Généralités sur la modélisation hydrologique

Généralités sur la modélisation hydrologique

Typologie des modèles hydrologiques 

Depuis l’apparition de la modélisation hydrologique, de nombreux modèles ont été développés en fonction des objectifs recherchés, sur base de différents choix d’élaboration, menant à une multitude de modèles exploitables dont chacun est doté de champs d’application et de validité restreints.Les différences portent notamment sur les options de simulation en termes de discrétisation spatiale : les modèles sont globaux ou distribués. Et enfin, ils différent au point de vue de l’expression des phénomènes hydrologiques, liés soit à des équations empiriques, soit à des équations physiques, soit à une simplification plus ou moins poussée de ces équations physiques (approche conceptuelle). Bref, les critères de classification des modèles reposent principalement sur la représentation de l’espace, du temps et des processus décrits (Singh, 1995 Payraudeau, 2002). La figure (15) donne une classification des modèles hydrologiques en se basant sur ces critères :

Selon le degré d’abstraction

 Modèles physiques : Dont les équations ont été déduites à partir des principes de base de la physique (conservation de masse, quantité de mouvement, quantité d’énergie, …), et dont la forme finale simplifiée contient des paramètres qui ont un sens physique. Ils représentent le système à une échelle réduite.  Modèles mathématiques : Ils décrivent le processus hydrologique à l’aide des équations mathématiques qui relient les variables d’entrée et de sortie.

Selon la nature des variables:  Modèles déterministes : Dans lesquels la relation entre variables d’entrée et de sortie est phénoménologique et ne considère pas le caractère aléatoire de variable, la même entrée produit toujours la même sortie.  Modèles stochastiques (probabilistes) : Le terme stochastique est lié à la statistique et traduit le caractère aléatoire du modèle. Il permet de générer, aléatoirement, des données par des lois de distributions particulières.

Selon la discrétisation spatiale

 Modèles globaux : Le modèle global s’applique globalement sur l’ensemble d’un bassin versant (approche par bilan) qui est considéré comme entité homogène. On utilise dans ce type de modèles des valeurs représentatives moyennes. Un exemple de ce type de modèle est le modèle GR (génie rural) (CEMAGRAF) que nous allons utiliser dans notre étude. C’est un modèle à deux réservoirs, il fonctionne pour un pas de temps journalier « GR4J »  Modèles spatialisés (distribués) : Ils tiennent en compte la variabilité spatiale de processus et de variables d’entrée, ils sont plus avantageux que les modèles globaux. Un exemple de ce type de modèle que nous allons utiliser dans notre étude c’est un modèle à seul réservoir, il fonctionne pour un pas de temps horaire et journalière « Athys ». Dans le cas où les composants du système ne sont pas complètement spatialisés, on parle de modèles semi spatialisés.

Selon la discrétisation spatiale

Le processus hydrologique de transformation pluie-débit est composé d’autres sousprocessus : précipitations, interception, infiltration, … etc. Les modèles hydrologiques peuvent se classer selon la manière de décrire ces processus :
 Modèles conceptuels : le modèle conceptuel considère le bassin versant comme un assemblage de réservoirs d’humidité, interconnectés et qui sont censés de représenter plusieurs niveaux de stockages, suivant une dimension verticale. Ce modèle est basé sur la connaissance des phénomènes physiques qui agissent sur les entrées pour obtenir les sorties.  Modèles empiriques : Ils sont utilisés pour reproduire le comportement global du système sans décrire les processus élémentaires. Ils sont généralement de type boite noire. 6. Conclusion :
Il s’avère que la description des processus qui entrent en jeu dans la réponse hydrologique d’un bassin versant n’est pas une tâche aussi facile, cette description demande la connaissance et la maîtrise d’une variété de facteurs et de paramètre. Des renseignements suffisants sur ces données ne sont pas toujours disponibles pour tous les bassins versants, d’où la nécessité de s’investir d’avantage dans l’étude de détermination de ces données pour développer des modèles qui représentent au mieux la réponse hydrologique du bassin versant.

MODELISATION DE BASSIN AGUENZA SOUS LE PLATEFORME ATHYS ET GR4J

 La modélisation hydrologique est la représentation simplifiée partielle ou totale du cycle hydrologique. Cette représentation se fait grâce à un ensemble d’équations mathématiques qui sont appelées à reproduire le système. Le modélisateur introduit généralement les facteurs qui lui semblent pertinents pour minimiser l’inexactitude liée aux hypothèses simplificatrices de la modélisation. On distingue quatre types de variables qui existent en totalité ou en partie dans chaque modèle
 Variables d’entrées : Le modèle fait appel à ces variables qui dépendent du temps et/ou de l’espace (pluie, ETP, caractéristiques et hydrodynamiques du milieu, …).  Variables de sorties : Le modèle répond par un ensemble de variables (débits, …).  Variables d’état : Elles permettent de caractériser l’état du système modélisé et peuvent évoluer en fonction du temps (niveau de remplissage des réservoirs d’eau d’un bassin versant, taux de saturation des sols, profondeurs des sols, pentes, …).  Paramètres de calage : En plus des variables, la modélisation fait intervenir des variables dont la valeur doit être déterminée par calage.
Pour une meilleure gestion des ressources en eau et des quantités d’eau disponible, 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.
En hydrologie, la simulation de la transformation de la pluie en débit dans les rivières constitue un axe de recherche dynamique. Dans notre cas, nous avons utilisés les modèles « Athys » et « GR4J (Génie Rural) ».
 

