Le Service SIMFEN permet d’activer en région Bretagne, France, une modélisation hydrologique à base géomorphologique développée au fil de recherches conduites depuis 1998 dans différents contextes hydrologiques, et qui s’inscrit dans la problématique générale de la prévision en bassins non-jaugés (PUB – Prediction in Ungauged Basins).
Modélisation hydrologique à base géomorphologique
Une fonction de transfert à base géomorphologique permet de décrire le transfert de l’eau à travers le réseau hydrographique dans un bassin versant jaugé ou non-jaugé, quel qu’il soit. L’inversion de la fonction de transfert d’un bassin versant jaugé permet de calculer la chronique de la pluie nette à partir de la chronique de débit observée à l’exutoire. La pluie nette peut être transposée d’un ou plusieurs bassins versants sources d’information vers un bassin versant cible, sur la base de la similarité, si possible dans une configuration d’emboîtement ou de voisinage, afin de simuler la chronique de débit à l’exutoire cible.
Plusieurs nuances de l’approche de modélisation sont possibles et quelques choix opérationnels ont été faits pour la version de base du service SIMFEN. La prochaine version offrira des options flexibles dans un mode expert. Un réseau hydrographique de référence est fourni pour la région entière. Pour chaque point d’échantillonnage du bassin versant, le chemin de l’eau jusqu’à l’exutoire est identifié par géomatique et la longueur hydraulique L de la partie chenalisée de ce chemin au sein du réseau hydrographique est mesurée. La fonction densité de probabilité de la longueur hydraulique fdp(L) est ainsi extraite pour le bassin versant considéré dans son ensemble. La fdp du temps de trajet t de l’eau à travers le réseau hydrographique (pdf(t)) peut être déduite de la fdp(L) par application d’une vitesse moyenne d’écoulement à travers le réseau hydrographique. Cette vitesse moyenne a été estimée par analyse d’un ensemble d’événements de crue détectés entre 1990 et 2010 au sein de bassins versants jaugés de la région, et quantification d’une relation régionale robuste exprimée en fonction de la longueur hydraulique moyenne du bassin versant. La fdp(t) peut être considérée comme étant une fonction de transfert FT(t) du type hydrogramme unitaire, ce qui permet de simuler le débit à l’exutoire Q [m3. s−1] grâce à la convolution suivante : Q(t) = S •Pn(t) ∗ FT(t) où t [s] est le temps, S [m²] est la surface du bassin versant et Pn [m] est la pluie nette définie comme étant la hauteur d’eau sortant des versants et entrant dans le réseau hydrographique en moyenne dans le bassin versant.
Déconvolution et transposition d’hydrogramme
La pluie nette d’un bassin versant jaugé est estimée par déconvolution de l’hydrogramme observé à l’exutoire. Cette déconvolution est réalisée en inversant la fonction de transfert à base géomorphologique, ce qui permet d’estimer la chronique de pluie nette à partir de la chronique de débit. La pluie nette est alors transposée vers le bassin versant cible, sur la base de la similarité, où il peut être reconvolué avec la fonction de transfert propre à ce bassin versant, pour y simuler l’hydrogramme. Un ou plusieurs bassins versants sources peuvent être pris en compte pour un bassin versant cible considéré. Cette approche permet de ne pas avoir à considérer en détail les processus hétérogènes et fortement non-linéaires internes aux versants, qui déterminent la genèse des écoulements et donc de la pluie nette.
Stratégie de transposition
Pour un bassin versant cible, un ou plusieurs bassins versants donneurs sont sélectionnés, selon les règles suivants :
- Recherche de toutes les stations dans un rayon de 50 kilomètres;
- Calcule la distance de Ghosh de tous les bassins versants donneurs par rapport au bassin cible (de Lavenne et Al. 2016);
- Détermine les 5 bassins les plus proche du bassin cible d’après la distance de Ghosh;
- Parmi ces bassins, calcule l’écart type entre chaque bassin, de manière graduelle, pour ne conserver que ceux qui ont une différence faible. De ce fait, si les 5 bassins ont ces distances : 1000, 2000, 3000, 10000, 11000, alors, seuls les trois premiers bassins seront conservés, car semblables en termes de distances.
Bibliographie
- Thèse Alban de Lavenne, 2013. Modélisation hydrologique à base géomorphologique de bassins versants non jaugés par régionalisation et transposition d’hydrogramme. PhD thesis,. URL. Sciences de l’environnement. Rennes, Agrocampus-Ouest https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-02810356.
- de Lavenne, A., J. O. Skøien, C. Cudennec, F. Curie, and F. Moatar (2016), Transferring measured discharge time series: Large-scale comparison of Top-kriging to geomorphology-based inverse modeling, Water Resour. Res., 52,
doi:10.1002/2016WR018716.