(trad auto)The surface watershed as seen from the underground: a way to improve the performance and realism of rain-flow models?
Le bassin versant de surface vu par le souterrain : une voie d'amélioration des performances et du réalisme des modèles pluie-débit ?
Résumé
For years, surface hydrologists have been assuming (at least implicitely) a three-term water balance equation as the basis of their models. This equation used to involve rainfall, evapotranspiration, and discharge, the variation in catchment moisture storage being eventually neglected for large time steps. The asumption lying behind this is that deep infiltrations that by-pass the outlet of the topographic catchment are of negligible quantity. In this thesis, we tried to question this usually overlooked hypothesis. Indeed, hydrological models often have the ability to adjust the water balance due to their numerous degrees of freedom: a deficit in runoff can typically be dealt with by increasing the evapotranspiration rate,which is just as difficult tomeasure as a groundwater seepage. Previous studies have shown the potential benefits of an explicit, though conceptual, representation of groundwatersurfacewater interactions in a rainfall-runoffmodel. Thuswe followed two directions in this study : first, we tried to design tools and methods allowing to evaluate the realism of the simulated fluxes, supposedly exchanged between surface and groundwater bodies ; second, we tested a large number of formulations for this exchange fonction, but on the sheer point of view of themodel's ability to reproduce themeasurable flux : surface streamflow. This work has been carried out on a large dataset (over a thousand catchments in France and Australia) using the same comparative approach as Perrin (2000) or Mathevet (2005). Following this empirical approach, we proposed a structure suitable for both daily and hourly time steps and improving the simulation of low flows. However, this process raised important questions about the procedures and criteria used to select models and grade hypotheses. Evaluating the realism of intercatchment groundwater flows simulated by a lumped rainfall-runoff model is still an open question, as well as the quest for physiographic determinants for the corresponding parameters. Direct evaluation methods (in case measurements of groundwater fluxes at the cacthment scale were available) as well as indirect ones (through balance computations over nested catchments) have been developed with some success. However, they cannot be a sustitute for the need to verify the improvement of streamflow prediction capabilities : these capabilities remain the main focus of attention for quantitative hydrological applications.
Les hydrologues dits « de surface » ont longtemps développé des représentations du fonctionnement des bassins versants basées sur une équation de continuité à trois termes : la pluie, l'évapotranspiration et le débit, un pas de temps suffisamment long permettant de négliger les variations de stock. L'hypothèse présente derrière les bilans hydrologiques ainsi calculés est que les infiltrations profondes, ne réapparaissant pas à l'exutoire des bassins topographiques, sont une quantité négligeable. Dans cette thèse, nous avons cherché à remettre en cause cette hypothèse restée le plus souvent implicite. Les modèles hydrologiques disposent souvent (du fait d'un nombre important de paramètres) d'artifices numériques leur permettant d'adapter le bilan en eau, et les conséquences néfastes de cette hypothèse n'apparaissent que rarement au grand jour : en effet, tout déficit d'écoulement peut être imputé à une autre sortie du système, l'évapotranspiration, tout aussi difficile à estimer précisément. Notre étude partait du constat qu'une prise en compte conceptuelle des échanges surface-souterrain dans un modèle pluie-débit s'avère souvent profitable, quel que soit son pas de temps de fonctionnement (du mensuel à l'horaire). Nous avons donc axé nos recherches dans deux directions complémentaires : d'un côté, nous avons cherché à établir desméthodes et des outils pour évaluer le réalisme des flux souterrainsou supposés telssimulés par les modèles, de l'autre, nous avons cherché àmodifier la formulation des échanges dans desmodèles pluie-débit journaliers et horaires, mais dans le but principal d'améliorer la capacité des modèles à reproduirele flux mesurable : le débit de surface. Ces travaux, basés sur un large échantillon de plus d'un millier de bassins versants français et australiens et menés au travers d'une approche comparative similaire à celle mise en oeuvre par Perrin (2000) et Mathevet (2005), nous ont permis d'aboutir à une structure (commune au pas de temps journalier et horaire) améliorant particulièrement la simulation des étiages. Toutefois, ce processus a également été l'occasion de soulever des questions relatives au choix d'un niveau de complexité. L'évaluation du réalisme des flux souterrains calculés par un modèle pluie-débit global reste quant à elle question ouverte, de même que la recherche de déterminants physiographiques pour les paramètres correspondants. Desméthodes d'évaluation à la fois directes (dans des cas où unemesure de ces flux à l'échelle du système était possible) et indirectes (par des tests de semi-distribution) ont été mises en oeuvre avec un certain succès ; elles ne sauraient toutefois se substituer à la nécessité de vérifier que les modifications apportées se traduisent bien par amélioration de la capacité à simuler le débit. En effet, cette capacité reste la préoccupation première pour les applications d'hydrologie quantitative.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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