Les algorithmes d’apprentissage

Les algorithmes d’apprentissage

Introduction:

La connaissance des régimes d’écoulement des eaux superficielles et souterraines est d’une importance primordial, notamment sur l’exploitation et la gestion de ces eaux. Elle est basée certainement sur l’analyse de différentes composantes du bilan hydrologique, tant dans des conditions météorologiques exceptionnelles que dans des conditions normales. Pour cette fin, il est nécessaire de quantifier et d’estimer tous les paramètres qui interviennent dans le processus hydrologique ; L’interprétation de ces paramètres nous permettra également de bien cerner les variations des apports superficiels et des recharges souterraines.
L’étude est subdivisée en deux parties ; la première concerne l’étude du climat où on s’intéresse à l’identification du climat de la zone d’étude à partir de différents agents climatiques (précipitation, température, humidité, vents,…), et la deuxième englobe l’étude de variations des termes du bilan d’eau d’une part et les régimes des cours d’eau d’autre part.

Climatologie :

Les conditions météorologiques influent beaucoup sur le fonctionnement du régime hydrique. La connaissance de ces conditions (précipitation, température, insolation, humidité, évaporation, vents,…) nous permettra également de connaître la situation du climat de la zone qui nous occupe.
L’analyse de facteurs climatologiques basée essentiellement sur les données issues des stations météorologiques de Belkhir à Guelma pour le bassin versant de l’oued Bouhamdane et les Salines à Annaba pour le bassin versant de l’oued Ressoul, qui sont les plus proches des deux bassins étudiés. Les séries utilisées correspondent aux longues périodes d’observation allant de 1987 jusqu’à 2017 pour la station de Guelma et entre 1989 et 2017 pour celle d’Annaba, leurs données ont été acquises auprès de l’Office National de la Météorologie (ONM

Variation mensuelle de l’écoulement :

La variation du régime d’écoulement d’un cours d’eau à l’échelle mensuelle est définie par son coefficient d’hydraulicité ( ), qui représente le rapport entre le débit moyen mensuel du mois considéré au débit moyen interannuel obtenu après le traitement de la longue série d’observation. En effet, la période de hautes eaux se caractérise par une hydraulicité supérieure au seuil de référence (1), et contrairement pour la période de basses eaux le coefficient d’hydraulicité est inférieur à la valeur 1.
L’analyse de la répartition du coefficient d’hydraulicité mensuel le long de l’année, nous a permis de définir la période de Décembre à Avril comme étant une période de hautes eaux en raison de l’importance des précipitations tombées dans cette dernière (figure II.18). Les débits moyens mensuels durant cette période varient de 4,02 à 7,13 m3/s pour la station hydrométrique de Medjez Amar II, et entre 0,58 et 1,23 m3/s à la station de Ain Berda où Février est le mois le plus humide.

Synthèse :

De l’étude hydroclimatologique de la région qui nous occupe, on peut tirer les points suivants :

•   Le régime climatique de la zone étudiée est à dominance méditerranéenne avec un été sec et chaud et un hiver humide et frais. Sur l’ensemble du bassin versant de l’oued Bouhamdane, les précipitations moyennes annuelles obtenues par interpolation des isohyètes durant la période 1921-1989 varient entre 433 et 728 mm, avec une moyenne de 572 mm et sur l’ensemble du bassin versant de l’oued Ressoul elles varient de 620 à 714 mm, avec une moyenne de l’ordre de 681 mm ;
•  Les analyses statistiques des séries chronologiques des précipitations mesurées aux stations climatologiques, ont permis de déduire que la précipitation moyenne à la station de Guelma est de l’ordre de 598 mm/an avec un faible coefficient de variation ( ) qui ne dépasse pas 25 %, tandis que la station de Annaba présente une valeur de 650 mm/an, avec une très faible variabilité de précipitations annuelles soit seulement 18,6 % de ;
•  Les mois les plus pluvieux sont Janvier, Novembre et Décembre avec un taux de l’ordre de 40 % pour la station de Guelma et de 45 % pour celle d’Annaba. Alors que, les mois de Juin, Juillet et Août présentent les mois les plus secs de l’année, avec des précipitations insignifiantes soit un total de ces trois mois d’environ 35 mm dans les deux stations ;
•  On notera que l’année 2003 a été la plus pluvieuse dans la station de Guelma avec un cumul de 940 mm, et l’année la moins arrosée a été observée en 2008 avec un total de l’ordre de 382 mm. Au niveau de la station d’Annaba la pluviométrie moyenne peut atteindre 888 mm en 2009 et la plus faible pluie (440 mm) a été enregistrée en 2008 ;
•  En ce qui concerne le régime thermique, les températures moyennes mensuelles varient entre 9,7 et 27,4 °C à la station de Guelma avec une moyenne interannuelle de 18,01 °C, et entre 11,3 et 26 °C à Annaba avec une moyenne de l’ordre de 17,95 °C ;
•  L’analyse du diagramme ombro-thermique de Gaussen nous a conduit à distinguer deux différentes périodes, une sèche dont la durée varie souvent de Mai à Septembre et l’autre humide plus longue que la précédente s’étendant sur le reste de l’année ;
• La vitesse moyenne du vent est relativement faible, elle est de l’ordre de 1,8 m/s à la station de Guelma et de 3,6 m/s à celle d’Annaba, elle varie modérément de 1,5 à 2 m/s et de 3,3 à 4,1 m/s respectivement aux deux stations précédentes. Le Sirocco souffle d’environ 17 jours par an avec une vitesse plus souvent variable d’une classe moyenne à forte ;
•  Sur la base de l’indice annuel de DE-MARTONNE qui reflète le degré d’aridité d’une région donnée, les deux stations présentent des valeurs compris entre 20 et 30 ce qui indique un climat suffisamment tempéré pour les deux stations ;

