Academic literature on the topic 'Hydrologie – Méthodes statistiques'

La loi exponentielle est très répandue en hydrologie : elle est faiblement paramétrée, de mise en œuvre aisée. Deux méthodes sont fréquemment utilisées pour estimer son paramètre : la méthode du maximum de vraisemblance et la méthode des moments, qui fournissent la même estimation. A côté de ces deux méthodes, il y a celle des moindres carrés qui est très rarement utilisée pour cette loi. Dans cet article, nous comparons le comportement asymptotique de l'estimateur de la méthode des moindres carrés avec celui de la méthode du maximum de vraisemblance en partant d'une loi exponentielle à un seul paramètre a connu, puis en généralisant les résultats obtenus à partir de la dérivation des expressions analytiques. L'échantillon historique disponible en pratique étant unique, et de longueur généralement courte par rapport à l'information que l'on désire en tirer, l'étude des propriétés statistiques des estimateurs ne pourra se faire qu'à partir d'échantillons de variables aléatoires représentant des réalisations virtuelles du phénomène hydrologique concerné obtenus par simulations de Monte Carlo. L'étude par simulation de Monte Carlo montre que pour de faibles échantillons, l'espérance mathématique des deux estimateurs tend vers le paramètre réel, et que la variance de l'estimateur des moindres carrés est supérieure à celle de l'estimateur du maximum de vraisemblance.

L'utilisation de l'information historique dans une analyse fréquentielle permet de mieux mobiliser l'information réellement disponible et devrait donc permettre d'améliorer l'estimation des quantiles de grande période de retour. Par information historique, on entend ici de l'information relative à des grandes crues qui se sont produites avant le début de la période de mesure (dite période de jaugeage systématique) des niveaux et débits des lacs et rivières. On observe de manière générale que l'utilisation de l'information historique conduit à une diminution de l'impact des valeurs singulières dans les séries d'enregistrements systématiques et à une diminution de l'écart-type des estimations. Dans le présent article on présente les méthodes statistiques qui permettent la modélisation de l'information historique.

La probabilité d'occurrence des sécheresses dans le bassin de la Medjerda (Tunisie) est calculée en se basant sur les totaux pluviométriques annuels de 35 postes sur une période de quarante ans. Les moments statistiques des volumes de déficits face à une demande en eau fixée sont estimés par la méthode des séries. Une fonction de répartition marginale des volumes de déficits est proposée, ainsi que des fonctions de répartition conditionnelles pour des durées sèches de un à six ans. Plusieurs lois de probabilité couramment utilisées en hydrologie sont étudiées. Des applications de ce modèle sont présentées.

Abstract. Le Bouregreg est le deuxième fleuve du Maroc. Il draine les eaux du centre du Maroc, du Moyen Atlas à l'Atlantique, qui sont stockées dans la retenue du barrage Sidi Mohamed Ben Abdellah créé en 1974 et situé à proximité de Rabat. Sa fonction exclusive est l'alimentation en eau potable pour les besoins individuels et industriels de 6 millions d'habitants de la bande littorale allant de Kénitra à Casablanca. Toutefois, l'exploitation de cette retenue présente aujourd'hui quelques incertitudes surtout en considérant l'augmentation de la population, la baisse des volumes précipités depuis 1979 et le comblement de la retenue par le transport de sédiments dus à l'érosion des sols. L'objectif de cette étude est de d'écrire l'évolution des pluies et des débits du bassin versant du Bouregreg à partir des séries de pluie et débit sur une période de 36 ans, de 1977 à 2013. Nous avons utiliséì les indices pluviométrique et hydrométrique, dans le but de caractériser l'hétérogénéité temporelle de la variabilité climatologique et dégager les grandes tendances des séries de données hydroclimatologiques. L'évolution des indices pluviométriques et hydrométriques met en relief la période déficitaire qu'a connu le Maroc au début des années 80. En effet, une baisse générale des pluies est remarquée dans le bassin versant du Bouregreg depuis 1979, ainsi il existe des relations entre la variabilité des pluies de certaines régions et l'Oscillation Nord Atlantique en 1996. Les méthodes statistiques de détection de ruptures montrent que la période de rupture majeure se trouve durant la deuxième moitié des années 70 et le début des années 80. Depuis cette date la baisse de la pluviométrie s'est installée de manière significative, et une perturbation du régime hydrologique est observée sur la presque totalité du bassin versant du Bouregreg, même si quelques années de meilleures pluviométries ont été observées à la fin des années 2000.

