Academic literature on the topic 'Bassins hydrographiques – Modèles mathématiques'

La modélisation de synthèse en débit-durée-fréquence des régimes d'étiage observés s'inspire de travaux développés ces dernières années sur les modèles continus (multidurée et multifréquence) de prédétermination des crues (GALEA et PRUDHOMME, 1996). La variabilité des régimes d'étiage du bassin hydrographique de la Loire (S=117 000 km2) est étudiée à partir de deux variables hydrologiques, définies sur une durée (d) continue (1≤d≤90j), traduisant deux notions de régime complémentaires : la notion de débit-volume (moyen) minimal (VCNd) annuel et de débit-seuil minimal (QCNd) annuel non dépassé. L'étude statistique multidurée des événements annuels observés en 57 sites sélectionnés, selon la loi log-normale à deux paramètres (écart-type et moyenne), permet de répartir les différents bassins en 4 familles typologiquement homogènes. Pour chacune de ces familles est choisi un bassin versant de référence dont les courbes débit-durée-fréquence normées en débit et durée gagnent alors en représentativité régionale. L'utilisation de ces courbes adimensionnelles est rendue plus aisée, grâce à un formalisme mathématique. La norme de débit retenue est le débit journalier minimal annuel de période moyenne de retour 2 ans. La norme de durée quant à elle est déduite des courbes de tarissement observées et décrites selon l'équation de MAILLET. Ces deux normes (ou encore descripteurs de régime) constituent les seuls paramètres d'entrée des 4 modèles adimensionnels QdF d'étiage. Ces modèles et leur typologie associée, appliqués au bassin hydrographique de la Loire, ont permis de montrer la cohérence des quantiles observés et modélisés en chacun des 57 sites retenus. Une première validation de la méthodologie QdF d'étiage, établie sur le bassin de la Loire, a concerné 12 bassins versants du Crisu-Alb (S=3000 km2) en Roumanie. Cela n'a pas nécessité de nouveaux modèles de référence autres que ceux élaborés pour la Loire. Autrement dit, pour chacun des sites étudiés, la valeur de l'écart-type de la loi ajustée sur les VCNd=1j a permis de choisir la famille hydrologique d'appartenance et donc le modèle QdF d'étiage qui lui est associé. La qualité des modélisations effectuées confirment par ailleurs que les deux descripteurs locaux de régime retenus sont de bons intégrateurs des processus d'écoulement liés aux étiages. D'une manière générale, la démarche a permis d'éprouver la fiabilité de la méthodologie QdF développée en étiage et ces premiers résultats sont encourageants pour l'avenir. Notamment, l'usage opérationnel des modèles QdF d'étiage sur des sites non observés nécessite de poursuivre l'effort de recherche vers une explicitation du critère de choix ainsi que des deux descripteurs locaux du régime de basses eaux.

Les niveaux piézométriques dans les aquifères de socle en Côte d’Ivoire sont mal connus du fait de la complexité du substratum géologique. Ce travail a pour objectif de modéliser l’altitude du niveau piézométrique des aquifères situés en milieu cristallin et cristallophyllien, notamment dans le bassin versant du Sassandra, au sud-ouest de la Côte d’Ivoire. En exploitant la méthode de la corrélation linéaire entre la dénivellation de la surface du sol et la surface de base des thalwegs d’une part et la dénivellation entre la surface piézométrique et la surface de base des thalwegs d’autre part, nous avons établi des équations qui permettent de déterminer les niveaux piézométriques et de compenser ainsi les lacunes dans leur connaissance. Ces travaux s’appuient sur des données de terrain, des fiches techniques de forage, des cartes (topographique et géologique) et un extrait du Modèle numérique d’Altitude (MNA) du sud-ouest ivoirien. L’interprétation mathématique des résultats a permis, au travers des équations établies, de calculer directement le niveau piézométrique en tout point de la zone d’étude. La carte piézométrique ainsi obtenue montre que le niveau piézométrique est en moyenne 7 m en dessous du sol lorsque l’on prend comme référence la surface de base des thalwegs. La surface piézométrique est corrélée à la surface topographique. La superposition de la carte piézométrique à celle du réseau hydrographique montre qu’à l’échelle de l’analyse réalisée, la circulation de l’eau souterraine est calquée sur celle des eaux de surface ; bassins versants hydrogéologique et topographique se superposent, montrant ainsi le lien entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Ce résultat pourra aider à la gestion intégrée des ressources en eau souterraine et de surface surtout face à la vulnérabilité aux pesticides qui sont fréquemment utilisés dans la zone étudiée.

Au pas de temps pluriannuel, l’approche par bilan fournit des modèles pluie-débit sous forme de simples formulations mathématiques reliant le débit (Q) à la pluie (P) et l’évapotranspiration potentielle (E), le tout en millimètres par an (mm•an-1). Souvent, il s’agit de la différence entre la quantité de la pluie pluriannuelle et la quantité d’évapotranspiration réelle. Les autres termes du bilan sont supposés négligeables. Pour une meilleure utilisation et compréhension de ce type de modèles, cet article tente de répondre aux questions suivantes : quelles sont les relations entre ces modèles? Quelles sont leurs performances et leurs limites? Comment peut-on améliorer leurs performances? La réponse à ces interrogations a nécessité tout d’abord le choix des modèles les plus répandus à partir de la littérature portant sur l’hydrologie : il s’agit d’expressions employant des formes mathématiques usuelles comme la tangente hyperbolique ou exponentielle. Ensuite, grâce à une analyse adimensionnelle, une forme générale de ces modèles ainsi que leur domaine de définition ont été détectés. En adaptant une méthode de modélisation aux spécificités du pas du temps pluriannuel, et en utilisant un échantillon de données de 407 bassins versants de caractéristiques hydro-climatiques très variées, la performance de ces modèles a été améliorée : soit par affectation d’un paramètre lié à l’évapotranspiration, soit par l’introduction d’une nouvelle variable appelée Indice de Répartition de Pluie (IRP), selon la disponibilité des données.

