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Tous droits r€serv€s Revue des sciences de l'eau, 2019 (including reproduction) is subject to its terms and conditions, which can be viewed online. Universit€ Laval, and the Universit€ du Qu€bec " Montr€al. Its mission is to promote and disseminate research.

https://www.erudit.org/en/Document generated on 09/27/2023 12:29 a.m.Revue des sciences de l€eauJournal of Water Science

sous-produits du bilan hydrologique : cas du bassin versant de Abdelkader Otmane, Kamila Baba Hamed and Abderrazak Bouanani

Volume 32, Number 2, 2019URI: https://id.erudit.org/iderudit/1065203arDOI: https://doi.org/10.7202/1065203arSee table of contentsPublisher(s)Universit€ du Qu€bec - INRS-Eau, Terre et Environnement (INRS-ETE)ISSN1718-8598 (digital)Explore this journalCite this article

Otmane, A., Baba Hamed, K. & Bouanani, A. (2019). Apport de la variabilit€ spatiale des caract€ristiques physiques du bassin versant dans la mod€lisation hydrologique et les sous-produits du bilan hydrologique : cas du bassin versant de l'aval Mekerra, Alg€rie. Revue des sciences de l€eau / Journal of Water Science 32
(2), 117...144. https://doi.org/10.7202/1065203ar

Article abstract

Technological advances in the acquisition of spatial data offer the possibility of taking into account the spatial distribution of the watershed physical characteristics in hydrological modelling. In order to do this, we have chosen to compare the performances of a semi-distributed hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) and a global reservoir model GR4J (Rural engineering model with four daily parameters) in the Lower Mekerra watershed. For these two models, rain and temperature data are the same, the difference is how they consider the various processes of the hydrological cycle in interaction with the physical characteristics of the basin. The semi-distributed approach seems to give slightly better results than the global approach for the case study. This is probably due to the spatialization of the physical characteristics of the watershed as well as to a better representation of the hydrological transfer function in the SWAT model. This study highlights the interest of remote sensing and geographic information system (GIS) in the ease of introducing the physical characteristics of the basin for optimal use of model capacity. Moreover, the results found show the interest of using the SWAT model without claiming its superiority because it can offer convincing results for some cases like our basin and be less efficient for others.

APPORT DE LA VARIABILITÉ SPATIALE DES

CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES DU BASSIN VERSANT DANS LA MODÉLISATION HYDROLOGIQUE ET LES SOUS?PRODUITS

DU BILAN HYDROLOGIQUE : CAS DU BASSIN VERSANT DE

L'AVAL MEKERRA, ALGÉRIE

Contribution of the spatial variability of basin physical characteristics in hydrological rainfall-runoff modeling and by-products of hydrological

balance: Case of Lower Mekerra watershed, Algeria OTMANE 1,2* , BABA HAMED 2

BOUANANI

2 1

Centre des Techniques Spatiales, Département de l'Observation de la Terre, 1 avenue de la Palestine, BP 13, 31200, Arzew,

Oran, Algérie

2

Laboratoire Promotion des Ressources hydriques, minières et pédologiques, Législation de l'Environnement et Choix

technologique, Département d'Hydraulique, Faculté de Technologie, Université de Tlemcen, BP 230, 13000 Tlemcen, Algérie

fr-CAReçu le 10 décembre 2018, accepté le 5 février 2019 Revue des Sciences de l'Eau 32(2) (2019) 117-144ISSN : 1718-8598

Auteur pour correspondance :

Téléphone : 213 06 59 25 33 61

fr-CACourriel : otmanekadeur@outlook.fr

RÉSUMÉ

Les avancées technologiques en matière d'acquisition de données spatialisées o?rent la possibilité de prendre en compte la répartition spatiale des caractéristiques physiques du bassin versant dans la modélisation hydrologique. Cet article présente une étude comparative des performances entre un modèle

hydrologique semi-distribué à base physique SWAT (Soil and Water Assessment Tool) et un modèle global à réservoirs GR4J