Présentation du modèle hydrologique « ATHYS» 

ATHYS (Atelier Hydrologique Spatialisé) est un logiciel de transformation pluie-débit développé par l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD) à Montpellier.
Il se compose de quatre modules (figure17) :
 MERCEDES (Maillage Elémentaire Régulier Carré pour l’Etude Des Ecoulements Superficiels) : plate-forme de modélisation spatialisée pour l’étude de la transformation pluie– débit. MERCEDES est basée sur la discrétisation spatiale du bassin en mailles carrées régulières qui permet de prendre en compte la variabilité spatiale des principaux facteurs qui déterminent les écoulements. Le module MERCEDES est composé de 6 menus permettant d’implémenter une session de calcul qui sont les suivants: a. Basin versant : description du bassin versant à traiter ; b. Pluies et débits : caractéristiques hydro-pluviométriques des événements à simule ; c. Paramètres modèles : définition des modèles à utiliser ; d. Optimisation : calcul automatique des paramètres des modèles ; e. Analyse sensibilité : analyse globale des fonctions critères ; f. Fichiers en sortie : déclaration des fichiers de résultats.  VISHYR (Visualisation des données Hydrologiques) : traitement des données hydroclimatiques stationnelles intervenant dans les modèles pluie – débit spatialisés (pluies, débits, températures, évaporation, etc…) comme la visualisation, la correction, la conversion des fichiers de données,  VICAIR (Visualisation des Cartes et Images Raster) : traitement des données géographiques spatialisées intervenant dans les modèles pluie – débit (sols, reliefs, etc…) comme la visualisation, la correction, la conversion des fichiers image ou encore le traitement des MNT,  SPATIAL : plate-forme d’interpolation spatiale.
L’intérêt principal de ce logiciel en libre accès réside dans la possibilité de spatialiser la transformation pluie-débit. En effet, le modèle utilise pour entrant un modèle numérique de terrain (MNT) qui permet de calculer des apports au ruissellement maille par maille (généralement les mailles couvrent 10 000 m2). Ce principe est combiné à une spatialisation des données de pluies, qui permet sur de grands bassins versants de tenir compte de la variation spatiale des intensités de pluies.
Le modèle est conçu pour travailler soit en mode continu à l’aide d’une chronique de pluies soit en mode événementiel à partir d’une pluie unique de projet ou réelle.
 Modèles de calcul 
Le débit généré pour un événement pluvieux (transformation pluie-débit) est calculé en trois étapes
 Pour chaque maille, le modèle de production permet d’estimer la quantité de pluie qui va contribuer au ruissellement.
 Le modèle de transfert calcule l’hydrogramme produit par chaque maille à l’exutoire du bassin versant. Ce calcul est réalisé à partir du résultat obtenu en appliquant la fonction de production.  Les apports de chaque maille sont sommés pour obtenir le débit à l’exutoire

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : présentation de la zone d’étude
1. Localisation
2. Géologie
3. Relief
4. Occupation des terres et végétation
4.1 – Domaines des terres agricoles
4.2 – Domaines forestier
5. Contexte Climatologique de la zone d’étude
.1. Pluviométrie
5.2 – Température et évaporation
5.3. Vent
5.4 – Humidité
6. Hydrologie
7. Conclusion
Chapitre II : généralités sur la modélisation hydrologique
1. Objectif de la modélisation
2. Intérêts du modèle Pluie-débit
3. Choix d’un modèle
4. Etape d’élaboration d’un modèle
5. Typologie des modèles hydrologiques
5.1. Selon le degré d’abstraction
5.2. Selon la nature des variables
5.3. Selon la discrétisation spatiale
5.4. Selon la discrétisation spatiale
6. Conclusion
Chapitre III : MODELISATION DE BASSIN AGUENZA SOUS LE PLATEFORME ATHYS ET GR4J
1. Modélisation pluies-débits « ATHYS »
1.1. Présentation du modèle hydrologique « ATHYS»
1.1.1 Généralité
2.2.2. Modèles de calcul
2.2.3. Présentation détaillé du modèle SCS –LR
1.2. Traitement des données
1.2.1. Traitement des données géographiques
1.2.2. Traitement des données météorologiques
1.3. Modélisation en mode événementiel des crues
1.3.1. Calage et discussion des résultats
1.3.2. Evaluation du modèle
1.3.3. Validation du modèle
1.4. Modélisation en mode continu
1.4.1. Calibration et calage de modèle
1.4.2. Evaluation de qualité du modèle
1.4.3. Validation du modèle
2. Modélisation hydrologique « GR4J »
2.1. Généralité sur les modèles GR
2.1.1. Objectifs de développement
2.1.2. Mode de développement
2.1.3. Principales caractéristiques
2.2. Description du modèle pluie-débit journalière GR4J
2.2.1. Généralité
2.2.2. Description mathématique du modèle
2.2.3. Calage du modèle et discussion des résultats
2.2.4. Validation du modèle
3. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE

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