Une régionalisation débit-durée-fréquence des débits de crue est réalisée sur les sous bassins du Cris qui draine une superficie d'environ 14 300 km2 à l'ouest de la Roumanie. Cette régionalisation concerne 78 sous bassins dont les chroniques de débit quotidien et de pointe observées sont de trente ans en moyenne et pour lesquels nous disposons des pluies maximales de bassin de 1 jour à 10 jours calculées à partir de 92 postes pluviométriques. La régionalisation est menée selon deux approches : une approche régionale classique et une approche à partir de trois modèles adimensionnels de référence établis sur trois sites observés de France. La différence fondamentale entre les deux approches réside en ce que l'une prend en compte l'information spatiale pluie-débit inventoriée du Cris et que l'autre considère essentiellement l'information pluie-débit de chaque site de référence français. L'approche modèles de référence a pour base conceptuelle une typologie des crues qui pour un site cible est prédéfinie par un critère de choix, tandis que l'approche classique nécessite que soient définis des régions hydrologiques homogènes. Cette démarche est menée sur les trois sous bassins hydrographiques du Cris et permet d'étendre la région hydrologique homogène à l'ensemble du bassin du Cris. L'approche régionale comme l'approche modèles de référence privilégie la loi exponentielle adaptée aux valeurs supérieures à un seuil pour ce qui concerne les quantiles de crue de faible période de retour et pour des durées de 1j à 10j selon la dynamique de crue des sous bassins. Pour les quantiles de crue de grande période de retour les deux approches sous tendent le modèle du GRADEX, forme d'extrapolation des distributions observées par le gradex des pluies maximales. Quelle que soit l'approche de régionalisation, en tout site cible doivent être disponibles deux descripteurs de régime : le débit de pointe décennal Q10 et une durée caractéristique de crue D. Afin de comparer essentiellement l'incertitude des modélisations sur les quantiles de crue, D et Q10 sont connus et déduits des observations. Les résultats présentés montrent une bonne validité du modèle régional ajusté sur l'ensemble du Cris. Ceci indique que la zone étudiée est relativement bien homogène. Concernant les modèles de référence, leur critère de choix n'apparaît pas pertinent lorsqu'on s'intéresse aux faibles périodes de retour, mais se révèle significatif pour les fortes périodes de retour. Ce résultat est en grande partie dû à la méthode d'extrapolation appliquée. Celle ci est liée à la méthode du GRADEX et utilise l'information locale sur les gradex de pluie, comme cela est souvent le cas en France. Il est à noter que ces modèles de référence établis sur des chroniques de débit et pluie d'avant 1992 n'ont pas été réactualisés. L'exemple du bassin du Cris montre qu'ils n'en gardent pas moins un caractère opérationnel pour l'estimation des quantiles de crue de durée d (0 < d(j) < 10) et de période moyenne de retour T (5 < T(an) < 1000).

Les zones méditerranéennes et semi - arides sont caractérisées par des régimes pluviométriques irréguliers dans le temps et dans l'espace. L'érosion hydrique des bassins versants et la sédimentation des cours d'eau constituent des phénomènes complexes très répandus qui posent de nombreux problèmes aux ingénieurs chargés des projets de mise en valeur. En raison de son ampleur, cette érosion constitue une contrainte majeure au développement de l'agriculture et à la promotion des activités rurales en Algérie. Une approche statistique de quantification des apports solides est développée dans cette étude. Les données utilisées sont recueillies au niveau de cinq sous-bassins du bassin versant de l'Oued Mina drainés par les stations hydrométriques, en amont du barrage de Sidi M'hamed Ben Aouda. La période d'observation s'étale sur 22 ans (1973 à 1995). Il existe une grande variabilité inter-annuelle et intrannuelle des apports liquides et solides. En plus de cette variation temporelle, il a été remarqué une variabilité spatiale des apports solides et liquides. Les valeurs maximales du transport solide sont enregistrées au début d'automne et à la fin du printemps. Le transport solide d'automne reste le plus élevé, dépassant significativement les autres saisons. Cette variabilité trouve son explication dans la pauvreté du couvert végétal durant cette saison et la nature agressive des pluies d'automne. La charge spécifique du bassin versant de l'oued Haddad est de l'ordre de 212 t/km2/an. Le bassin versant de l'oued Taht a une charge spécifique inférieure à celle du bassin de l'oued Haddad (Ds=191 t/km2/an). Les bassins versants de l'oued el Abd présentent des charges spécifiques de l'ordre de 117 t/km2/an à Ain El Hamara et de 65 t/km2/an à Takhmaret. La charge spécifique de l'oued Mina au barrage de Sidi M'hamed Ben Aouda est de 160 t/km2/an. Des modèles mathématiques liant l'apport solide au coefficient d'écoulement ont été proposés pour les cinq sous-bassins drainés par les stations hydrométriques.

Abstract L'existence de problèmes d'érosion hydrique à différents endroits d'un bassin versant se manifeste souvent par la présence d'une quantité excessive de sédiments en suspension dans les cours d'eau. L'évaluation indirecte de l'érosion par la mesure des sédiments en suspension transportés à l'exutoire des bassins versants permet ainsi d'avoir une bonne idée de l'impact environnemental des activités agricoles. Il s'avère toutefois essentiel, dans une perspective de gestion de la qualité de l'eau à l'échelle d'un bassin versant, de pouvoir estimer l'érosion hydrique et le transport des sédiments en suspension afin d'identifier les zones problématiques. Cette estimation implique la manipulation d'une somme considérable d'informations pour décrire l'environnement du bassin versant et l'emploi de modèles mathématiques complexes pour simuler les processus hydrologiques et sédimentologiques en jeu. Le recours aux modèles informatiques d'érosion hydrique et aux systèmes d'information géographique (SIG) est alors de mise. Cet article présente le développement et l'application d'une approche géomatique de simulation qui implique l'utilisation conjointe du modèle hydrologique CEQUEAU, du modèle d'érosion MODÉROSS et du système d'information géographique IDRISI. Plus précisément, cet article présente de quelle façon le progiciel CEQÉROSS a été utilisé pour prédire le comportement hydrosédimentologique d'un petit bassin versant agricole du Québec. Les charges sédimentaires totales simulées à l'exutoire du bassin versant de Lennoxville s'élevaient à 27,5 tonnes et 54,1 tonnes pour les années hydrologiques 1991–1992 et 1992–1993 respectivement. Ces valeurs se comparent avantageusement aux charges sédimentaires totales de 30,3 tonnes et 51,3 tonnes observées durant ces mêmes périodes. Les résultats obtenus montrent également que la nature épisodique du transport des sédiments en suspension à l'exutoire du bassin versant de Lennoxville pendant la période 1991–1993 a été bien reproduite par CEQÉROSS. L'approche géomatique proposée est suffisamment conviviale et fiable pour s'inscrire à l'intérieur d'un ensemble d'outils de gestion agroenvironnementale.

