Development of a data-driven distributed hydrological model for regional scale catchments prone to Mediterranean flash floods. Application to the Ardèche catchment, France

par Marko Adamovic

Thèse de doctorat en Océan, atmosphère, hydrologie

Sous la direction de Isabelle Braud et de Flora Branger.

Le président du jury était Sandrine Anquetin.

Le jury était composé de Hélène Roux, James W. Kirchner.

Les rapporteurs étaient Roger Moussa, Marco Borga.

  • Titre traduit

    Développement d'un modèle hydrologique distribuée construit à partir de l'analyse des données pour la modélisation régionale des bassins Méditerranéens soumis aux crues rapides. Application au bassin versant de l’Ardèche. France


  • Résumé

    L'objectif scientifique de la thèse est de progresser dans la modélisation hydrologique spatiale régionale dans le contexte de crues éclairs qui représentent l'une des catastrophes naturelles les plus destructrices dans la région Méditerranéenne. L'accent est mis sur les questions de mise à l'échelle des bassins versants et la dérivation des équations et des modèles applicables aux bassins de milieu simplifiées de grande taille pour mieux décrire l'hétérogénéité du paysage et de la complexité du processus. Telles sont les questions clés pour faciliter le modèle mis en place dans le contexte de l'ensemble du bassin versant et d'essayer son application dans les bassins non jaugés trop. Pour répondre à ces questions, une modélisation hydrologique spatiale simplifiée sur les sous-bassins versants est d'abord proposé où les paramètres sont essentiellement tirées de l'information disponible (surtout cartographique). La méthode de Kirchner (WRR, 2009) qui suppose que le débit à la sortie est la seule fonction de stockage du bassin versant, est spécifiquement étudiée dans le cadre des bassins versants Méditerranéens. L'étape suivante consiste à créer un nouveau modèle hydrologique SIMPLEFLOOD distribué sur la base de « top down » méthodologie de Kirchner dans la plateforme de modélisation JAMS. Les paramètres du modèle simple sont estimés à des endroits calibrés et une régionalisation se fait en fonction de la géologie. Le bassin versant est discrétisé en sous-bassins versants d'environ 10 km2. La dernière étape consiste à procéder à un couplage de données avec le modèle hydraulique MAGE 1D développé à IRSTEA HHLY tenir compte des effets de propagation de la rivière sur les hydrogrammes simulés. Le couplage est externe, ce qui signifie que les sorties du modèle hydrologique dans le système de modélisation de JAMS deviennent les entrées du modèle MAGE hydraulique. Les sorties sont les débits qui sont transférés dans le modèle de MAGE soit comme flux latéraux (provenant des terres adjacentes) et /ou entrées d'eau locales. L'application de la thèse est le bassin versant de l'Ardèche (2388 km ²), qui est l'un des sites pilotes français pour le programme international HyMeX (cycle hydrologique dans l'expérience de la Méditerranée, http://www.hymex.org/). La thèse proposée contribue également au projet FloodScale (multi-échelle d'observation hydrométéorologique et de modélisation pour la compréhension et simulation des crues éclairs (http://floodscale.irstea.fr/). L'application de la méthodologie Kirchner (2009) montre que les résultats de simulation des débits sont bonnes pour les bassins de granit, trouvés à être caractérisée principalement par des processus excès de ruissellement et d'écoulement sous la surface de saturation. L'hypothèse simple de système dynamique fonctionne particulièrement bien dans des conditions humides (pics et les récessions sont bien modélisés). D'autre part, la performance du modèle est moins bien représentée à l'été et les périodes de sécheresse où l'évapotranspiration est large et observations de bas-débits sont inexactes. Dans le bassin versant de l'Ardèche, les précipitations simulées correspondent bien à de stations de jaugeage observés et données de réanalyse SAFRAN pendant les périodes de non-végétation. Le modèle doit encore être amélioré pour inclure une représentation plus précise de l'évapotranspiration réelle, mais fournit un résumé satisfaisant du fonctionnement du bassin versant pendant les périodes humides et d'hiver. Le couplage du modèle hydrologique obtenue avec le modèle hydraulique MAGE 1D fournit des résultats satisfaisants mais les résultats sont si réciproques comme dans le cas du modèle hydrologique ou une équation d'onde cinématique simple pour le routage des flux existe. On peut dire que dans les situations ou débordement de la rivière est significative, le couplage serai crucial.


  • Résumé

    The scientific objective of the thesis is to progress in regional spatial hydrological modeling in the context of flash floods that represent one of the most destructive natural hazards in the Mediterranean region. Emphasis is put on catchment scaling issues and derivation of simplified equations and models applicable to basins of medium to large size to best describe landscape heterogeneity and process complexity. These are the key issues in facilitating the model set up in the context of the whole catchment and trying its application in ungauged catchments too. To address these issues, a simplified spatial hydrological modeling over sub-catchments is first proposed where parameters are essentially derived from available information (cartographic utmost). For this purpose, the Kirchner (WRR, 2009) method that assumes that discharge at the outlet is only a function of catchment storage is specifically studied in the context of Mediterranean catchments. The next step is to create a new distributed hydrological model based on the data driven methodology of Kirchner within the JAMS modeling framework. The parameters of the simple model are estimated at the gauged locations and a regionalization is done according to geology. The catchment is discretized into sub-catchments of about 10 km2. The final step is to proceed with data coupling with the MAGE 1D hydraulic model developed at HHLY to consider river propagation effects on the simulated hydrographs. The coupling is external, meaning that outputs from the hydrological model in JAMS modeling system become inputs to the hydraulic model MAGE. Outputs are discharge rates in the reach network that are transferred into the MAGE model as either lateral flows (coming from adjacent land) and/or local inflows. The case study of the thesis is the Ardèche catchment (2388 km²), which is one of the French pilot sites for the HyMeX international program (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment, http://www.hymex.org/). The proposed thesis also contributes to the FloodScale project (Multi-scale hydrometeorological observation and modeling for flash floods understanding and simulation, http://floodscale.irstea.fr/ ). The application of the Kirchner (2009) methodology shows that resulting discharge simulation results are good for granite catchments, found to be predominantly characterized by saturation excess runoff and sub-surface flow processes. The simple dynamical system hypothesis works especially well in wet conditions (peaks and recessions are well modeled). On the other hand, poor model performance is associated with summer and dry periods when evapotranspiration is high and operational low-flow discharge observations are inaccurate. In the Ardèche catchment, inferred precipitation rates agree well in timing and amount with observed gauging stations and SAFRAN data reanalysis during the non-vegetation periods. The model should further be improved to include a more accurate representation of actual evapotranspiration, but provides a satisfying summary of the catchment functioning during wet and winter periods. The coupling of the resulting hydrological model with the MAGE 1D hydraulic model provides satisfying results. However, the results show that the timing and magnitude of simulated discharge with coupled model is as good as by the hydrological model with a simple kinematic wave equation for flow routing. We argue that in situations when there is a significant overflow in the floodplain the interest of the coupling with the hydraulic model becomes crucial.


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