(Génie rural à quatre paramètres journaliers) appliqués au bassin versant de l'aval Mekerra. Pour ces deux modèles, les données de pluie et de la température sont similaires, la seule di?érence est la façon de considérer les di?érents processus du cycle hydrologique en interaction avec les caractéristiques physiques du bassin. L'approche semi-distribuée semble

donner des résultats légèrement meilleurs que l'approche globale sur le cas d'étude. Ceci est dû vraisemblablement à

la spatialisation des caractéristiques physiques du bassin versant ainsi qu'à une meilleure représentation de la fonction de transfert du processus hydrologique du modèle SWAT. Cette étude met en évidence l'intérêt de la télédétection et du système d'information géographique (SIG) dans la facilité de l'introduction des caractéristiques physiques du bassin pour

une utilisation optimale de la capacité du modèle. De plus, les résultats trouvés montrent l'intérêt d'utilisation du modèle

SWAT sans pour autant prétendre à sa supériorité, car il peut o?rir des résultats probants dans certains cas comme notre bassin et être moins performant dans d'autres. Mots-clés : modèle hydrologique, répartition spatiale, SWAT, GR4J, aval Mekerra, SIG, télédétection. Performance et validité du modèle SWAT par rapport à GR4J 118

ABSTRACT

Technological advances in the acquisition of spatial data o?er the possibility of taking into account the spatial distribution of the watershed physical characteristics in hydrological modelling. In order to do this, we have chosen to compare the performances of a semi-distributed hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) and a global reservoir model GR4J (Rural engineering model with four daily parameters) in the Lower Mekerra watershed. For these two models, rain and temperature data are the same, the di?erence is how they consider the various processes of the hydrological cycle in interaction with the physical characteristics of the basin. ?e semi-distributed approach seems to give slightly better results than the global approach for the case study. ?is is probably due to the spatialization of the physical characteristics of the watershed as well as to a better representation of the hydrological transfer function in the SWAT model. ?is study highlights the interest of remote sensing and geographic information system (GIS) in the ease of introducing the physical characteristics of the basin for optimal use of model capacity. Moreover, the results found show the interest of using the SWAT model without claiming its superiority because it can o?er convincing results for some cases like our basin and be less e?cient for others. Key words: hydrological model, spatial distribution, SWAT,

GR4J, Lower Mekerra, GIS, remote sensing.

1. INTRODUCTION

Pour une meilleure gestion des ressources en eau et des quantités d'eau disponibles, il est nécessaire de transformer les données pluviométriques en données hydrométriques. D'où l'intérêt de la modélisation pluie-débit basée sur l'utilisation de modèles simulant la réalité. Parmi les paramètres qui entrent en jeu lors de la modélisation hydrologique, les caractéristiques physiques du bassin (pente, occupation du sol, pédologie, etc.), ainsi que leurs hétérogénéités spatiales font l'objet d'une classi?cation des modèles (approche globale et semi- distribuée). Elles conditionnent largement la performance du modèle, de même que la représentation spatiale des di?érents processus qui décrivent le bilan hydrologique dans le bassin (ruissellement, recharge, évapotranspiration, capacité de rétention, etc.) (BAUDEZ et al., 1999). En termes de performance, la comparaison des approches globale et semi-distribuée en modélisation pluie-débit est une problématique qui s'est fortement développée depuis longtemps (WENDING, 1992). L'ensemble des recherches scienti?ques dans ce sens donne une image relativement complexe. Certaines d'entre elles a?rment clairement le béné?ce que l'on peut avoir à utiliser l'approche semi-distribuée (MICHAUD et SOROSHIAN, 1994; KRYSANOVA et al., 1999; BOYLE et al., 2001). Par contre, les travaux de DIERMANSE (1999), et KOKKONEN et JAKEMAN (2001) présentent des conclusions allant en sens inverse. La synthèse de ces recherches nous montre que plus le bassin est grand, plus l'approche semi-distribuée sera avantageuse. Ainsi, la semi-distribution des paramètres est, en moyenne, plus avantageuse pour des bassins qui présentent des indices de réponse élevés (KITE et KOUWEN, 1992). En e?et, l'approche semi-distribuée n'est donc pas systématiquement synonyme d'améliorations. Tout dépend des cas étudiés et des modèles choisis. Par ailleurs, la plupart des études se concentrent uniquement sur un type de modèle, un type de bassin de taille bien dé?nie et prennent en compte très peu de critères d'hétérogénéités. Nous pouvons donc considérer que chaque étude présente un cas particulier. Dans cette perspective, notre étude fait l'objet d'une comparaison des performances entre deux modèles di?érents : GR4J qui considère le bassin versant comme une seule entité et SWAT qui peut le subdiviser en surfaces élémentaires homogènes. Ainsi, dans ce travail nous ne cherchons pas seulement à reproduire au mieux un hydrogramme, mais surtout à reproduire de la façon la plus réaliste possible les di?érentes composantes du bilan hydrologique, particulièrement dans un bassin versant présentant une réelle di?culté liée essentiellement au manque d'information spatiale sur les précipitations. Les dernières recherches menées dans la comparaison entre SWAT et GR4J donnent des résultats di?érents. VELAZQUEZ et al. (2015) favorisent le modèle SWAT. Par contre, SIMONNEAUX et al. (2008), GABORIT et al. (2010) et TRUDEL et al. (2017), montrent que l'incertitude est plus élevée pour SWAT que pour GR4J. Par ailleurs, BRULEBOIS et al. (2018), mettent en évidence la robustesse des deux modèles. Généralement, la synthèse de ces recherches montre que le modèle GR4J donne de meilleurs résultats dans les petits bassins versants pour reproduire le débit observé dans le domaine temporel, alors que le modèle SWAT est plus performant pour le cas de plus grands bassins versants. Cette constatation indique que les modèles semi-distribués sont particulièrement applicables pour les bassins hydrographiques complexes en raison de leur hétérogénéité physique (TEGEGNE et al.,