IDENTIFICATION OF ENVIRONMENTAL FRAGILITIES IN THE MICROBACY OF JARUCU RIVER, MUNICIPALITY OF BRAZIL NOVO – PAIDENTIFICATION DES FAIBLESSES DANS L'ENVIRONNEMENT JARUCU RIVIÈRE, BRESIL NEW COUNTY – PAO objetivo deste trabalho é avaliar a fragilidade ambiental da microbacia Hidrográfica do rio Jarucu, localizada no município de Brasil Novo, no Pará, a partir de uma visão sistêmica, oriunda de modelagens matemático-espaciais, para melhor análise da gestão de seus recursos naturais. Para a sua realização, utilizou-se a metodologia de álgebra de mapas proposta por Ross (1994), por intermédio da sobreposição de camadas, atribuindo-se a elas, notas e pesos, utilizando-se, como plataforma, o software ArcGIS 10.1, gerando mapa síntese a partir de multicritérios. Para esse fim, foram utilizados mapas de declividades, solos, proximidade de drenagens e nascentes, além do uso e cobertura do solo, mediante classificação orientada a objeto, utilizando-se o software eCoguinition 9.01, bem como cenas do sensor RapidEye, disponível no site do Ministério do Meio Ambiente (resolução espacial de 5 metros). Os resultados demonstram que a bacia apresenta fragilidade entre baixa e média, devido a índices moderados de declividade e solos estáveis quando se tem a presença da vegetação. As regiões com fragilidade localizam-se nas Áreas de Preservação Permanente de Cursos d’água, devido à declividade acentuada nesses pontos e à falta de cobertura vegetal, gerada pela substituição de áreas de floresta por pastagens, muitas destas degradadas, um padrão comum no processo de ocupação da região da Transamazônica, acarretando, em se tratando de uma bacia hidrográfica, um processo de lixiviação e assoreamento dos cursos d’água, mesmo que ainda incipiente.Palavras-chave: Fragilidade Ambiental; Modelagens Espaciais; Rio Jarucu, Brasil Novo.ABSTRACTThe objective of this work was to evaluate the environmental fragility of the hydrographic microbasin Of the Jarucu River located in the municipality of Brasil Novo in Pará from a systemic view derived from mathematical-spatial modeling, to better analyze the management of its natural resources. In order to achieve it, it was used the methodology of map algebra proposed by Ross (1994) by overlapping layers and assigning them grades and weights, using as Platform ArcGIS 10.1 software, generating synthesis map from multicriteria. To this end, besides the ground cover through object-oriented classification using the eCoguinition software 9.01 and scenes of the RapidEye sensor available on the Ministry of Environment website (resolution Space of 5 meters), Maps of Slopes, Soils, proximity to drains and springs were used. The results showed that the basin presents its fragility between low and avarsge due to moderate rates of slope and stable soils when there is vegetation. The regions where they showed the greatest fragility are located in the Permanent Preservation water course areas due to the marked slope in these points and the lack of vegetation coverage, generated by the replacement of forest areas by pastures, many of these degraded, what is a common pattern in the process of occupation of the Transamazonica region, leading to, when it comes to a river basin, a process of leaching and sedimentation of watercourses, even if still incipient.Keywords: Environmental Fragility; Spatial Modeling; Jarucu River, Brasil NovoRÉSUMÉRésumé: L'objectif de ce travail était d'évaluer la fragilité environnementale de la micro-puce hydrographique de la rivière Jarucu située dans la municipalité de Brasil Novo à Pará à partir d'une vue systémique dérivée de la modélisation mathématique et spatiale afin de mieux analyser la gestion de ses ressources naturelles. Pour sa réalisation, la méthodologie de l'algèbre de carte proposée par Ross (1994) à travers le chevauchement des couches et leur attribuant des notes et des poids, en utilisant comme plate-forme le logiciel ArcGIS 10.1, générant une carte de synthèse multicritère. À cette fin, des cartes des pentes, des sols, de la proximité du drainage et des sources ont été utilisées, ainsi que l'utilisation et la couverture des terres grâce à une classification orientée objet à l'aide du logiciel eCoguinition 9.01 et des scènes du capteur RapidEye disponibles sur le site Web du ministère de l'Environnement Espace de 5 mètres). Les résultats ont montré que le bassin présente une fragilité entre le bas et le moyen, en raison des indices modérés de pente et des sols stables lorsque la végétation est présente. Les régions où elles sont les plus fragiles sont situées dans les zones de conservation permanentes des cours d'eau en raison de la pente marquée de ces points et de l'absence de couverture végétale générée par le remplacement des zones forestières par les pâturages, dont beaucoup sont dégradés, un modèle commun dans le processus de Occupation de la région de Transamazonica, conduisant à un processus de lixiviation et de sédimentation des cours d'eau, même si elle était encore incipiente.Mots-clés: Fragilité de L'environnement; L'espace de Modélisation; Rivière Jarucu, Brésil Nouveau.