Facteur des pratiques antiérosives (P) :

Le facteur des pratiques antiérosives (P) reflète les techniques culturales utilisées (modes de gestion des terres tel que ; le mode de labour et le sens des cultures) et les actions de conservation des sols (La végétalisation des versants), qui réduisent le volume et la vitesse de l’eau ruisselée et favorisent l’infiltration par la modification de l’état structural du sol, ce qui réduit l’impact érosif.
Le facteur (P) a été déterminé dans le bassin versant de l’oued Bouhamdane, en se basant sur les travaux de WISCHMEIER et SMITH (1965 et 1978), dans lesquels les valeurs du facteur P varient en fonction des combinaisons des classes de pentes et des aménagements agricoles existants. Ces derniers ont été identifiés à l’aide de la carte d’affectation des terres et l’interprétation visuelle des photographies aériennes.

Les algorithmes d’apprentissage :

Les algorithmes d’apprentissage automatique permettent aux machines de s’entrainer sur une base de données connue formée des couples d’entrée et de sortie, par l’application des analyses statistiques entre eux sous une couche cachée ; et ce, pour minimiser l’erreur dans cette phase jusqu’à ce que le modèle devient plus précis. Il existe plusieurs algorithmes d’apprentissage, parmi ces algorithmes on peut citer :

Algorithme de Levenberg-Marquardt (LM) :

L’algorithme de Levenberg-Marquardt (LM) est une solution numérique pour la minimisation des erreurs dans la modélisation des problèmes non-linéaires. L’algorithme LM a été développé par LEVENBERG KENNETH et MARQUARDT DONALD en 1963 (WILAMOWSKI et YU 2010). La conception de l’algorithme permet d’approcher une vitesse d’entraînement de second ordre sans calculer la matrice de HESSE (HAGAN et MENHAJ 1994).

Algorithme par descente de gradient (GD) :

L’algorithme par descente de gradient (gradient descent algorithm) développé par RUMELHART et al. en 1986, est une méthode qui sert à minimiser la somme des carrés des erreurs dans la détermination des poids et des valeurs biaisées de la fonction de performance qui décroît le plus rapidement (RUMELHART et al. 1986, DAO et VEMURI 2002).

Algorithme de gradient conjugué (CG) :

L’algorithme de gradient conjugué (CG) peut être décrit comme une méthode intermédiaire entre deux algorithmes très connus; la descente de gradient et la méthode de newton. Les poids dans l’algorithme de rétro-propagation sont ajustés suivant la direction de descente la plus raide, c’est à dire, là où la fonction de performance diminue le plus rapidement. Il est à noter que cette direction n’est pas forcément la direction de la convergence la plus rapide. Les informations de matrice de Hesse associées au stockage d’évaluation et à l’inversion ne sont pas appliquées dans cette méthode.