La mousson ouest-africaine rythme le calendrier agricole de toute l’Afrique de l’Ouest; celui-ci est de plus en plus court au fur et à mesure que l’on se déplace vers le Nord, comme la durée et l’abondance de la mousson diminuent. Après une période de sécheresse de 1968 à 1995, l’Afrique de l’Ouest connaît plutôt depuis la fin du dernier millénaire un retour à des conditions pluviométriques plus humides; celles-ci, aux latitudes soudano-sahéliennes, sont similaires, en termes de moyenne et de variabilité interannuelle, à celles qui ont été observées de 1900 à 1950. L’objectif est de montrer en quoi l’évolution pluviométrique récente explique la dynamique hydrologique et agronomique de la région ouest-africaine, en particulier l’occurrence accrue des inondations et le faible regain des rendements agricoles en dépit du retour à une pluviométrie plus favorable. Des méthodes statistiques simples sont utilisées dans deux sous-régions, la Sénégambie et le bassin du Niger Moyen, pour mettre en évidence l’évolution, sur la période 1950-2013, des caractéristiques de la mousson qui ont un intérêt hydrologique et agronomique (cumuls annuels, pluies extrêmes, date de début et de fin et durée de la saison des pluies). On observe que les périodes 1900-1950 et 1995-2015 peuvent être considérées comme des périodes de pluviométrie moyenne, les périodes 1951-1967 et 1968-1995 étant des périodes respectivement humides et sèches. Par ailleurs, on observe une augmentation des jours de pluie de fort cumul bien plus rapide que celle de la pluie elle-même. Enfin, si la saison des pluies est à présent sensiblement plus longue que durant la phase sèche, on observe pourtant ces dernières années dans le Sahel central un retour des « mauvais » hivernages au sens agronomique du terme.

La prévention du risque d'inondation nécessite une connaissance détaillée du régime hydrologique en crue du bassin étudié. Dans ce but, l'approche débit-durée-fréquence (QdF), développée depuis déjà plusieurs années, a permis de définir un modèle statistique décrivant les crues observées en fonction de leur débit, de leur durée et de leur fréquence. Un récent travail a revisité cette approche. Grâce à son nombre réduit de paramètres, le modèle proposé, appelé modèle local convergent, peut être facilement ajusté pour chaque bassin. Dans l'ancienne approche, que nous appelons approche " bassin de référence ", l'ajustement local avait été effectué sur seulement trois bassins, dits de référence, et réputés être chacun représentatif d'une typologie d'écoulement différente. Ces trois paramétrisations types ont ensuite donné lieu à trois modèles adimensionnels, capables de caractériser la majorité des régimes observés. Le modèle adimensionnel correspondant au régime du bassin étudié devait être dénormé par deux caractéristiques locales du bassin : le débit instantané maximal de crue décennale et une durée caractéristique de crue. Une comparaison du nouveau modèle, appelé modèle local convergent, et de l'approche type " bassin de référence " a été effectuée sur une cinquantaine de bassins jaugés. Elle met en évidence la robustesse du modèle convergent et permet de discuter du choix du modèle relatif à l'approche " bassin de référence ". Le modèle local convergent autorise d'envisager le développement d'un modèle QdF régional, s'inspirant de différentes méthodes de régionalisation. Ceci permettra alors une application à des bassins peu ou non observés.

Afin de suivre l’évolution de l’occupation du sol du bassin versant de la rivière Cau (nord du Vietnam), des images HRVIR 2 du satellite SPOT-4 ont été acquises fin novembre 2007 et début janvier 2008. Dans un premier temps, l’approche de classification hiérarchique avec le mode de classification « avec caractéristiques liées aux classes (class-related features) » a été développée et appliquée afin d’extraire sept classes d’occupation du sol pertinentes à la modélisation hydrologique, sans distinguer les rizières des autres types de culture. Cette approche a montré son efficacité, la précision globale de la classification étant de 91 %. Une diminution significative de la confusion entre les milieux urbains, les terres agricoles et les plantations a été remarquée par rapport à une classification antérieure d’une image LANDSAT-7 de 2003, dont la précision globale était de 78 %. Par la suite, afin de distinguer les rizières des autres types de culture, deux séries d’images du satellite RADARSAT-2 en bande-C (double polarisation et polarimétriques) ont été utilisées. Ces images ont été acquises de mai 2009 à mai 2010 et couvrent deux périodes de croissance du riz, soit la période de la principale récolte (saison traditionnelle du riz) et celle du printemps. Pour les images double polarisation, en mode standard (S5), une méthode de seuillage a été appliquée sur la variation temporelle du signal entre les images acquises en début de saison et celles à la mi-saison. Cette méthode a permis de détecter 74 % des rizières de la saison traditionnelle du riz et 63 % des rizières de la saison de riz du printemps, selon une comparaison avec des données statistiques de la province de Thai Nguyen. La précision globale de la classification obtenue, pour toutes les classes d’occupation du sol, est de 71 % pour la saison traditionnelle de riz et de 67 % pour la saison de riz du printemps. Pour les images polarimétriques, en mode fin (FQ21), la matrice de cohérence a été choisie pour identifier les rizières d’une zone hétérogène. La classification a été réalisée à l’aide de l’algorithme SVM (Support Vector Machine). Ces dernières informations ont ensuite été intégrées à la carte thématique dérivée d’images SPOT-4 pour obtenir la carte finale. Cette carte sert directement à la modélisation hydrologique. Les calculs des besoins en eau pour la culture du riz ont montré que les rizières prennent une grande proportion du débit total dans les deux sous-bassins versants utilisés en exemple. Ces calculs montrent l’importance de détecter les rizières si l’on souhaite réaliser des simulations hydrologiques réalistes sur le bassin versant de la rivière Cau et confirment une des hypothèses de nos travaux, qui est que l’identification des rizières sur la carte d’occupation du sol améliore les évaluations et prédictions liées au cycle hydrologique.