Pour lutter contre la pollution issue du milieu agricole, il importe de bien la connaître et quantifier, mais surtout d’aider les agriculteurs à adopter des techniques de gestion du territoire appropriées et de bonnes pratiques agricoles. L’utilisation d’un modèle permettant de simuler l’impact des pratiques de gestion sur la qualité des eaux des cours d’eau constituerait un outil d’aide à la décision très important, notamment avec la problématique spécifique aux petits bassins versants ruraux. En effet, les petits bassins sont difficiles à modéliser, faisant souvent l’objet de peu, voire d’aucun suivi au niveau des débits et de la qualité de l’eau. Le modèle utilisé dans cette étude, qui commence à être appliqué au Québec, s’appelle Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modèle fortement paramétré. Mais la modélisation à l’échelle de bassin versant est entravée par beaucoup d’incertitude comme des processus inconnus du modélisateur, des processus non pris en compte par le modèle et des simplifications de processus par le modèle. Le défi est d’autant plus grand dans le cas d’une évaluation journalière de la performance du modèle: les bonnes performances journalières de SWAT avec peu de données sont rares. Or, dans un petit bassin versant où la réponse aux événements est très rapide, un pas de temps plus petit, notamment journalier, est plus adéquat pour préserver le comportement hydrologique du bassin et la variance des données et observer les effets produits sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, la méthode de conversion des données journalières en données mensuelles ou annuelles modifie énormément le caractère des données et par conséquent les résultats d’interprétation malgré l’obtention de bonnes performances. Pour relever ce défi, la présente étude se fixe pour but d’améliorer la performance journalière en modélisation de la qualité de l’eau dans les petits bassins agricoles avec peu de données avec un modèle fortement paramétré. Ainsi, nos objectifs sont articulés autour des deux points suivants : 1) proposer une nouvelle méthodologie de calage, optimisant à la fois les débits (Q) et les charges de Matières En Suspension (MES) et du Phosphore Total (PT), sur de petits bassins versants avec peu de données, afin d’obtenir une meilleure performance journalière et 2) appliquer notre méthodologie à un petit bassin agricole avec peu de données et proposer des scénarios agricoles réalistes. La nouvelle méthodologie de modélisation proposée est issue de l’évaluation des deux approches de calage avec SWAT, uni-objective et multi-objective, ainsi que de la résolution des problèmes tout au long des calages, dont une biomasse mal représentée, une absence d’eau dans les drains, un ruissellement de surface trop élevé, un bilan de masses déséquilibré et une perte de performance des débits. Même si la performance journalière de modélisation des MES et du P total obtenue n’est pas encore optimale, elle a pu être améliorée grâce à notre méthodologie. Les résultats produits sont aussi réalistes que possible et montrent que (i) la performance du modèle dépend non seulement du choix de l’approche de calage, mais essentiellement des paramètres influents; (ii) le calage multi-objectif en considérant tous les paramètres influant sur les variables considérées est la meilleure approche pour modéliser Q, MES et PT; (iii) le changement de poids affectés aux fonctions-objectif n’a pas amélioré la performance du modèle, (iv) avec une optimisation uni-objective, une excellente performance du modèle en qualité de l’eau peut cacher une grande détérioration de la performance des débits et des composantes hydrologiques internes déséquilibrées; (v) malgré un bon pré-ajustement du bilan hydrologique annuel, le bilan de masses à l’intérieur des URH peut être complètement débalancé; (vi) et les ajustements manuels après calage de certains paramètres et la modification de certaines routines dans l’exécutable du modèle ont pu rehausser énormément la performance en qualité de l’eau. Notre nouvelle méthodologie a été appliquée sur le bassin versant Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Québec, Canada. Par la suite, de meilleures pratiques agricoles visant l’objectif de réduction du P total dans le site étudié ont été simulées (modalités d’épandage des engrais, travail du sol, conversion de cultures…).<br>Pour lutter contre la pollution issue du milieu agricole, il importe de bien la connaître et quantifier, mais surtout d’aider les agriculteurs à adopter des techniques de gestion du territoire appropriées et de bonnes pratiques agricoles. L’utilisation d’un modèle permettant de simuler l’impact des pratiques de gestion sur la qualité des eaux des cours d’eau constituerait un outil d’aide à la décision très important, notamment avec la problématique spécifique aux petits bassins versants ruraux. En effet, les petits bassins sont difficiles à modéliser, faisant souvent l’objet de peu, voire d’aucun suivi au niveau des débits et de la qualité de l’eau. Le modèle utilisé dans cette étude, qui commence à être appliqué au Québec, s’appelle Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modèle fortement paramétré. Mais la modélisation à l’échelle de bassin versant est entravée par beaucoup d’incertitude comme des processus inconnus du modélisateur, des processus non pris en compte par le modèle et des simplifications de processus par le modèle. Le défi est d’autant plus grand dans le cas d’une évaluation journalière de la performance du modèle: les bonnes performances journalières de SWAT avec peu de données sont rares. Or, dans un petit bassin versant où la réponse aux événements est très rapide, un pas de temps plus petit, notamment journalier, est plus adéquat pour préserver le comportement hydrologique du bassin et la variance des données et observer les effets produits sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, la méthode de conversion des données journalières en données mensuelles ou annuelles modifie énormément le caractère des données et par conséquent les résultats d’interprétation malgré l’obtention de bonnes performances. Pour relever ce défi, la présente étude se fixe pour but d’améliorer la performance journalière en modélisation de la qualité de l’eau dans les petits bassins agricoles avec peu de données avec un modèle fortement paramétré. Ainsi, nos objectifs sont articulés autour des deux points suivants : 1) proposer une nouvelle méthodologie de calage, optimisant à la fois les débits (Q) et les charges de Matières En Suspension (MES) et du Phosphore Total (PT), sur de petits bassins versants avec peu de données, afin d’obtenir une meilleure performance journalière et 2) appliquer notre méthodologie à un petit bassin agricole avec peu de données et proposer des scénarios agricoles réalistes. La nouvelle méthodologie de modélisation proposée est issue de l’évaluation des deux approches de calage avec SWAT, uni-objective et multi-objective, ainsi que de la résolution des problèmes tout au long des calages, dont une biomasse mal représentée, une absence d’eau dans les drains, un ruissellement de surface trop élevé, un bilan de masses déséquilibré et une perte de performance des débits. Même si la performance journalière de modélisation des MES et du P total obtenue n’est pas encore optimale, elle a pu être améliorée grâce à notre méthodologie. Les résultats produits sont aussi réalistes que possible et montrent que (i) la performance du modèle dépend non seulement du choix de l’approche de calage, mais essentiellement des paramètres influents; (ii) le calage multi-objectif en considérant tous les paramètres influant sur les variables considérées est la meilleure approche pour modéliser Q, MES et PT; (iii) le changement de poids affectés aux fonctions-objectif n’a pas amélioré la performance du modèle, (iv) avec une optimisation uni-objective, une excellente performance du modèle en qualité de l’eau peut cacher une grande détérioration de la performance des débits et des composantes hydrologiques internes déséquilibrées; (v) malgré un bon pré-ajustement du bilan hydrologique annuel, le bilan de masses à l’intérieur des URH peut être complètement débalancé; (vi) et les ajustements manuels après calage de certains paramètres et la modification de certaines routines dans l’exécutable du modèle ont pu rehausser énormément la performance en qualité de l’eau. Notre nouvelle méthodologie a été appliquée sur le bassin versant Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Québec, Canada. Par la suite, de meilleures pratiques agricoles visant l’objectif de réduction du P total dans le site étudié ont été simulées (modalités d’épandage des engrais, travail du sol, conversion de cultures…).<br>It is important to know and quantify diffuse pollution, and especially to help farmers to adopt best management practices. In order to control river pollution, a model simulating the fate of pollutants and identifying the best management practices can be of a great help, especially for small rural watersheds, which are increasingly polluted but rarely or not monitored. The model in this study, which begins to be used in Quebec, is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a highly parameterized model. Calibration of models at the watershed scale is challenging because of the possible uncertainties that may exist in the form of process simplification, processes not accounted for by the model, and processes in the watershed that are unknown to the modeller. The challenge is even greater in the case of a daily evaluation of model performance on small agricultural watersheds with limited data. With SWAT, only few case studies have been conducted on small agricultural watersheds with limited data. The time step in water quality modelling is usually monthly or annual and good fits are rarely obtained using a daily time step, given the scarcity of data. However, a daily time step better represents the dynamics of pollutants in the river especially for the fast reacting small watersheds and provides more realistic simulation results. So, to improve daily performance in modelling water quality in small agricultural basins with limited data with a highly parameterized model, our objective is twofold: 1) to propose a methodology to obtain better daily performance in modelling flow (Q), Suspended Solids (SS) and total phosphorus (TP) in small watersheds with little data and 2) to apply the methodology to a case study for a small agricultural catchment with limited data. The proposed modelling methodology is based on the evaluation of the two calibration approaches with SWAT, single-objective and multi-objective, and the resolution of the problems encountered (misrepresented biomass, absence of water in the drains, too high surface runoff, unbalanced internal model components and a loss of performance of predicting flows). Although the daily model performance in terms of suspended solids and total P is still not optimal, it has been improved thanks to the new methodology. The results showed that (i) the model performance depends not only on the choice of calibration approach, but essentially on the selection of influential parameters; (ii) the multi-objective calibration estimating all parameters related to all measured variables at once is the best approach to model Q, TSS and TP; (iii) changing weights does not improve model performance; (iv) with a single-objective optimization, an excellent water quality modelling performance may hide a loss of performance of predicting flows and unbalanced internal model components; and (v) manual adjustments after calibration of some parameters and modifications of some software routines can greatly enhance performance in water quality. After application of the new methodology on the study area, the watershed Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Quebec, Canada, best management practices for the purpose of reduction of TP were simulated with SWAT (fertilizer application, tillage, crop conversion).<br>It is important to know and quantify diffuse pollution, and especially to help farmers to adopt best management practices. In order to control river pollution, a model simulating the fate of pollutants and identifying the best management practices can be of a great help, especially for small rural watersheds, which are increasingly polluted but rarely or not monitored. The model in this study, which begins to be used in Quebec, is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a highly parameterized model. Calibration of models at the watershed scale is challenging because of the possible uncertainties that may exist in the form of process simplification, processes not accounted for by the model, and processes in the watershed that are unknown to the modeller. The challenge is even greater in the case of a daily evaluation of model performance on small agricultural watersheds with limited data. With SWAT, only few case studies have been conducted on small agricultural watersheds with limited data. The time step in water quality modelling is usually monthly or annual and good fits are rarely obtained using a daily time step, given the scarcity of data. However, a daily time step better represents the dynamics of pollutants in the river especially for the fast reacting small watersheds and provides more realistic simulation results. So, to improve daily performance in modelling water quality in small agricultural basins with limited data with a highly parameterized model, our objective is twofold: 1) to propose a methodology to obtain better daily performance in modelling flow (Q), Suspended Solids (SS) and total phosphorus (TP) in small watersheds with little data and 2) to apply the methodology to a case study for a small agricultural catchment with limited data. The proposed modelling methodology is based on the evaluation of the two calibration approaches with SWAT, single-objective and multi-objective, and the resolution of the problems encountered (misrepresented biomass, absence of water in the drains, too high surface runoff, unbalanced internal model components and a loss of performance of predicting flows). Although the daily model performance in terms of suspended solids and total P is still not optimal, it has been improved thanks to the new methodology. The results showed that (i) the model performance depends not only on the choice of calibration approach, but essentially on the selection of influential parameters; (ii) the multi-objective calibration estimating all parameters related to all measured variables at once is the best approach to model Q, TSS and TP; (iii) changing weights does not improve model performance; (iv) with a single-objective optimization, an excellent water quality modelling performance may hide a loss of performance of predicting flows and unbalanced internal model components; and (v) manual adjustments after calibration of some parameters and modifications of some software routines can greatly enhance performance in water quality. After application of the new methodology on the study area, the watershed Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Quebec, Canada, best management practices for the purpose of reduction of TP were simulated with SWAT (fertilizer application, tillage, crop conversion).