2017).

Cette problématique se traduit-elle au niveau de la structure interne du modèle, de la discrétisation spatiale des caractéristiques physiques du bassin, ou encore de la nature du processus hydrologique représenté? A. OTMANE et al. / Revue des Sciences de l'Eau 32(2) (2019) 117-144 119

2. PRÉSENTATION DE LA ZONE

D'ÉTUDE

Le bassin versant de la Macta, situé au nord-ouest de l'Algérie (Figure 1a), couvre une super?cie de 14 389 km 2 . Il se subdivise en 16 sous-bassins versants dont le sous-bassin de l'aval Mekerra qui représente la partie septentrionale de l'oued Mekerra (Mekerra amont, moyen et aval) (Figure 1b) et où la ville de Sidi Bel Abbès est implantée dans la partie aval constituant ainsi son exutoire (Figure 1c). Notre étude porte sur le sous-bassin versant de l'aval Mekerra qui se situe entre les latitudes Nord 34°53' et 35°22' et les longitudes Ouest 0°94' et 0°22' (Figure 1c). Il couvre une super?cie de 1 093 km 2 . Géographiquement, la région d'étude est limitée par les monts de Tessala au nord, le massif tabulaire de Tlemcen et Saïda au sud, le bassin de l'oued Isser à l'ouest et les Monts de Béni Chougrane et Bouhani?a à l'est. Du point de vue climatique, l'Algérie a un climat méditerranéen, caractérisé par une saison sèche et chaude coïncidant avec la saison estivale et une saison froide, pluvieuse correspondant à la saison hivernale (OTMANE et al., 2018). Par ailleurs, dans notre région d'étude on peut distinguer un climat de montagne pluvieux, froid à amplitude thermique relativement faible et un climat de plaines plus sec relativement chaud et à forts écarts thermiques (KHALDI, 2005).

3. CARACTÉRISTIQUES

MORPHOMÉTRIQUES

Pour bien mener l'étude morphométrique, nous avons utilisé un modèle numérique de terrain ASTER (Advanced Spaceborne ?ermal Emission and Re?ection Radiometer) d'une résolution spatiale de 30 m (Figure 2a) qui a permis de créer des cartes thématiques au moyen d'un SIG (ArcGIS

10.1). Le code de calcul nous a permis de déterminer la pente

(Figure 2b), le réseau hydrographique (Figure 2c) et les limites du bassin versant et des sous-bassins versants (Figure 2d). La discrétisation spatiale du bassin de l'aval Mekerra a donné 54 sous-bassins (Annexes 1-4). L'oued Mekerra sillonne le bassin de l'aval Mekerra du sud au nord sur une distance d'environ 34 km, avec un réseau hydrographique embryonnaire constitué par de nombreux a?uents, représentés fréquemment par des cours d'eau temporaires. L'oued est alimenté par des précipitations et par des sources naturelles (a?eurements de la nappe) dont la plus importante est Ain-Skhouna (Figure 2c). La caractéristique de forme la plus utilisée est le coe?cient de Gravelius K c (BENDJOUDI et HUBERT, 2002). Il se dé?nit comme le rapport entre le périmètre du bassin versant (P) et la surface (A) (Équation 1) (appelée aussi coe?cient de compacité) : K P A c

