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Florentina MoatarUniversité François Rabelais de ToursUMR CNRS/INSU 6113 ISTO-Tours
Cours 1– HydrologieM1 : Sciences de la Terre, de l’Eau et de l’Environnement (ST2E)Ingénierie des Hydrosystèmes et des Bassins Versants (IHBV)
1. Problématiques hydrologiques et méthodes d’analyse
2. Données
2.1. Précipitations
Eau = risque Eau = ressource
PrédéterminationPour:- Dimensionnement des ouvrages- Zonage des terrain
Connaissance de la ressource
Changementclimatique
Impact anthropique
Prévision cruesPour l’alerte aux populations
Prévision étiagesRestrictions d’eau
Problématiques hydrologiques Introduction
Prédétermination PrévisionRecherche d’une distribution statistique d’une grandeur X pour l’évaluation d’un
risque ou d’une probabilité
Evolution d’une grandeur X évoluantDans le temps
X
fréquence10
X
temps
?
Différence Prédétermination / PrévisionIntroduction
Méthodes : Analyse statistique des données obs ou simulées
CRUES ETIAGES
Renard, 2006, Thèse INPG, Cemagref
Introduction
Exemple de fiche - station pour le bassin de la Loire
Renard, 2006, Thèse INPG, Cemagref
La Loire à Villerest: 16 descripteurs pour l’étiage et le régime moyen
Introduction
Méthodes
Analyse statistique des données obs ou simulées
Régionalisation hydrologique
Modélisation hydrologique
Introduction
Modèles à base physique
Modèles empiriques
Modèles conceptuels
Plan du cours
1) Données nécessaires pour l’analyse hydrologique
• Précipitations• Débits• Autres données météorologiques et hydrologiques• Données géographiques
2) Principes de modélisation hydrologique
3) Production hydrologique et processus associés
4) Transfert hydrologique
5) Prédétermination et prévision des crues
6) Prédétermination et prévision des étiages
7) Impacts des activités humaines et des changements climatiques
Données
• séries temporelles et données historiques qui permettent de suivre de façon continue ou discontinue l’évolution temporelle des :
• forçages climatiques
• variables d’état du système
• les données géographiques (spatiales)
Précipitations
Mécanismes de formation des précipitations et Types
• 3 types de précipitationsDe courte duréeDe forte intensité
Fronts froidsPrécipitationsBrèves, intensesPas très étendues
Fronts chaudsPrécipitationsLongues, peu intensesAires géographiques
Précipitations
Mesure directe, mais ponctuelle Mesure spatiale, mais indirectePluviomètrePluviographe Radars
Radar Bollène du réseau ARAMIS, Météo FranceRégion Cevennes-Vivarais
Mesure des précipitations
2 types principaux de pluviographes :
• le pluviographe à siphon
• le pluviographe à augets basculeurs
• un collecteur• une surface définie• un système de mesure
Erreurs de mesure
Organisation mondiale de la Météorologie, WMO, 1994, Guide des pratiques hydrologiques, 5ème édition
- grandeurs d’influences comme le vent et la température,
- caractéristiques et état du cône de réception (mouillage),
- implantation du pluviomètre (proximité d’obstacles),
- transducteur (erreur de surremplissage, mauvais basculements des augets, débordement, résolution temporelle).
Installation idéale
Interpolation spatiale et lame précipitée sur une surface donnée
PM = ?
P1(t)
P2(t)
P3(t)
P4(t)
P5(t)
P6(t)
PD = ?
P1(t)
P2(t)
P3(t)
P4(t)
P5(t)
P6(t)
dM, 2
∑=
=n
i
x
Mi
x
MiiM
d
d
1 ,
,,
1
1
λ
)(*)(1
, tPtP i
n
iiMM ∑
=
= λ
Interpolation spatiale et lame précipitée sur une surface donnée
• méthode d’interpolation la plus simple : affecter le même poids à toutesles stations proches (moyenne arithmétique)
• méthode d’interpolation « inverse distance » ou « inverse distance au carré »
• méthode d’interpolation « polygones de Thiessen »
• méthode d’interpolation « isohyètes »
• méthodes géostatistiques, telles que la méthode du krigeage
• avantages pour les méthodes inverse distance et polygones Thiessen• les poids à affecter aux différentes stations sont invariants dans le temps
• avantage pour la méthode du krigeage• évaluation de l’incertitude sur les valeurs estimées
• l’incertitude sur la lame d’eau estimée est d’autant plus grande que le réseau est peu dense et que le pas de temps considéré est petit
Interpolation spatiale et lame précipitée sur une surface donnée
Cévennes-Vivarais - observation opérationnelle - pluviomètres
300 stations pluviométriques pas de temps horaire EDF Météo France Service de prévision des crues du Grand Delta
Avec 11 postes pour 1000 km²L’observatoire ne « voit » pas un épisode de 80 km² de diamètre sur deux
Neppel et al, Houille Blanche, 2009(6)
Radars météorologiques
• instruments importants pour l’observation des épisodes convectifs
• mesure la rétro-diffusion de l’onde (émise par le radar) par les hydrométéores
• bande X : λ = 3 cm• bande C: λ = 5 cm • bande S : λ = 10 cm
• les restitutions sont données à l’aide de post-processeurs informatiques pourdifférentes coupes verticales ou horizontales de l’atmosphère
résolutions horizontale entre 0.5 km x 0.5 km et 4 km x 4 km résolution temporelle de 5 à 10 minutes
Radars météorologiques : incertitudes
• les échos fixes et les zones masquées : obstacles (bâtiments, relief)
• forts gradients de réflectivités avec l’altitude
• phénomènes d’atténuation
• mouvements ascendants ou descendants de l’atmosphère
• données particulièrement difficiles à exploiter dans les régions montagneuses
Combinaisons de séries journalières et horaires des réseaux au sol
• Appliquer à la pluie journalière mesurée en un poste pluviométrique donné, la structure temporelle observée au cours de la même journée en une station
pluviographique voisine -
Désagrégation au pas de temps horaire de la précipitation journalière
Combinaisons de mesures au sol et de données radar
• mesures conventionnelles au sol permettant le calage des images radar
• mesures radar permettant l’estimation de la variabilité spatiale du processus
Pas de temps des précipitations :
- Adapté aux objectifs fixés- Réactivité du bassin étudié
Hebdomadaire, Mensuel
-Gestion saisonnière de la ressource…
-bassins versants > 104 – 105 km²
qqs minutes, 1 heure, < 24 h
- prévision des crues- collecte des eaux de ruissellement….
- bassins versants < 104 km²
Réseaux de pluviomètres et pluviographes :
- sériés journalières remontent à la fin du XIXe siècle- séries avec un pas de temps plus fin à partir des années 1970
Précipitations mensuelles dans la BDCLIM
Données Météo-France