Cette etude est consacree a la modelisation hydrologique distribuee d'un bassin versant nivo-pluvial des alpes francaises. Elle est presentee en 3 parties : dans la premiere partie, sont presentes le bassin versant de recherche experimentale de sarennes et les outils numeriques utilises pour simuler les debits. Cette modelisation est realisee par l'intermediaire du couplage d'une chaine de modelisation du manteau neigeux, elaboree par le centre d'etude de la neige (safran-crocus), avec un modele hydrologique conceptuel a base topographique (topmodel). Elle est realisee en 3 etapes qui font l'objet de la seconde partie et permettent l'etude de la sensibilite du modele hydrologique a la variabilite spatiale de la lame d'eau de fonte fournie par crocus. Une premiere modelisation de reference est faite avec une version globale de topmodel acceptant une entree moyenne uniforme. Puis la complexite du modele est progressivement developpee (topband) d'abord par une premiere spatialisation de l'entree par bandes d'altitude. Finalement, un modele totalement distribue et dynamique (topodyn) permet de tenir compte de la variabilite spatiale de l'entree avec l'altitude et l'orientation des versants. Le rapport complexite/performance est soigneusement analyse. Enfin, la troisieme partie s'interesse plus particulierement aux entrees : tout d'abord, une redistribution de la chronologie horaire de la pluie safran nous permet d'ameliorer nos simulations. Puis une validation du manteau neigeux simule par crocus est effectuee grace au suivi de la fonte nivale par photographies terrestres. Un traitement d'image adapte permet ensuite de determiner l'enneigement reel. Finalement, dans la perspective de modelisations hydrologiques sur des bassins boises, un module de fonte sous foret est propose pour completer la chaine safran-crocus existante.