028226,, (1)

Selon le coe?cient de Gravelius, le bassin versant de l'aval Mekerra est de forme allongée orientée sud-ouest/nord-est (K c

2,26), il implique un temps de concentration lent (CHERIF

et al., 2009). D'une façon générale, plus le coe?cient de compacité est petit, plus le temps de concentration est court, et par conséquent un débit de surface important. En ce sens, la comparaison des sous-bassins versants entre eux en termes de coe?cient de compacité montre que les sous-bassins de Sidi Bel Abbès (1, 2 et 5), Sidi Khaled (28) et Lamtar (40) (Annexes 1-3) présentent un temps de concentration relativement court (Figure 2e), traduisant ainsi la formation de crues violentes correspondant à des évènements pluvieux intenses dans ces endroits, provoquant par conséquent des inondations dans les plaines environnantes. 3.1

Pédologie

La carte pédologique de l'aval Mekerra (Figure 2f) est réalisée sur la base de 138 pro?ls pédologiques et analyse s physicochimiques représentatifs. Le choix des pro?ls est basé sur des zones homogènes établies par une superposition de couches d'informations (pente, géologie, altitude) (FARAOUN et BENABDELI, 2010; BOUZIDI et al., 2012). Aussi, pour chaque type de sol et pour chaque horizon, nous reprenons plusieurs paramètres. Dans certains cas où nous ne disposions pas de valeurs mesurées, nous étions amenés à les estimer. ArcSWAT possède une base de données des caractéristiques d'un nombre important de sols aux États- Unis avec lesquels nous avons comparé les sols de notre bassin en termes de pourcentage en masse de sable, limon et argile qui caractérisent le sol. La densité apparente humide est calculée par l'équation 2 (WINCHELL et al., 2010) : SOL BD aa s

1 (2)

où ȡ a est la densité apparente du sol. Celle-ci est calculée en considérant les densités apparentes d'un sol sableux (1,5 g∙cm 3 limoneux (1,3 g∙cm -3 ) et argileux (1,1 g∙cm -3 ) et en pondérant ces densités apparentes par le pourcentage en masse de chacun des trois composants. ȡ s est la densité réelle moyenne du sol (2,65 g∙cm -3 Performance et validité du modèle SWAT par rapport à GR4J 120

Figure 1.

Situation géographique de la zone d'étude : a) bassins versants Algériens, b) sous-bassins de la Macta et c) sous-bassin de l'aval Mekerra.

Study area location: a) Algerians watersheds, b) Macta sub-basins, and c) Lower Mekerra sub-basin. La conductivité hydraulique à saturation s'exprime selon l'équation 3 (WINCHELL et al., 2010) : KCS sat =----2062096066046843,,ln,ln,ln,MOSOL BD (3) où C est le pourcentage d'argile contenu dans la couche; S est le pourcentage de limon contenu dans la couche; MO est le pourcentage de matière organique dans la couche; SOL BD est la densité apparente humide calculée par l'équation 2. 3.2

Occupation du sol

La carte d'occupation du sol (Figure 2h) a été réalisée à l'aide du logiciel ENVI 5, à partir de données spatiales issues du capteur Landsat 8, le 14 mars 2016 (Figure 2g). Selon notre problématique, nous avons utilisé deux canaux du domaine visible : bande 2 (bleu) et bande 3 (vert) dont le domaine spectral est respectivement 0,452-0,512 µm et 0,525-0,600 µm, ainsi que l'infrarouge bande 5 (0,851-0,879 µm) (BANNARI et al.,

2004).

A. OTMANE et al. / Revue des Sciences de l'Eau 32(2) (2019) 117-144 121

Figure 2.

Caractéristiques physiques du bassin : a) modèle numérique du t errain, b) carte des pentes, c) réseau hydrographique et sources, d) carte des sous-bassins, e) carte de l'indice de compacité, f) carte des sols.

Basin physical characteristics: a) digital elevation model, b) slope map, c) hydrographic network and sources, d) sub-basins, e) compactness

index, f) soil map. Performance et validité du modèle SWAT par rapport à GR4J 122
(AGRL)

Figure 2. (suite)

Caractéristiques physiques du bassin : g) image satellitaire et h) carte d'occupation du sol. (continued) Basin physical characteristics: g) satellite image, and h) land cover map.