L’hydrologie du fleuve Sénégal est tributaire de l’influence cumulée de la variabilité climatique et des barrages de Diama et de Manantali depuis la mise en service de ces derniers. Aujourd’hui, dans la vallée du fleuve, on assiste à une recrudescence des inondations. C’est dans ce contexte que nous nous proposons d’étudier l’évolution du régime hydrologique du fleuve Sénégal afin d’appréhender, à la fois, l’effet de la variabilité climatique et des barrages sur les écoulements. Une approche statistique associant plusieurs méthodes complémentaires (indices centrés et réduits, tests de détection de ruptures des moyennes et procédure de segmentation des séries) a été utilisée. Nos analyses nous ont permis de constater, sur le bassin du fleuve Sénégal, la rupture climatique des années 1970 qui s’est traduite par une diminution de l’écoulement moyen annuel mais aussi des cotes maximales annuelles et minimales annuelles. Cependant, une reprise significative des écoulements moyens annuels est observée à partir des environs de l’année 1994, ce qui atteste l’entrée dans une nouvelle période climatique plus humide que celle des décennies 1970 et 1980 à l’échelle du bassin du fleuve Sénégal. En outre, dans la vallée du fleuve, l’écoulement moyen annuel est renforcé, depuis la fin des années 1980 et le début des années 1990, par l’effet cumulé des barrages (par leurs impacts sur l’occupation du sol) et de la variabilité climatique. En effet, les barrages ont entraîné une hausse des crues maximales annuelles à la station de Bakel depuis 1994 et un soutien considérable des étiages dans toute la vallée du fleuve Sénégal.

Les modélisations régionales proposées sur les modules annuels et les débits moyens d'étiage des sous-bassins de la Moselle française devraient contribuer à l'amélioration des connaissances sur le fonctionnement physique actuel des hydrosystèmes. Elles s'inscrivent dans le contexte des directives de la loi Pêche et de la loi sur l'Eau et plus récemment de la Directive Cadre Européenne. Quarante neuf sous-bassins répartis en trois jeux ont permis de caler et valider un modèle régional des modules annuels et un modèle régional d'étiage. Dans le cas du bassin hydrographique de la Moselle française une certaine dépendance existe entre modèles régionaux dont la loi statistique choisie est la loi de Weibull à 2 paramètres. Une pseudo-dépendance est observée entre la loi régionale des modules annuels et la loi régionale des débits moyens d'étiage pour les années moyennes à sèches. Cette propriété va permettre en particulier l'usage d'une procédure simplifiée commune, établie à partir de la connaissance de jaugeages épisodiques d'étiage, pour l'estimation des descripteurs de débit d'un sous-bassin non observé : le module médian /qa et le débit quotidien minimal médian /vcnd=1. Pour le modèle régional d'étiage un deuxième descripteur local est nécessaire. Il s'agit d'un temps caractéristique d'étiage du sous-bassin ∆e (j) permettant de généraliser le modèle à toute durée d. Le concept débit-durée-fréquence QdF appliqué aux étiages exploite la convergence observée des distributions de différentes durées d et est indépendant de la loi fréquentielle choisie. Le caractère opérationnel de ces modélisations régionales dépend essentiellement de la précision d'estimation des descripteurs de débit du sous-bassin étudié /qa, pour les modules annuels et /vcnd=1 pour les étiages. Ces descripteurs de débit ont été estimés selon deux approches : l'approche classique par régression multiple et selon une approche simple de recherche d'un coefficient de tendance k entre jaugeages épisodiques d'étiage concomitants au sous-bassin étudié (pas ou peu d'observations) et au sous-bassin de référence (chronique de débit continue). Pour cela, un choix de cinq jaugeages d'étiage par an sur les douze dernières années en moyenne a été fait. Le descripteur de débit du sous-bassin étudié est ensuite déduit du produit de k par le descripteur de débit du sous-bassin de référence. Pour /vcnd=1, sb. étudié nous observons dans la majorité des cas une nette amélioration de l'estimation obtenue par régression, notamment une forte réduction des écarts les plus importants. Une similitude des classes de superficie entre sous-bassin étudié et sous-bassin de référence n'est pas exigée. La proximité géographique des sous-bassins semble donner de meilleurs résultats. En ce qui concerne le module médian /qasb. étudié, son estimation par régression multiple est assez performante. Parallèlement à cela, le coefficient k de tendance permet, de même que pour, une estimation cohérente de /qasb. étudié. Ce résultat un peu inattendu laisse supposer que la pseudo-dépendance observée entre modèles régionaux a bien une réalité physique. Nous avons insisté sur cette démarche "de régionalisation" nécessitant un faible investissement en mesures de débit des sous-bassins non observés par rapport au réseau national de suivi hydrométrique. Elle se présente à notre avis comme une alternative (ou complémentarité) intéressante aux méthodes de régionalisation à bases géostatistiques : telles que l'identification du voisinage hydrologique homogène du sous-bassin étudié ou encore la prise en compte de l'effet structurant du réseau hydrographique dans la cartographie du descripteur de débit. L'ensemble des connaissances relative à cette recherche est repris dans un Système d'Information Géographique pour répondre éventuellement à la demande.