Pour lutter contre la pollution issue du milieu agricole, il importe de bien la connaître et quantifier, mais surtout d’aider les agriculteurs à adopter des techniques de gestion du territoire appropriées et de bonnes pratiques agricoles. L’utilisation d’un modèle permettant de simuler l’impact des pratiques de gestion sur la qualité des eaux des cours d’eau constituerait un outil d’aide à la décision très important, notamment avec la problématique spécifique aux petits bassins versants ruraux. En effet, les petits bassins sont difficiles à modéliser, faisant souvent l’objet de peu, voire d’aucun suivi au niveau des débits et de la qualité de l’eau. Le modèle utilisé dans cette étude, qui commence à être appliqué au Québec, s’appelle Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modèle fortement paramétré. Mais la modélisation à l’échelle de bassin versant est entravée par beaucoup d’incertitude comme des processus inconnus du modélisateur, des processus non pris en compte par le modèle et des simplifications de processus par le modèle. Le défi est d’autant plus grand dans le cas d’une évaluation journalière de la performance du modèle: les bonnes performances journalières de SWAT avec peu de données sont rares. Or, dans un petit bassin versant où la réponse aux événements est très rapide, un pas de temps plus petit, notamment journalier, est plus adéquat pour préserver le comportement hydrologique du bassin et la variance des données et observer les effets produits sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, la méthode de conversion des données journalières en données mensuelles ou annuelles modifie énormément le caractère des données et par conséquent les résultats d’interprétation malgré l’obtention de bonnes performances. Pour relever ce défi, la présente étude se fixe pour but d’améliorer la performance journalière en modélisation de la qualité de l’eau dans les petits bassins agricoles avec peu de données avec un modèle fortement paramétré. Ainsi, nos objectifs sont articulés autour des deux points suivants : 1) proposer une nouvelle méthodologie de calage, optimisant à la fois les débits (Q) et les charges de Matières En Suspension (MES) et du Phosphore Total (PT), sur de petits bassins versants avec peu de données, afin d’obtenir une meilleure performance journalière et 2) appliquer notre méthodologie à un petit bassin agricole avec peu de données et proposer des scénarios agricoles réalistes. La nouvelle méthodologie de modélisation proposée est issue de l’évaluation des deux approches de calage avec SWAT, uni-objective et multi-objective, ainsi que de la résolution des problèmes tout au long des calages, dont une biomasse mal représentée, une absence d’eau dans les drains, un ruissellement de surface trop élevé, un bilan de masses déséquilibré et une perte de performance des débits. Même si la performance journalière de modélisation des MES et du P total obtenue n’est pas encore optimale, elle a pu être améliorée grâce à notre méthodologie. Les résultats produits sont aussi réalistes que possible et montrent que (i) la performance du modèle dépend non seulement du choix de l’approche de calage, mais essentiellement des paramètres influents; (ii) le calage multi-objectif en considérant tous les paramètres influant sur les variables considérées est la meilleure approche pour modéliser Q, MES et PT; (iii) le changement de poids affectés aux fonctions-objectif n’a pas amélioré la performance du modèle, (iv) avec une optimisation uni-objective, une excellente performance du modèle en qualité de l’eau peut cacher une grande détérioration de la performance des débits et des composantes hydrologiques internes déséquilibrées; (v) malgré un bon pré-ajustement du bilan hydrologique annuel, le bilan de masses à l’intérieur des URH peut être complètement débalancé; (vi) et les ajustements manuels après calage de certains paramètres et la modification de certaines routines dans l’exécutable du modèle ont pu rehausser énormément la performance en qualité de l’eau. Notre nouvelle méthodologie a été appliquée sur le bassin versant Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Québec, Canada. Par la suite, de meilleures pratiques agricoles visant l’objectif de réduction du P total dans le site étudié ont été simulées (modalités d’épandage des engrais, travail du sol, conversion de cultures…).<br>It is important to know and quantify diffuse pollution, and especially to help farmers to adopt best management practices. In order to control river pollution, a model simulating the fate of pollutants and identifying the best management practices can be of a great help, especially for small rural watersheds, which are increasingly polluted but rarely or not monitored. The model in this study, which begins to be used in Quebec, is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a highly parameterized model. Calibration of models at the watershed scale is challenging because of the possible uncertainties that may exist in the form of process simplification, processes not accounted for by the model, and processes in the watershed that are unknown to the modeller. The challenge is even greater in the case of a daily evaluation of model performance on small agricultural watersheds with limited data. With SWAT, only few case studies have been conducted on small agricultural watersheds with limited data. The time step in water quality modelling is usually monthly or annual and good fits are rarely obtained using a daily time step, given the scarcity of data. However, a daily time step better represents the dynamics of pollutants in the river especially for the fast reacting small watersheds and provides more realistic simulation results. So, to improve daily performance in modelling water quality in small agricultural basins with limited data with a highly parameterized model, our objective is twofold: 1) to propose a methodology to obtain better daily performance in modelling flow (Q), Suspended Solids (SS) and total phosphorus (TP) in small watersheds with little data and 2) to apply the methodology to a case study for a small agricultural catchment with limited data. The proposed modelling methodology is based on the evaluation of the two calibration approaches with SWAT, single-objective and multi-objective, and the resolution of the problems encountered (misrepresented biomass, absence of water in the drains, too high surface runoff, unbalanced internal model components and a loss of performance of predicting flows). Although the daily model performance in terms of suspended solids and total P is still not optimal, it has been improved thanks to the new methodology. The results showed that (i) the model performance depends not only on the choice of calibration approach, but essentially on the selection of influential parameters; (ii) the multi-objective calibration estimating all parameters related to all measured variables at once is the best approach to model Q, TSS and TP; (iii) changing weights does not improve model performance; (iv) with a single-objective optimization, an excellent water quality modelling performance may hide a loss of performance of predicting flows and unbalanced internal model components; and (v) manual adjustments after calibration of some parameters and modifications of some software routines can greatly enhance performance in water quality. After application of the new methodology on the study area, the watershed Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Quebec, Canada, best management practices for the purpose of reduction of TP were simulated with SWAT (fertilizer application, tillage, crop conversion).