4. MODÈLES

4.1

Modèle SWAT

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) est un modèle hydrologique semi-distribué à base physique, conçu et développé par les chercheurs de l'USDA (United States Department of Agriculture) (ARNOLD et al., 1993; ARNOLD et al., 1998). L'aspect physique du modèle permet de reproduire les processus qui ont réellement lieu dans l'environnement, à l'aide de nombreuses et parfois complexes équations (NEITSCH et al.,

2005; ARNOLD et al., 2012). Ce modèle est continu dans le

temps, il est conçu pour faire des simulations sur de longues périodes (PAYRAUDEAU, 2002). Le modèle analyse le bassin versant dans toute sa globalité ou en le subdivisant en sous-bassins versants contenant des portions homogènes appelées unités de réponse hydrologiques (URH). Cependant, chaque URH se caractérise par une occupation du sol unique, un type de sol et de sous-sol uniques et une topographie moyenne. La classi?cation des URH du bassin de l'aval Mekerra est décrite dans les annexes 1-4. SWAT permet d'avoir accès aux di?érentes variables du bilan hydrologique à l'échelle de l'URH pour chaque pas de temps (journalier, mensuel et annuel), ou de manière générale sur toute la période de simulation (Équation 4) (NEITSCH et al., 2001) : SWSW t in daysurfaseepgwi

RQEWQ=+----

∑0 1 (4) où SW t : contenu en eau du sol (mm), SW 0 : eau disponible pour les plantes au temps 0 (mm), R day : précipitation (mm), Q surf : ruissellement de surface (mm), E a : évapotranspiration (mm), W seep : percolation (mm), Q gw : débit d'étiage (mm). Ce modèle a été validé sur de nombreux bassins versants dans le monde, de tailles di?érentes et dans des contextes géologiques et climatiques variés (MANGUERRA et ENGEL,

1998; SRINIVASAN et al., 1998; SALEH et al., 2000;

SOPHOCLEOUS et PERKINS, 2000; VACHE et al., 2002;

TRIPATHI et al., 2003; LAURENT et al., 2007). Aussi, la performance du modèle SWAT a fait l'objet de plusieurs travaux en Algérie (YEBDRI et al., 2007; MENDAS et al.,

2008; ZETTAM et al., 2017; HALLOUZ et al., 2018).

4.2

Modèle GR4J

Le modèle GR4J fait partie des modèles GR (Génie rural) conçus depuis 1983 au Cemagref (Centre national du machinisme agricole, du génie rural, des eaux et des forêts), actuellement l'IRSTEA (Institut de recherche en science et technologie pour l'environnement et l'agriculture). Il s'agit d'un modèle global conceptuel à réservoirs. Ce modèle a connu plusieurs versions, proposées successivement par EDIJATNO et al. (1999), PERRIN (2000), PERRIN (2002), MOUELHI (2003) et PERRIN et al. (2003) qui ont permis d'améliorer progressivement la performance du modèle. C'est la version de PERRIN et al. (2003) qui est présentée et utilisée dans cet article. Le modèle GR4J possédant quatre paramètres à caler fonctionne au pas de temps journalier. Ces paramètres sont représentés par : X 1 : capacité du réservoir de production (mm), X 2 : coe?cient d'échanges souterrains, X 3 : capacité à A. OTMANE et al. / Revue des Sciences de l'Eau 32(2) (2019) 117-144 123
un jour du réservoir de routage (mm) et X 4 : temps de base de l'hydrogramme unitaire HU1 (jour). Ce modèle est facile à con?gurer et à mettre en place. Aussi, il a été déjà utilisé dans le contexte algérien dans plusieurs études qui ont démontré son adaptabilité au contexte climatique semi-aride (BOUANANI et al., 2010; MEDANE,

2012; OTMANE et al., 2016; GHERISSI et al., 2017;

OTMANE et al., 2017).

5. MÉTHODOLOGIE

5.1

Critère de qualité

La validité du modèle est véri?ée par une comparaison des débits calculés (Q cal ) et observés (Q obs ) à travers le critère le plus utilisé pour les modèles hydrologiques : le critère de Nash (NASH et SUTCLIFFE, 1970) qui s'exprime par l'équation 5 :

Nash=--

1001
2 2 in iobsical i n iobsiobs QQ QQ (5)quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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