée représenter la capacité évaporatoire d'une masse d'air. Des recherches antérieures

menées au Cemagref ont mis en évidence des problèmes d'utilisation de cette variable par les modèles pluie-

débit. Ce constat, confirmé par d'autres auteurs, est inquiétant : ces problèmes peuvent avoir des conséquences

directes sur la qualité de simulation des débits, particulièrement en étiage. De plus, cela peut radicalement limiter

la fiabilité des modèles dans l'application de scénarios de variabilité climatique. S'il est vrai que les pertes par

évapotranspiration ont un rôle mineur en période de crue, elles ont souvent une importance déterminante dans la

qualité de simulation des étiages. Par ailleurs, une mauvaise restitution des étiages peut entraîner des difficultés

de simulation des premiers événements de crue ou des reprises d'écoulement après de longues périodes sans

pluie. Du fait des problèmes cités plus haut, il est apparu essentiel de poursuivre des recherches pour mieux

prendre en compte l'ETP au sein des modèles pluie-débit et améliorer par ce biais leurs performances.

Cette thèse a poursuivi trois objectifs majeurs :

1. Dresser un constat se voulant le plus général possible de la sensibilité des modèles pluie-débit à l'ETP ;

2. Comprendre comment les modèles utilisent effectivement l'information contenue dans l'entrée d'ETP ;

3. Tenter d'améliorer la prise en compte de l'ETP au sein des modèles pluie-débit, en modifiant soit la

formulation de l'ETP, soit le traitement de l'ETP par les modèles pluie-débit.

Avant de répondre à ces objectifs, une réflexion sur le concept d'évapotranspiration potentielle nous paraissait

nécessaire. Après avoir précisé le sens à donner à la variable ETP, nous présentons dans le Chapitre 1 un

aperçu des multiples techniques et des difficultés qui peuvent exister pour la mesurer et pour l'estimer. Nous

détaillons ensuite le rôle de cette variable au sein d'un modèle pluie-débit conceptuel global et les problèmes liés

à son utilisation à l'échelle du bassin versant.

Dans le Chapitre 2, nous définissons le cadre général des tests effectués, et justifions la démarche utilisée tout

au long de la thèse. Celle-ci repose sur les contraintes liées à l'approche de développement empirique de

16

Introduction générale

modèles. Dans nos travaux, nous avons choisi de travailler sur un grand nombre de bassins versants, avec

quatre modèles pluie-débit et plusieurs critères d'évaluation des simulations de débits. Nous donnons les

justifications de ces choix et les limites de cette approche sont exposées.

Un des objectifs de notre recherche est d'améliorer les performances des modèles pluie-débit par une meilleure

prise en compte de l'ETP au sein de ces modèles. Pour cela, l'échantillon de bassins versants devait représenter

diverses conditions climatiques et hydrologiques. L'assemblage des différentes données collectées (pluie, débit

et variables climatiques) a permis la constitution d'une base de données de 308 bassins versants dont 221

français, 79 nord-américains et 8 australiens, présentés au Chapitre 3. L'avantage de travailler sur un échantillon

assez vaste est de tirer des conclusions relativement libres de toute dépendance vis à vis des caractéristiques

particulières de tel ou tel bassin. De plus, quatre modèles pluie-débit globaux ont été utilisés : le modèle GR4J et

des versions simplifiées des modèles HBV, IHACRES et TOPMODEL.

Pour répondre à notre premier objectif, une analyse de sensibilité de ces quatre modèles pluie-débit à l'entrée

d'ETP a été entreprise. Trois aspects ont été traités : Comme l'ETP n'est pas directement observable mais le résultat d'un calcul suivant une formule

impliquant plusieurs variables météorologiques, nous avons testé au Chapitre 4 la sensibilité des

modèles pluie-débit à la formulation choisie pour l'ETP. Nous avons porté en particulier notre attention

sur la formule de Penman car elle est jugée actuellement la plus satisfaisante à l'échelle de la parcelle.

Comme l'utilisation de données d'ETP datées n'est souvent pas possible, compte tenu de la rareté de

chroniques longues de variables climatiques journalières, la plupart des modèle hydrologiques utilisent

des données d'ETP interannuelles (ou courbe de régime de l'ETP). Dans le Chapitre 5, nous évaluons

le bénéfice obtenu en terme de performance des simulations des modèles pluie-débit avec une vraie

connaissance temporelle de l'ETP. En modélisation hydrologique, le recours au concept d'ETP suppose une estimation de la demande

évaporatoire de l'atmosphère à une échelle proche de celle du bassin : on considère en effet que l'ETP

mesurée localement à la station météorologique permet de représenter globalement l'ETP sur le bassin

versant. Cependant, au sein d'un bassin versant, l'ETP peut être assez variable, notamment pour les

bassins à relief accidenté. Dans le Chapitre 6, nous nous intéressons à l'impact de la prise en compte

de la variabilité spatiale de l'ETP en modélisation pluie-débit globale.

Les résultats de cette analyse de sensibilité nous ont poussés à nous interroger sur la manière dont l'ETP est

utilisée au sein des modèles pluie-débit. De plus, notre objectif étant d'améliorer la prise en compte de l'ETP au

sein de ces modèles, il s'agissait avant tout de mieux comprendre le rôle et l'intérêt de la variable ETP.

Dans le Chapitre 7, nous cherchons à évaluer le rôle qu'a le calage des paramètres du modèle dans la

sensibilité à l'ETP. Le but est de déterminer si la qualité de l'information d'ETP influe sur les

performances et la précision de l'estimation des paramètres du modèle. Nous analysons en détail les

impacts d'erreurs systématiques et aléatoires dans les séries d'ETP.