La dernière décennie a vu l'émergence de la prévision probabiliste de débits en tant qu'approche plus adaptée pour l'anticipation des risques et la mise en vigilance pour lasécurité des personnes et des biens. Cependant, au delà du gain en sécurité, la valeur ajoutée de l'information probabiliste se traduit également en gains économiques ou en une gestion optimale de la ressource en eau disponible pour les activités économiques qui en dépendent. Dans la chaîne de prévision de débits, l'incertitude des modèles météorologiques de prévision de pluies joue un rôle important. Pour pouvoir aller au-delà des limites de prévisibilité classiques, les services météorologiques font appel aux systèmes de prévision d'ensemble,générés sur la base de variations imposées dans les conditions initiales des modèlesnumériques et de variations stochastiques de leur paramétrisation. Des scénarioséquiprobables de l'évolution de l'atmosphère pour des horizons de prévision pouvant aller jusqu'à 10-15 jours sont ainsi proposés. L'intégration des prévisions météorologiques d'ensemble dans la chaîne de prévision hydrologique se présente comme une approche séduisante pour produire des prévisions probabilistes de débits et quantifier l'incertitude prédictive totale en hydrologie
The last decade has seen the emergence of streamflow probabilistic forecasting as the most suitable approach to anticipate risks and provide warnings for public safety and property protection. However, beyond the gains in security, the added‐value of probabilistic information also translates into economic benefits or an optimal management of water resources for economic activities that depend on it.In streamflow forecasting, the uncertainty associated with rainfall predictions from numerical weather prediction models plays an important role. To go beyond the limits of classical predictability, meteorological services developed ensemble prediction systems, which are generated on the basis of perturbations of the initial conditions of the models and stochastic variations in their parameterization. Equally probable scenarios of the evolution of the atmosphere are proposed for forecasting horizons up to 10‐15 days.The integration of weather ensemble predictions in the hydrological forecasting chain is an interesting approach to produce probabilistic streamflow forecasts and quantify the total predictive uncertainty in hydrology. Last and final summary in the thesis

La dernière décennie a vu l'émergence de la prévision probabiliste de débits en tant qu'approche plus adaptée pour l'anticipation des risques et la mise en vigilance pour lasécurité des personnes et des biens. Cependant, au delà du gain en sécurité, la valeur ajoutée de l'information probabiliste se traduit également en gains économiques ou en une gestion optimale de la ressource en eau disponible pour les activités économiques qui en dépendent. Dans la chaîne de prévision de débits, l'incertitude des modèles météorologiques de prévision de pluies joue un rôle important. Pour pouvoir aller au-delà des limites de prévisibilité classiques, les services météorologiques font appel aux systèmes de prévision d'ensemble,générés sur la base de variations imposées dans les conditions initiales des modèlesnumériques et de variations stochastiques de leur paramétrisation. Des scénarioséquiprobables de l'évolution de l'atmosphère pour des horizons de prévision pouvant aller jusqu'à 10-15 jours sont ainsi proposés. L'intégration des prévisions météorologiques d'ensemble dans la chaîne de prévision hydrologique se présente comme une approche séduisante pour produire des prévisions probabilistes de débits et quantifier l'incertitude prédictive totale en hydrologie
The last decade has seen the emergence of streamflow probabilistic forecasting as the most suitable approach to anticipate risks and provide warnings for public safety and property protection. However, beyond the gains in security, the added‐value of probabilistic information also translates into economic benefits or an optimal management of water resources for economic activities that depend on it.In streamflow forecasting, the uncertainty associated with rainfall predictions from numerical weather prediction models plays an important role. To go beyond the limits of classical predictability, meteorological services developed ensemble prediction systems, which are generated on the basis of perturbations of the initial conditions of the models and stochastic variations in their parameterization. Equally probable scenarios of the evolution of the atmosphere are proposed for forecasting horizons up to 10‐15 days.The integration of weather ensemble predictions in the hydrological forecasting chain is an interesting approach to produce probabilistic streamflow forecasts and quantify the total predictive uncertainty in hydrology. Last and final summary in the thesis