Dans l'objectif général d'améliorer la modélisation du fonctionnement hydrologique des bassins versants, on vise à mettre au point un modèle général et régionalisable de détermination de la fonction de production en vue de la coupler à une fonction de transfert déterministe. L'étude est réalisée sur cinq bassins versants de petite taille (moins de 40 ha) situés dans des zones agroécologiques différentes et représentatives de la diversité des conditions paysagères de l'Indonésie. La modification de la version originale du modèle H2U nous permet de modéliser la fonction de transfert des versants. Le couplage entre la fonction de densité de probabilité (fdp) théorique des versants et la fdp théorique du réseau hydrographique par un produit de convolution, donne la fdp théorique de bassin versant quasi identique à la fdp expérimentale pour les cinq bassins versants étudiés. On montre que la modélisation de la fonction de production selon la loi de Horton, en utilisant les paramètres fo, fc et k mesurés sur le terrain, ne peut être appliquée que dans le cas des bassins versants imperméables, et les hydrogrammes obtenus à partir du couplage entre la fonction de transfert théorique et la pluie nette déterminée selon cette procédure sont de qualité médiocre. Le modèle cuvette est développé à partir de l'hypothèse que le débit sortant de la cuvette suit une loi de réservoir linéaire. Dans ce modèle, l'infiltration ne se produit que dans la cuvette et la pluie nette est calculée à partir du débit de déversement de celle-ci. Il parvient à simuler les lames ruisselées dans l'immense majorité des cas, quelle que soit la perméabilité des bassins versants. En couplage avec la fonction de transfert H2U, ce modèle permet une bonne simulation de l'hydrogramme pour un épisode sur quatre et même près d'un épisode sur deux dans le cas du bassin versant le plus imperméable. L'avantage du modèle cuvette réside surtout dans le fait qu'il n'utilise aucun calage, ce qui permet de l'appliquer à un bassin versant non jaugé<br>The ultimate target is to improve the modeling of the hydrological functioning of the catchment. We aim to develop a general model of determination of the production function in order to couple it to a deterministic transfer function. The research is carried out on five micro catchments (less than 40 ha) located in different agroecological zones which are representative of diversity of the landscape conditions in Indonesia. The modification of the original version of the model H2U will allow the modeling the transfer function on the hillslope. The coupling between the theoretical probability density function (pdf) of the hillslope and the theoretical pdf of the drainage network through a convolution product, gives a theoretical pdf of the catchment nearly identical to the experimental pdf for the five microcatchments studied. It is shown that the modeling of the production function according to the Horton's law by using the parameters fo, fc and k measured on the field, can be applied only in the case of the impervious microcatchments, and the hydrographs obtained from the coupling between the theoretical transfer function and the resulting excess rainfall according to this procedure are not satisfactory. The micro-depression model is developed from the hypothesis that the outgoing discharge of the micro-depression follows linear reservoir law. In this model, infiltration is assumed to occur only in the micro-depression, and the excess rainfall is calculated starting from the discharge which flows from the micro-depression. It succeeds to simulate the excess rainfall in most cases, whatever the permeability of the catchment. By coupling it to the transfer function H2U, this model allows a good simulation of hydrograph for one episode out of four and even almost one out of two in the case of the most impervious catchment. The major advantage of the micro-depression model is that it does not require any calibration, which allows its application on any ungauged catchment

Les fortes crues des petits bassins saheliens se caracterisent par une preponderance du ruissellement superficiel par rapport aux autres types d'ecoulements (ecoulement retarde, ecoulement de base). Cette caracteristique peut s'expliquer par l'homogeneite des formes des fortes pluies, mais aussi par l'absence de nappe souterraine proche de la surface et par les particularites des organisations pelliculaires de l'horizon superficiel du sol. Ces differents facteurs font du sahel une region ideale pour l'application du concept d'hydrogramme unitaire, avec comme objectif l'analyse et la predetermination des fortes crues. Plusieurs modeles fondes sur la technique de l'hydrogramme unitaire sont presentes. Ils se differencient par l'expression analytique de la fonction de production et par la methode d'identification de la fonction de transfert. Ces modeles sont appliques aux donnees de huit petits bassins versants de superficie inferieure a 100 km#2. Cette application permet de delimiter le domaine de validite de ce type de modelisation. Une methode de predetermination de crues sur des bassins non jauges est proposee. Les hypotheses de base de cette methode sont confirmees par des resultats de la modelisation