Dans le Chapitre 8, nous nous interrogeons sur la validité des formules d'ETP utilisées pour représenter

la demande évaporatoire à l'échelle du bassin versant. Et si le concept d'ETP, développé pour des

applications agronomiques, n'était pas adapté pour la modélisation pluie-débit ?

Dans le Chapitre 9, nous utilisons des données synthétiques pour suivre l'évolution de la sensibilité des

modèles à l'ETP au sein de leur structure, afin de déterminer les composants des modèles limitant

l'exploitation de l'information contenue dans les séries d'ETP.

Dans le Chapitre 10, nous cherchons à déterminer quelles fréquences de la série d'ETP datée sont

utiles à la modélisation du débit. Pour ce faire, nous utilisons un filtre passe-bas par transformées de

Fourier permettant d'éliminer des composantes de la série au-dessous de fréquences précises. Ces

nouvelles chroniques d'ETP filtrées ont ensuite été testées comme nouvelles entrées des modèles

pluie-débit. 17

A la lumière de ces résultats, nous avons essayé d'améliorer la prise en compte de l'ETP au sein des modèles

pluie-débit, en modifiant soit la formulation de l'ETP, soit le traitement de l'ETP par les modèles pluie-débit :

Dans le Chapitre 11, nous partons de la confrontation des formules d'ETP et proposons à partir de ces

formules une nouvelle formulation de l'ETP beaucoup plus simple que celles généralement utilisées

mais garantissant des performances de modélisation aussi bonnes, voire meilleures.

Dans le Chapitre 12, nous nous interrogeons sur les problèmes d'échelle liés à l'estimation de

l'évapotranspiration d'un bassin versant. Il existe en effet des phénomènes complexes d'interactions

entre la disponibilité de l'eau et les variables climatiques. Ces phénomènes d'interaction, mis en

évidence par Bouchet (1963), ont conduit à des modèles d'estimation d'évapotranspiration connus sous

le nom de modèles de complémentarité. Nous testons au Chapitre 12 les potentialités de ces approches

en modélisation pluie-débit.

La végétation joue un rôle essentiel dans les processus d'évapotranspiration à l'échelle de la parcelle.

Toutefois, ses impacts à l'échelle du bassin versant sont moins connus et malgré les nombreuses

recherches à ce sujet, il semble qu'i n'y ait pas de consensus sur la manière d'introduire ces

informations de végétation au sein des modèles hydrologiques. Dans le Chapitre 13, nous cherchons

donc à intégrer des indicateurs de végétation au sein de la formule d'ETP ou au sein du modèle.

18

Partie I - Evapotranspiration réelle et

évapotranspiration potentielle -

Contexte de la modélisation

pluie-débit

L'objectif de cette première partie est d'introduire le concept d'évapotranspiration potentielle et de présenter son

utilisation en modélisation pluie-débit.

L'évapotranspiration est un phénomène extrêmement complexe, faisant intervenir des paramètres

aérodynamiques, énergétiques et biologiques. Ainsi, parmi les termes du cycle de l'eau, c'est sans doute le plus

difficile à quantifier. A l'échelle qui nous intéresse, celle du bassin versant, ce phénomène n'est pas directement

mesurable et il est donc souvent représenté de manière simplifiée dans les modèles hydrologiques, notamment

dans les modèles pluie-débit. Une variable intermédiaire y est utilisée, l'évapotranspiration potentielle.

Le Chapitre 1 présente le concept d'évapotranspiration potentielle, les méthodes d'estimation et de mesure de

cette variable, et son utilisation au sein des modèles pluie-débit.

Le Chapitre 2 introduit les divers outils et approches utilisés dans le cadre de notre recherche. Les recherches

entreprises s'inscrivent dans la lignée de travaux antérieurs réalisés au Cemagref depuis une vingtaine d'années

et il nous semblait important de rappeler l'approche originale adoptée.

Au Chapitre 3, nous présentons les raisons qui nous ont poussés à travailler sur un grand nombre de bassins

versants pour évaluer la sensibilité des modèles pluie-débit à l'ETP ainsi que les caractéristiques hydro-

météorologiques de cette base de données.

Partie I - Evapotranspiration réelle et potentielle. Contexte de la modélisation pluie-débit

20

Chapitre 1

Partie I - Evapotranspiration réelle et potentielle. Contexte de la modélisation pluie-débit

22
Chapitre 1. L'Evapotranspiration Potentielle (ETP), contexte de la modélisation pluie-débit Chapitre 1 L'Evapotranspiration Potentielle (ETP) - Contexte de la modélisation pluie-débit

Equation Section 1

1.1. Introduction

Les connaissances théoriques sont relativement avancées pour l'estimation de l'évapotranspiration à l'échelle de

la parcelle

. Cependant, à l'échelle d'un bassin versant hétérogène, aucune technique ne permet d'estimer de

façon fiable l'évapotranspiration.

Le concept d'évapotranspiration potentielle (ETP) permet de représenter la demande évaporatoire de

l'atmosphère. En modélisation pluie-débit, l'ETP est souvent utilisée car, contrairement à l'évapotranspiration

réelle (ETR), son estimation ne nécessite que la connaissance de paramètres liés à l'atmosphère. Ces

paramètres sont plus homogènes à l'échelle du bassin et plus facilement mesurables que des paramètres tels

que la nature du sol et l'état hydrique du sol, dont la connaissance est nécessaire pour estimer l'ETR.

Dans ce chapitre, nous proposons une revue critique du concept d'ETP. En général, la variable ETP est obtenue

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