La gestion et l'utilisation adéquate des eaux superficielles nécessitent une connaissance des écoulements des bassins versants à aménager pour satisfaire les besoins en eau et pour prévenir les crues dévastatrices qui entraînent des dégâts humains et matériels occasionnés le long des cours d'eau. Cette gestion exige l'élaboration de méthodes adéquates afin d'appréhender les risques d'inondation et par la suite contribuer à un développement socio-économique durable. C'est pourquoi, il s'est avéré intéressant d'analyser le régime hydrologique des eaux superficielles de certains bassins versants représentatifs en zone semi-aride du Maroc. L'analyse et la connaissance des caractéristiques hydrologiques au sein des différents bassins versants situés dans des contextes géologiques et climatiques différentes fait appel à de nombreux outils statistiques et certaines techniques de la modélisation des écoulements superficiels. La démarche méthodologique adoptée, basée sur des approches différentes et complémentaires, a permis d'identifier diverses affinités entre les bassins versants étudiés, de dégager les facteurs intervenant dans la répartition du débit et dans la genèse des phénomènes de crues, de caractériser l'hydrodynamisme des eaux superficielles de chaque bassin versant et de procéder à la modélisation des eaux superficielles pour la simulation et la prévision des débits à l'exutoire du bassin. Le modèle de réseaux de neurones artificiels peut être utilisé comme outil de prévision pour évaluer les risques d'inondations dans le cadre de l'aménagement hydraulique. Cette nouvelle technique peut donc être applicable à d'autres systèmes hydrologiques pour une gestion prévisionnelle des ressources en eau de surface du climat semi-aride plus particulièrement en période de crue.

Les plaines limoneuses du nord-ouest de la France subissent des dommages dus à l’aggravation des phénomènes érosifs, parmi eux les « crues turbides et rapides ». Notre recherche consiste à étudier l’évolution récente de l’occupation du sol dans les paysages de plateaux limoneux et leur incidence sur le déclenchement des phénomènes hydriques catastrophiques dans les régions de la Haute-Normandie, du Nord-Pas-de-Calais et de la Picardie. Elle vise aussi à tester l’efficacité des données de Corinne Land Cover, à préciser les déterminants du ruissellement érosif et des « crues turbides et rapides », à comparer les résultats obtenus avec les trois méthodes (Agreste, SIG et satellite) ; mais également à proposer des solutions pertinentes pour réduire le ruissellement érosif et les crues dans les régions étudiées
The loamy plains of north-west France have been undergoing damages due to the increasing of erosive phenomena, of which the peaty slide inundations. Our research aims at studying the recent evolution of the soil cover in the landscapes of loamy plains and their impact on the outbreak of catastrophic hydraulic phenomena in the following regions: Upper-Normandy, North-Pas-de-Calais and Picardy. This study also is going to test the effectiveness of Corinne Land Cover data, to clarify the determinants of erosive runoff and peaty slide inundations, to compare the results with the three methods (Agreste, GIS and satellite), but also to suggest some solutions for decreasing the erosive runoff and the peaty slide inundations in the studied regions

L'inondation par crue turbide en Pays de Caux est devenue l'une des priorités de l'aménagement régional. Au-delà des responsabilités inhérentes aux évolutions de l'agriculture l'espace du bassin-versant offre une multitude de responsabilités diffuses. Les crues turbides restent l'expression collective de processus dont les origines sont en partie liées à la gestion d'espaces individuels ; le bassin-versant élémentaire étant l'échelle pertinente d'appréhension des mécanismes élémentaires. En recoupant les deux échelles pertinentes que sont le bassin-versant élémentaire et l'exploitation agricole, l'analyse spatiale et la modélisation permettent la proposition de mesures anti-ruissellement et érosion, raisonnées individuellement sous contrainte collective. Ce dernier point garantit l'homogénéisation des dispositifs sur l'espace à risque et passe par la médiation et la concertation visant à réorganiser l'espace des exploitations. L'approche socio-économique permet, quant à elle, l'adaptation des exigences de limitation du ruissellement-érosif aux contraintes financières et structurelles de l'entreprise agricole
Peaty slide inundation in the Pays de Caux became a priority for regional development. The run-off is the most important factor that can explain the fact and frequency of this type of inundation. A space ans systemic approach at the scale of the elementary water-shed allows co-ordinated actions to appear, that have been decided and approved on a collective basis, which is a guaranty of effectiveness and efficiency. In addition to selective post corrective measures located right below vulnerable areas, efforts and reflections are made about the manner to reconsidering upper-water-shed practices. Mixing both significant scales ( elementary water-shed and farm), space analysis and modelling allow to suggest measures to fight run-off and erosion. Tese measures are individuals but with collective imperatives, which guatantees the homogenisation of devices on the area at risk, and implies a mediation and a dialogue aiming at reorganising the space of the farms. The socio-economic approach allows to adapt the erosive run-off limitation requirements to the financial and structural constraints of the agricultural company