Table des matières
Résumé
Abstract
Dédicaces
Remerciements
Sommaire
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
1. Contexte et problématique
2. Objectifs de l’étude
3. Plan de la thèse
Chapitre I: Présentation générale de la zone d’étude.
I-1 Situation géographique
I-1.1 Bassin versant de l’oued Bouhamdane
I-1.2 Bassin versant de l’oued Ressoul
I-2 Description du milieu physique
I-2.1 Courbes hypsométriques
I-2.2 Altitudes caractéristiques
a. Altitude minimale
b. Altitude à 95% de surface
c. Altitude médiane
d. Altitude à 5% de surface
e. Altitude maximale
f. Altitude moyenne
I-2.3 Intégrale hypsométriques
I-3 Les indices morphologiques
I-3.1 Indice de compacité de Gravelius
I-3.2 Rectangle équivalent
a. Longueur du rectangle équivalent
b. Largeur du rectangle équivalent
I-3.3 La dénivelée
I-3.4 Indice de pente de Roche
I-3.5 Indice de pente global
I-3.6 Dénivelée spécifique
I-4 Caractéristiques physiographiques
I-4.1 Densité de drainage
I-4.2 Fréquence des talwegs élémentaires
I-4.3 Coefficient de torrentialité
I-4.4 Rapport de confluence des talwegs
I-4.5 Rapport des longueurs des talwegs
I-4.6 Temps de concentration du bassin versant
I-4.7 Vitesse d’écoulement
I-5 Pentes
I-5.1 Pentes du bassin versant de l’oued Bouhamdane
I-5.2 Pentes du bassin versant de l’oued Ressoul
I-6 Lithologie
I-6.1 Lithologie du bassin versant de l’oued Bouhamdane
I-6.2 Lithologie du bassin versant de l’oued Ressoul
I-7 Occupation des sols
I-8 Synthèse des caractéristiques des deux bassins étudiés
Chapitre II: Hydroclimatologie.
II-1 Introduction
II-2 Climatologie
II-2.1 Précipitation
a. Précipitations moyennes mensuelles
b. Précipitations moyennes saisonnières
c. Précipitations moyennes annuelles
d. Variabilité interannuelle des précipitations
II-2.2 Température
II-2.3 Diagramme ombro-thermique de Gaussen
II-2.4 Humidité relative de l’air
II-2.5 Vent
II-2.6 Indice d’aridité de DE-MARTONNE
a. Indice d’aridité annuel
b. Indice d’aridité mensuel
II-2.7 Etages bioclimatiques
II-2.8 Indice d’EMBERGER
II-3 Bilan hydrologique
II-3.1 Evapotranspiration
a. Evapotranspiration potentielle
b. Evapotranspiration réelle
II-3.2 Ruissellement
II-3.3 Interprétation des résultats du bilan hydrique
II-4 Régime d’écoulement aux stations hydrométriques
II-4.1 Variation mensuelle de l’écoulement
II-4.2 Variation interannuelle de l’écoulement
II-5 Synthèse
Chapitre III: Quantification et Cartographie des zones à risque d’érosion hydrique par l’utilisation du modèle RUSLE sous SIG : application au bassin versant de l’oued Bouhamdane.
III-1 Introduction
III-2 Méthodologie
III-2.1 Facteur d’érosivité des pluies
III-2.2 Facteur topographique
III-2.3 Facteur d’érodibilité du sol
III-2.4 Facteur du couvert végétal
III-2.5 Facteur des pratiques antiérosives
III-3 Résultats et discussions
III-3.1 Facteur R
III-3.2 Facteur LS
III-3.3 Facteur K
III-3.4 Facteur C
III-3.5 Facteur P
III-3.6 RUSLE
III-3.7 Envasement du barrage Hammam Debagh
III-4 Synthèse
Chapitre IV: Prédiction des transports solides à l’aide des réseaux de neurones artificiels ‘RNA’ : application au bassin versant de l’oued Ressoul.
IV-1 Introduction
IV-2 Méthodologie
IV-2.1 Utilisation des données
IV-2.2 Matrice de corrélation
IV-2.3 Normalisation de données
IV-2.4 Structure du réseau de neurones
IV-2.5 Les algorithmes d’apprentissage
a. Algorithme de Levenberg-Marquardt
b. Algorithme par descente de gradient
c. Algorithme de gradient conjugué
d. Algorithme de Quasi-Newton
IV-2.6 Evaluation statistique
a. Critère de Nash-Sutcliffe
b. Erreur moyenne quadratique
IV-3 Résultats et discussion
IV-3.1 RNRP avec l’algorithme LM
IV-3.2 RNRP avec l’algorithme BFGS
IV-3.3 Amélioration de l’erreur par l’algorithme BFGS
IV-3.4 Estimation des apports solides
IV-4 Synthèse
Conclusion générale
Perspectives
Références bibliographiques Annexes

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