Plusieurs modèles hydrologiques ont été développés au cours des dernières décennies. Un modèle hydrologique devrait être capable de représenter tous les bassins versants. Les performances des modèles dépendent des caractéristiques du bassin versant étudié; aucun modèle ne convient à toutes les tâches de modélisation. Cette thèse de doctorat a pour but de proposer une méthode de sélection de modèles parmi un grand nombre de candidats. Elle prend en compte : l'identification d'une banque de modèles performants pour des conditions climatiques différentes et la sélection de modèles appropriés selon les conditions climatiques du bassin versant (aride, tempéré ou continentale) et les objectifs de modélisation (débits élevés, moyens ou faibles). La recherche est basée sur 1446 modèles construits en utilisant l‘approche multistructure empirique (Ensemble Multistructure Framework, EMF) et 100 bassins versants états-uniens aux conditions climatiques diversifiées. L'objectif de cette étude est de valoriser les approches flexibles afin d'identifier des modèles performants pour une diversité de climats. La sélection des modèles est ainsi basée sur les performances individuelles de 1446 modèles en les comparant avec un modèle de référence (GR4J). Sur la base de cette étude, une banque de 80 modèles diversifiés, issus des 1446 modèles initiaux, a été proposée pour d‘autres applications. Pour évaluer l'impact du climat et de la métrique sur la performance du modèle, les 80 modèles présélectionnés ont été évalués sur les trois types de climat et sur les trois objectifs de modélisation. Cette étude propose au final quatre nouveaux modèles hydrologiques conceptuels, adaptés à des conditions climatiques et hydrologiques spécifiques. La modélisation hydrologique demeure imparfaite en raison d'un grand nombre d'incertitudes liées notamment à la description de la transformation pluie-débit par les structures du modèle hydrologique. L'approche multimodèle est une solution alternative, parce que la combinaison de modèles existants peut mener à de meilleurs résultats par rapport aux modèles individuels. La diversité des structures des modèles constitue souvent un des premiers principes du fonctionnement d‘un multimodèle de manière à compenser les erreurs et à améliorer les performances. Les 80 modèles présélectionnés et l'algorithme Backward Greedy Selection (BGS) sont ainsi utilisés afin de sélectionner l‘ensemble des modèles à combiner. Les tests ont été effectués sur six critères (MCRPS, KGEsqrt, Mlogs, NRD, PIT et RDmse). Les résultats montrent que l'optimisation par MCRPS est la plus intéressante.<br>Many hydrologic models were developed in the last few decades. They should be capable of simulating all of the catchments but, in practice, their performance is dependent on the geology and climate, so no model structure is suitable for all modeling tasks. This doctoral thesis aims at proposing a model selection method, from a grand pool of candidates, which accounts for the identification of a pool of successful models in diversified climates conditions and the selection of appropriate models for the catchment climatic conditions (arid, humid, and continental) and modeling objectives (high, medium and low flows). It is based on 1446 models constructed using the Ensemble Multistructure Framework (EMF) and 100 climatically diversified American catchments. The focus of this study is to value flexible modeling approaches to identify successful models for a variety of climates. The model selection is first based on the individual performance of the 1446 models, comparing them to a reference model (GR4J). A pool of 80 diversified models is then identified for further investigation. To evaluate the impact of climate and metric on model performance, the 80 preselected models are evaluated on the three types of climates and three modeling objectives. At the end, four new lumped conceptual hydrologic models are tailored for specific climate and flow conditions. Hydrological modeling remains imperfect due to a large number of uncertainties, particularly related to the description of rainfall-flow transformation by hydrological model structures. The multimodel approach is an alternative solution, because the combination of existing models gives better results than individual ones. The diversity of model structures touches one of the first principles of the operation of a multimodel is the compensation of the errors to improve the performances. The 80 preselected models and the Backward Greedy Selection (BGS) algorithm are then used to select the models set to combine. Tests are performed on six optimizations (MCRPS, KGEsqrt, Mlogs, NRD, PIT and RDmse). Results show that, the optimization by the MCRPS is most interesting when compare to other criterions.

La modelisation du fonctionnement hydrologique d'un bassin versant a, dans le contexte actuel, trop souvent tendance a s'enfermer dans la seule modelisation des debits de l'exutoire d'un bassin versant. Cette tendance est, en general, liee au fait que seules ces donnees sont disponibles sur les secteurs etudies. La validation d'un modele ne s'effectue donc dans ce contexte qu'a partir des hydrogrammes. Nous avons essaye, dans le cadre de ce travail, d'aller plus loin dans la parametrisation et la validation des modeles testes. Ainsi, l'integralite des donnees disponibles sur les bassins versants etudies a ete utilisee, soit pour l'amelioration de la modelisation et de la prise en compte de certains processus, soit pour la parametrisation des modeles, soit pour la validation a plusieurs echelles spatiale des resultats, concernant aussi bien les debits que le stock d'eau disponible dans les sols et le manteau neigeux. Pour tenir compte de la double interaction terrain-modele, modele-terrain, et mener a bien nos objectifs, il nous a fallu choisir d'une part des bassins et d'autre part des modeles. En ce qui concerne les bassins, notre choix s'est porte sur le bassin versant de la fecht en amont de walbach (211 km#2), sur celui de la weiss en amont de freland (117 km#2), son principal affluent, ainsi que sur celui du russeau de soultzeren (12,5 km#2). En ce qui concerne le modele, notre choix s'est porte d'une part sur un modele conceptuel distribue: le modele couple, teste sur les bassins de la fecht et de la weiss et d'autre part, sur le modele topmodel, nous permettant de tenir compte de l'importance de la dynamique des surfaces saturees en eau sur le fonctionnement hydrologique d'un bassin versant de quelques kilometres carres. Notre travail s'organise en quatre parties: dans une premiere partie, nous presenterons le cadre physique des bassins etudies, les differents aspects du cycle de l'eau et les equipements disponibles sur le terrain. Dans une deuxieme partie, nous presenterons le modele couple et nous effectuerons une discretisation des bassins en fonction de criteres naturalistes ainsi qu'une parametrisation a base physique du modele. Apres une phase de calibration, nous presenterons les principaux resultats de la validation et de la transposition du modeles sur les bassins versants etudies. Dans une troisieme partie, nous presenterons la modelisation mathematique du fonctionnement hydrologique du bassin versant du ruisseau de soultzeren a partir de topmodel comprenant: une typologie et une etude du fonctionnement des surfaces saturees sur le bassins etudie, une presentation generale du modele, la discretisation du bassin et la parametrisation du modele et finalement les simulations et les resultats

Les nappes d'eau souterraines ne sont que très rarement connues dans leur globalité. Leur volumes, associés aux caractéristiques du milieu poreux aquifère, relèvent le plus souvent de mesures ponctuelles in situ (pompage d'essai, piézométrie). Les valeurs ainsi calculées sont difficilement extrapolables à l'ensemble aquifère. L'objectif de la thèse est donc d'apprécier les principales grandeurs caractéristiques du milieu poreux à partir de données hydroclimatologiques et morphométriques faciles à collecter. La démarche proposée a été appliquée à l'aquifère du Lias Infèrieur et Moyen périardennais (superficie de 320 km2) découpé en 51 bassins de lithologie homogène.