La croissance des populations riveraines engendre un accroissement de la vulnérabilité de nos sociétés aux inondations donc une forte demande sociale pour prévenir et prévoir ces catastrophes naturelles. Pour atteindre cet objectif, la disposition d’outils de prévision des crues, opérationnels et fiables, est primordiale. Mais la prévision des crues demeure un exercice loin d’être évident. D’une part, parce que les exigences en matière de prévision (précision et délai d’anticipation) sont de plus en plus fortes et d’autre part, parce que les outils physiques de prévisions des crues sont limités par les connaissances relatives de l’hydro-système. Dans ce contexte, ce mémoire présente les travaux effectués pour réaliser des modèles de prévisions des crues pluie-débit, à base de réseaux de neurones artificiels (RNA), dans les bassins versants de l’Eure, de l’Iton et de l’Avre jusqu’à un horizon de prévision de 48h. D’abord, une analyse de la complexité géographique des bassins sera menée afin de déterminer les différents éléments influençant leurs régimes hydrologiques. Ensuite, une démarche méthodologique d’analyse statistique des données a permis une synthèse sur la nature hydrologique des bassins étudiés et d’apporter les éléments nécessaires à la définition des relations non-linéaires pluie-débit. Cet apport a permis la création d’un modèle pluie-débit non-linéaire de prévision des crues. Un modèle RNA capable d’effectuer des prévisions des crues jusqu’au 48h d’anticipation. Ce processus a été testé sur les trois bassins versants et les résultats des tests montrent une production de prévisions fiables ainsi qu’une capacité de généralisation à d’autres hydro-systèmes
The growth of riparian populations generates an increase in vulnerability of our societies to flood. Therefore, a high social demand to prevent and predict these natural disasters must be tacking to protect the population against floods. To achieve this objective, the provision of flood forecasting tools, operational and reliable, is primordial. But the flood forecasting still an exercise far from being evident. Firstly, because the forecast requirements (precision and time anticipation) are becoming more and more higher. And secondly, because the physical flood forecasting tools is limited by the relative knowledge of floods hydro-systems. In this context, this thesis presents the work done to produce rainfall-runoff flood forecasting models based on artificial neural networks (ANN) in the Eure watershed (and two sub-basins) up to a 48 hours horizon forecasting. Firstly, an analysis of the geographical complexity of studied basins will be conducted in order to determine the different factors that influencing the hydrological Eure watershed regime. Then, a methodological process to data statistical analysis, has allowed a synthesis on the hydrological nature of the watersheds studied and brings the elements needed to the definition of the non-linear relations rainfall-runoff. This contribution has allowed the creation of a rainfall-runoff nonlinear model for flood forecasting. ANN model able to perform a reliable forecasting of flood up to a 48 hours horizon forecasting. This process has been tested on three watersheds and the test results show a reliable forecasts as well as an ability of generalization to other hydro-systems

Jusqu'à nos jours en France, la description des précipitations en hydrologie urbaine repose essentiellement sur l'analyse de mesures ponctuelles. Elle se limite de surcroît à des statistiques d'intensités moyennes maximales (courbes IDF) obtenues selon des méthodes diverses. La pérennisation de réseaux denses de pluviographes conçus pour l'hydrologie urbaine autorise aujourd'hui des travaux de recherche sur les propriétés et la modélisation des précipitations. Cette thèse s'appuie sur 250 années-stations de mesures, acquises par le service d'assainissement de la Seine-Saint-Denis depuis 1976. Elle fait le point des méthodes de construction de courbes IDF, insiste sur les techniques d'analyse régionales et fournit des estimations d'intensités pour des périodes de retour de quelques semaines à quelques dizaines d'années. Des lois de distribution telles que le mélange de deux lois exponentielles ou la loi de Pareto procurent de bons résultats d'ajustement pour l'ensemble du domaine des fréquences. La distribution des intensités moyennes maximales de périodes de retour supérieures à 1,5 an, quelles que soient leur durée et leur surface d'observation (10-60 minutes ; 0 -10000 hectares) est représentée par une loi exponentielle simple et adimensionnelle. On étudie les fluctuations saisonnières et nycthémérales du risque pluvial. La notion de coefficient d'abattement épicentrique est ramenée à un simple indicateur global d'hétérogénéité spatiale. Enfin, les effets de la diversité temporelle et spatiale de la pluie sur le ruissellement sont décrits à l'aide d'un exemple concret, un bassin versant urbanisé de 1400 hectares, et d'un modèle mathématique de simulation pluie-débit.

