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Florentina MoatarUniversité François Rabelais de ToursUMR CNRS/INSU 6113 ISTO-Tours

Florentina.moatar@univ-tours.fr

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