Modélisation des étiages et des tarissements dans le bassin de la Moselle : d'une approche globale à une approche spatialisée

Low-flow and recession modelling in the Moselle catchement : from a lumped to a spatially distributed approach

• Auteur / Autrice : Hajar El Khalfi
• Direction : Gilles Drogue, Claire Lang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géographie
• Date : Soutenance le 03/04/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Humanités Nouvelles - Fernand Braudel (Nancy ; 2013-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LOTERR - Centre de recherche en géographie (Lorraine)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Ducharne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Drogue, Claire Lang, Johnny Douvinet, Albin Ullmann, Charles Perrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johnny Douvinet, Albin Ullmann
• DOI : 10.70675/7fea3409zd5e0z47a2z87e2z3bb1c7cc09e3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gestion des ressources en eau

Cours d'eau -- Jaugeage

Cours d'eau -- Débit

Modèles hydrologiques

Mots clés libres

Spatialisation

Étiage

Modélisation

Tarissement

Presages

Spatialization

Low-Flow

Modelling

Recession

Presages

Résumé

La gestion de l'eau devient un enjeu majeur face aux effets du changement climatique et aux pressions humaines croissantes, qui modifient les régimes d'écoulement. En France, l'augmentation de la variabilité hydro-climatique et l'intensification des sécheresses hydrologiques au cours des dernières années rendent nécessaire l'adaptation des outils de modélisation pour mieux représenter les débits d'étiage. Cette thèse s'inscrit dans cette démarche en améliorant la simulation des étiages avec le modèle PRESAGES, appliqué au bassin versant de la Moselle française. L'approche adoptée repose sur trois axes méthodologiques complémentaires.Le premier axe concerne l'optimisation des étapes de calage du modèle. L'impact des choix méthodologiques liés aux données d'entrée, aux algorithmes d'optimisation et aux fonctions objectif a été estimé. Le choix des données d'entrée a été évalué sur la base d'une analyse comparative avec la réanalyse SAFRAN et s'est finalement porté sur deux produits climatiques en grille : les précipitations LOTERR et l'ETP SAFRAN. L'utilisation de fonctions objectif ciblant spécifiquement les faibles débits a permis d'améliorer la simulation des étiages, tandis que l'effet des algorithmes d'optimisation sur la performance du modèle s'est avéré limité. Les performances du modèle ont été évaluées à l'aide de critères numériques et par inspection visuelle, permettant d'avoir une vision globale des simulations et d'éviter toute surestimation des performances.Le deuxième axe porte sur la révision structurelle du modèle. Une modification de la loi de vidange du réservoir d'eau gravitaire a été introduite afin d'améliorer la prise en compte des phases de tarissement, sans pour autant accroître la complexité du modèle. Le modèle repose désormais sur six paramètres, dont cinq à caler, permettant de préserver l'équilibre entre simplification structurelle et qualité des simulations.Le troisième axe concerne la régionalisation des débits et le développement d'une version semi-distribuée du modèle PRESAGES. Une méthode de régionalisation reposant sur les courbes de débits classés (CDC) et quelques jaugeages permet d'estimer les débits journaliers pour des sites non jaugés. Les débits aux exutoires ne disposant pas de station hydrométrique peuvent ainsi être estimés et utilisés pour caler le modèle au niveau des zones homogènes définies par le maillage du modèle semi-distribué. Celle-ci permet d'améliorer la représentation de la variabilité spatiale des processus hydrologiques et de prendre en compte les dynamiques locales d'écoulement.Au total, cette thèse, réalisée dans le cadre des projets CIPRHES et MIRHYADE (soutenus par l'ANR et l'Agence de l'Eau Rhin-Meuse), participe à l'amélioration des outils de simulation des étiages, avec des perspectives d'application à la prévision hydrométéorologique des sécheresses.

Water management has become a major challenge in the face of climate change and increasing human pressures, which are altering flow regimes. In France, the rise in hydro-climatic variability and the intensification of hydrological droughts in recent years highlight the need to adapt modelling tools to better represent low-flow conditions. This thesis addresses this issue by improving the simulation of low flows using the PRESAGES model, applied to the Moselle River catchment in France. The adopted approach is based on three complementary methodological axes.The first axis focuses on optimizing the model calibration process. The impact of methodological choices related to input data, optimization algorithms, and objective functions was assessed. The selection of input data was based on a comparative analysis with the SAFRAN reanalysis and ultimately relied on two gridded climatic products: LOTERR precipitation and SAFRAN potential evapotranspiration (PET). The use of objective functions specifically targeting low flows improved the simulation of low-flow periods, whereas the impact of optimization algorithms on model performance was found to be limited. The model's performance was evaluated using numerical criteria and visual inspection, ensuring a comprehensive assessment of the simulations while avoiding performance overestimation.The second axis concerns the structural revision of the model. A modification of the drainage law of the gravity reservoir was introduced to improve the representation of recession phases without increasing model complexity. The model now relies on six parameters, five of which require calibration, maintaining a balance between structural simplification and simulation accuracy.The third axis focuses on streamflow regionalization and the development of a semi-distributed version of the PRESAGES model. A regionalization method based on flow duration curves (FDCs) and a limited number of gauging measurements allows for the estimation of daily discharges at ungauged sites. Discharges at outlets without hydrometric stations can thus be estimated and used to calibrate the model at homogeneous zones defined by the semi-distributed model grid. This approach enhances the representation of the spatial variability of hydrological processes and accounts for local flow dynamics.This thesis, conducted within the framework of the CIPRHES and MIRHYADE projects (supported by the ANR and the Agence de l'Eau Rhin-Meuse), contributes to the improvement of low-flow simulation tools, with potential applications in hydrometeorological drought forecasting.