La prévision des crues est un exercice hydrologique complexe : les incertitudes y sont nombreuses, aussi bien dans le processus de modélisation hydrologique, dans la détermination de l'état initial du bassin versant avant le lancement de la prévision, que dans l'évolution des conditions météorologiques futures. Dans le cas des bassins versants non jaugés, où les observations de débits sont lacunaires voire absentes, ces incertitudes sont encore plus importantes, et le besoin de les réduire devient incontournable. Cette thèse s'intéresse à des méthodes simples et robustes qui peuvent apporter de l'information pertinente pour quantifier les incertitudes de prévision dans les bassins versants non jaugés. Le but est d'étudier la meilleure stratégie pour chercher l'information dans les bassins jaugés "donneurs", et pour la transférer vers le site non jaugé. Nous étudions les besoins pour mettre en place un modèle de simulation pluie-débit et pour effectuer une mise à jour du modèle de prévision en temps réel. Ces deux composantes de la prévision sont ainsi découplées dans notre approche. Cette thèse s'appuie sur une large base de données constituée d'environ 1000 bassins versants français, dont un jeu clé de 211 bassins versants qui permet la validation des approches développées. Elle s'appuie également sur une archive d'environ 4,5 années de prévisions d'ensemble de pluies, utilisées en forçage à la modélisation hydrologique journalière. La démarche adoptée consiste à intégrer les scenarios de transfert de l'information régionale disponible et les scenarios de la prévision météorologique d'ensemble dans un système de prévision orienté vers les bassins versants non jaugés. L'approche de prévision d'ensemble est ainsi généralisée à ce cas particulier de la prévision hydrologique. A travers plusieurs scénarios de débits futurs, nous cherchons à quantifier les incertitudes de prévisions dans les sites cibles non jaugés. Pour évaluer les différents scénarios des prévisions hydrologiques émis, un cadre de diagnostic d'évaluation des principales qualités d'un système de prévision d'ensemble, comprenant plusieurs critères numériques et graphiques, a été mis en place. Dans cette thèse, une attention particulière est prêtée aux attributs "fiabilité" et "précision" des prévisions. Nous proposons ainsi un nouveau critère graphique, nommé diagramme de précision d'ensemble. Ce critère permet notamment de mettre en valeur la qualité des prévisions qui ne sont pas forcément fiables, mais qui sont précises. Les résultats obtenus ont mis en évidence que la fiabilité des prévisions peut être améliorée sur un bassin versant non jaugé par l'utilisation de plusieurs jeux de paramètres issus des bassins versants voisins. Si la variabilité apportée par le voisinage géographique influe sur la dispersion des membres, et augmente ainsi la fiabilité des prévisions, la prise en compte des caractéristiques physiques, principalement de la surface des bassins versants, est apparue comme une alternative intéressante, influençant positivement aussi l'attribut précision des prévisions sur le site cible. De plus, il a été montré que la précision des prévisions d'ensemble sur le site non jaugé est améliorée par l'intermédiaire du transfert des bassins versants jaugés vers le site cible des corrections faites lors de la mise à jour sur les bassins voisins (mise à jour caractérisée ici par l'assimilation de la dernière observation de débit dans le modèle hydrologique, avant l'instant de prévision). Les différentes mesures de performance ont montré que la meilleure option pour améliorer la précision des prévisions serait de considérer les corrections effectuées sur le bassin le plus proche à chaque pas de temps de prévision. Le krigeage a également donné des résultats satisfaisants, marqués en plus par l'influence positive sur l'attribut fiabilité des prévisions
Flood forecasting is a complex hydrological task: there are numerous uncertainties in the hydrological modelling process, in the determination of the initial catchment conditions before launching the forecast, and in the evolution of future weather conditions. In ungauged catchments, where streamflow observations are incomplete or absent, these uncertainties are even greater, and the need to reduce them becomes essential.This thesis focuses on simple and robust methods that can provide relevant information to quantify the uncertainty in ungauged catchments. The aim is to study the best strategy to search for information in gauged "donors" basins and to transfer it to the ungauged site. We investigate what information is needed to set up a rainfall-runoff model and to perform forecast updating in real time. These two components of a flood forecasting system are thus decoupled in our approach.This thesis is based on a large database of about 1000 French catchments, which includes a key set of 211 catchments that are used to validate the developed approaches. It also relies on an archive of about 4.5 years of ensemble forecasts of rainfall, which are used for hydrological modelling on a daily time step. The methodology adopted here integrates the scenarios of regional transfer of information and the scenarios of weather forecasting together in a forecasting system for ungauged basins. The approach of ensemble forecasting is thus generalised to this particular case of hydrological forecasting. Using several scenarios of future flows, we seek to quantify the predictive uncertainty in ungauged sites.To evaluate the flow forecast scenarios of the hydrological ensemble prediction system, a diagnostic framework with several numerical and graphical criteria is developed. Special attention is paid to the attributes of "reliability" and "accuracy" of the forecasts. We propose a new graphic criterion, named "diagram of ensemble accuracy". This criterion allows to highlight the quality of forecasts that are not necessarily reliable, but are accurate.The results show that forecast reliability in ungauged sites can be improved by using several sets of parameters from neighbour catchments. If on the one hand the variability brought by the information from the geographical proximity influences the spread of the ensemble forecasts, and thus improves forecast reliability, on the other hand taking into account the physical characteristics of the catchments, especially the surface, emerged as an interesting alternative, as it positively influences also the accuracy of the forecasts at the ungauged site.It is also shown that the accuracy of ensemble forecasts at ungauged sites can be improved with the transfer of updating information from gauged neighbour catchments (forecasting updating is here characterized by the assimilation of the last discharge observation in the hydrological model before the time of forecast). The updating information transferred to the ungauged site is the correction applied to the routing reservoir of the hydrological model. Different measures of forecast performance showed that the best option to improve forecast accuracy is to consider the corrections made at the closest gauged site. Kriging also gave satisfactory results, with additionally a positive impact also on the reliability of the ensemble flow forecasts

