Estimation des valeurs extrêmes de débit par la méthode Shyreg : réflexions sur l'équifinalité dans la modélisation de la transformation pluie en débit

par Yoann Aubert

Thèse de doctorat en Géosciences et ressources naturelles

Sous la direction de Pierre Ribstein et de Patrick Arnaud.


  • Résumé

    La connaissance des débits de crue reste un axe de recherche important en hydrologie pour la conception des aménagements des cours d’eau, le dimensionnement des ouvrages de franchissement et la protection des zones urbaines. L’équipe de recherche en hydrologie du Cemagref d’Aix-en-Provence a réalisée le développement d’une approche par simulation de scénarios de crue, basée sur le couplage d’un générateur de chroniques de pluies horaires et d’un modèle de transformation de la pluie en débit. Cette approche, appliquée à l’échelle du kilomètre carré (simulation ponctuelle de chronique de pluies et modélisation hydrologique sur petit bassin versant) permet la génération de multiples chroniques de pluies et de débits d’où l’on extrait des distributions de fréquences de leurs caractéristiques (pluie et débit maximums de différentes durées). Une fois régionalisée, l’approche fournit une cartographie de l’aléa pluvial et débimétrique à l’échelle de la France. Les débits à l’éxutoire d’un bassin versant sont alors estimés par une règle d’agglomération des débits aux différents pixels qui constituent le bassin versant, prenant en compte l’abattement statistique de la pluie sur le bassin et l’abattement hydraulique dans le réseau de drainage. C’est le principe de la méthode SHYREG. Le développement opérationnel a fait appel à des hypothèses successives de simplifications qui ont été revues dans ce travail de thèse. L’objectif était donc d’apporter des améliorations dans la modélisation pluie-débit utilisée afin de répondre aux problèmes suivants : quelle est la validité du domaine géographique d’application de la méthode ? quelle est la validité du domaine extrapolation fréquentielle de la méthode ? Les différentes hypothèses dans la méthode ont toutes une interaction les unes avec les autres, ce qui rend leur étude particulièrement difficile. Une hiérarchisation des hypothèses a été faite, en fonction de leur caractère plutôt général (indépendant des bassins versants et soumis à un calage global), ou plutôt local (dépendant du bassin et soumis à un calage local). Dans ce contexte, on traite des points suivants: - L’amélioration de la fonction d’agglomération des débits qui permet de passer du pixel à l’exutoire d’un bassin. La reformulation de cette règle d’abattement a permis d’élargir la gamme de superficie des bassins où la méthode reste applicable. - La prise en compte d’un débit de base dans la modélisation hydrologique des crues a permis d’améliorer les performances en dehors de sa zone de développement (hors bassins méditerranéens). - L’étude de l’équifinalité de certains paramètres a permis de proposer une extrapolation vers les fréquences rares, en fonction de différents critères. Cette approche « multi-critère » est un moyen de faire un choix sur les hypothèses les plus probables d’une méthode dans le cas particulier de l’extrapolation en fréquence, où il existe peu d’information pour valider. Sur l’ensemble de ces points, on s’est appuyé sur un large échantillon de bassins versants regroupant l’ensemble des réponses hydrologiques possibles (bassin à influence méditerranéen, pluvio-nival, remontée de nappe). D’autre part, on dispose de quantiles de débit (pour les fréquences courantes et les fréquences extrêmes) issus de l’application d’autres méthodes que l’on a confronté avec les quantiles SHYREG.

  • Titre traduit

    Flood frequency estimation with the Shyreg method


  • Résumé

    Since 1995, French law has been requesting municipalities to achieve flood prevention plans thanks to flood frequency analysis (FFA). For hydraulic works (like bridges or dams spillways), the French legislation requires the building companies to design their infrastructure by taking into account the vulnerability of the surrounding and downstream areas for different return periods. The Cemagref, now IRSTEA – French National Research Institute of Science and Technology for Environment and Agriculture – has developed an original flood prediction method based upon simulation. It implements: - a hourly rainfall generator which consists of a stochastic rainfall model (based upon the geometric description of temporal rainfall signals), - a lumped conceptual rainfall-runoff model. The parameters of the rainfall generator and the rainfall runoff model are regionalized at the spatial resolution of 1 km2 thus allowing the implementation of both models in each 1 km2 pixel in the regionalized version, called Shyreg. Frequency distributions are then derived in each pixel from the simulated events. The results can be shown as maps of statistical estimates of rainfall and flood discharge of various duration (up to 72 hours) and return periods (from 2 to 1000 years). In order to estimate the flood discharge quantiles at the outlet of catchment, we need to aggregate this distributed statistical hydrological data thanks to a Discharge Areal Reduction Factor (DARF) function. This aggregation combines two distinct hydrological phenomena: the areal reduction of rainfall and the discharge attenuation in the channel network. The aim of this PhD thesis was to test different hypothesis on the hydrological model and to make improvement in the rainfall-runoff modelling. Two questions are discussed: - what is the geographical validity domain of the method? - what is the validity of the method in flood frequency extrapolation? Several assumptions used in the method have interaction with each other, making their study difficult. So, we have dispatched the hypotheses on the parameters in function of their link to the catchment: independent or dependant of catchment. The independent parameters mean we don’t need to calibrate the method on each catchment. The dependent parameters mean we must determine their values on each catchment. Our work has enabled to improve the method on the following points: - the first improvement was to assess the DARF function for all sizes of French watersheds. We have calibrated this function with sizes of catchment ranging from 2 km² to 110 000 km². - the second improvement consisted of taking account the base flow in the hydrological modelling. - our third improvement goal was to study and reduce the problem of equifinality, i. E. To determine the parameters able to modelise the catchments behaviours for current events as well as for extreme ones. As no observation data are available for such low frequency events, we used two validation criteria. The first criterion is based on statistical tests (reliability and robustness) and the second criterion is based on the model saturation for extreme events. We have used in the thesis, two set of data. The first set is a large sample of catchments evenly located over the French metropolitan territory, with sizes ranging from 2 km² and 110 000 km². The second set of data consists of discharge quantiles (from current to extreme frequency) derived from the application of other methods (QdF, Gradex), which we have compared with the Shyreg discharge quantiles.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (321 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 305-321

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Sciences de la Terre Recherche - cartothèque - CADIST.
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  • Cote : T PAR06 2012 002
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