[PDF] Evapotranspiration réelle et évapotranspiration potentielle

Cité 83 fois — Développement et Jean-Paul Goutorbe, chercheur à Météo-France Je les remercie 



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Précipitations efficaces moyennes annuelles en France (1965

imation, à deux autres paramètres : l'évapotranspiration potentielle (ETP) et la réserve en eau 



CARTOGRAPHIE DE LÉVAPOTRANSPIRATION POTENTIELLE

Cité 3 fois — De nombreuses études dues notamment à PENMAN, THORNTHWAITE et, récemment, en FRANCE, à M





Evapotranspiration réelle et évapotranspiration potentielle

Cité 83 fois — Développement et Jean-Paul Goutorbe, chercheur à Météo-France Je les remercie 



FICHE CLIMATOLOGIQUE - Météo France, Données publiques

anspiration potentielle (ETP Penman moyenne en mm) 15 3 26 8 63 3 93 6 128 6 153 5





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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.quotesdbs_dbs6.pdfusesText_12