La prévision des crues est un exercice hydrologique complexe : les incertitudes y sont nombreuses, aussi bien dans le processus de modélisation hydrologique, dans la détermination de l'état initial du bassin versant avant le lancement de la prévision, que dans l'évolution des conditions météorologiques futures. Dans le cas des bassins versants non jaugés, où les observations de débits sont lacunaires voire absentes, ces incertitudes sont encore plus importantes, et le besoin de les réduire devient incontournable. Cette thèse s'intéresse à des méthodes simples et robustes qui peuvent apporter de l'information pertinente pour quantifier les incertitudes de prévision dans les bassins versants non jaugés. Le but est d'étudier la meilleure stratégie pour chercher l'information dans les bassins jaugés "donneurs", et pour la transférer vers le site non jaugé. Nous étudions les besoins pour mettre en place un modèle de simulation pluie-débit et pour effectuer une mise à jour du modèle de prévision en temps réel. Ces deux composantes de la prévision sont ainsi découplées dans notre approche. Cette thèse s'appuie sur une large base de données constituée d'environ 1000 bassins versants français, dont un jeu clé de 211 bassins versants qui permet la validation des approches développées. Elle s'appuie également sur une archive d'environ 4,5 années de prévisions d'ensemble de pluies, utilisées en forçage à la modélisation hydrologique journalière. La démarche adoptée consiste à intégrer les scenarios de transfert de l'information régionale disponible et les scenarios de la prévision météorologique d'ensemble dans un système de prévision orienté vers les bassins versants non jaugés. L'approche de prévision d'ensemble est ainsi généralisée à ce cas particulier de la prévision hydrologique. A travers plusieurs scénarios de débits futurs, nous cherchons à quantifier les incertitudes de prévisions dans les sites cibles non jaugés. Pour évaluer les différents scénarios des prévisions hydrologiques émis, un cadre de diagnostic d'évaluation des principales qualités d'un système de prévision d'ensemble, comprenant plusieurs critères numériques et graphiques, a été mis en place. Dans cette thèse, une attention particulière est prêtée aux attributs "fiabilité" et "précision" des prévisions. Nous proposons ainsi un nouveau critère graphique, nommé diagramme de précision d'ensemble. Ce critère permet notamment de mettre en valeur la qualité des prévisions qui ne sont pas forcément fiables, mais qui sont précises. Les résultats obtenus ont mis en évidence que la fiabilité des prévisions peut être améliorée sur un bassin versant non jaugé par l'utilisation de plusieurs jeux de paramètres issus des bassins versants voisins. Si la variabilité apportée par le voisinage géographique influe sur la dispersion des membres, et augmente ainsi la fiabilité des prévisions, la prise en compte des caractéristiques physiques, principalement de la surface des bassins versants, est apparue comme une alternative intéressante, influençant positivement aussi l'attribut précision des prévisions sur le site cible. De plus, il a été montré que la précision des prévisions d'ensemble sur le site non jaugé est améliorée par l'intermédiaire du transfert des bassins versants jaugés vers le site cible des corrections faites lors de la mise à jour sur les bassins voisins (mise à jour caractérisée ici par l'assimilation de la dernière observation de débit dans le modèle hydrologique, avant l'instant de prévision). Les différentes mesures de performance ont montré que la meilleure option pour améliorer la précision des prévisions serait de considérer les corrections effectuées sur le bassin le plus proche à chaque pas de temps de prévision. Le krigeage a également donné des résultats satisfaisants, marqués en plus par l'influence positive sur l'attribut fiabilité des prévisions.