Search

La procédure de vigilance crue des Services de Prévision des Crues (SPC) de l’État, consiste à qualifier le risque de débordement dans les 24 heures à venir sur un tronçon de rivière. Or des ouvrages contrôlent majoritairement le régime de certaines rivières jusqu’à des niveaux dépassant les premiers débordements, soit, ce que l’on peut qualifier de crue. Par ailleurs, les barrages sont dotés de consignes d’exploitation réglementaires en crue qui répondent à des exigences de sûreté pour l’ouvrage. Dès lors, la définition de ce qu’est une crue pour un barrage est locale et porte sur la capacité de l’ouvrage à supporter différents débits. Elle n'intègre pas directement les états de vigilance à l'aval de celui-ci. La crue de février 2016 qui a touché le bassin de la Dordogne illustre la communication nécessaire entre les gestionnaires des barrages et le SPC, notamment dans la zone de transition qui existe entre les premières informations de vigilance crue et les premières contraintes d’exploitation des barrages. Dans cette gamme d’aléa, les contraintes règlementaires (consignes) ne garantissent pas un échange suffisant d’informations. Ces informations quantitatives assorties d’incertitude sont indispensables au SPC pour une anticipation suffisante. Face à une crue majeure, pour laquelle l’ensemble de la chaîne de barrages serait en transparence, c’est finalement à une hydrologie naturelle mal connue que le SPC serait confronté.

Le barrage de Yaté, situé en Nouvelle-Calédonie, est soumis à un régime de crues d’influence cyclonique qui occasionne une gestion des crues atypique. Malgré un bassin versant de plus de 400 km², le temps de base pour la crue est de quelques heures, conséquence de pluies extrêmement intenses mais de courte durée, ce qui occasionne des épisodes avec des hydrogrammes pointus et des débits maximums particulièrement élevés (plus de 10 000 m3/s pour une crue millénale). La surface du lac de retenue étant de l’ordre de 40 km², un laminage important va s’effectuer, absorbant nettement la pointe de crue. L’exploitant de l’ouvrage, a profité de ces spécificités pour augmenter le laminage possible et améliorer les capacités de passage des crues en mettant en place un système de déstockage préventif. Six stations pluviométriques ont été installées sur le bassin versant et transmettent chaque heure les cumuls horaires des pluies aux serveurs informatiques installés au barrage. Les volumes sortants du barrage sont transmis aux mêmes serveurs par le PC de supervision barrage. Un modèle pluie-débit est implanté dans les serveurs et permet d’estimer les débits qui arriveront au barrage dans une échéance de 4 heures. Lors des épisodes de crues, tant que la pointe n’est pas passée, l’exploitant procède à un déstockage préventif dépendant de l’estimation du débit prévu dans 4h, au moyen des vannes segment de l’évacuateur de crues. L’article présente les performances apportées par ce mode de gestion, ainsi que les études de robustesses associées. Ce mode de gestion, montre des perspectives intéressantes pouvant être appliquées sur de nombreux barrages.

Le but de la présente étude, en se fondant sur le retour d'expérience d'un essai d'utilisation du modèle GRP en Guyane, est d'explorer des pistes d'amélioration de ses performances par des modifications incrémentales de son fonctionnement, dans le but d'éviter la mise en place de modèles plus lourds comme les modèles semi-distribués.

En Auvergne, au sein du Service de Prévision des Crues de l’Allier, les bassins versants du Sichon-Jolan (03), de la Durolle, de la Couze-Chambon et de la Couze-Pavin (63) sont soumis aux crues soudaines. La survenue brusque de ces crues rend les systèmes d’alerte « traditionnels » peu adaptés. Un système d’alerte spécifique est donc choisi pour chaque bassin versant après avoir évalué sa faisabilité, par le biais des temps de réponse, et sa pertinence grâce aux enjeux. La création d’abaques et le calage du modèle de prévision des crues GRP complète cette étude.

Les inondations sont un risque naturel majeur pour les biens et les personnes. Prévoir celles-ci, informer le grand public et les autorités sont de la responsabilité des services de prévision des crues. Pour ce faire ils disposent d'observations in situ et de modèles numériques. Néanmoins les modèles numériques sont une représentation simplifiée et donc entachée d'erreur de la réalité. Les observations quant à elle fournissent une information localisée et peuvent être également entachées d'erreur. Les méthodes d'assimilation de données consistent à combiner ces deux sources d'information et sont utilisées pour réduire l'incertitude sur la description de l'état hydraulique des cours d'eau et améliorer les prévisisons. Ces dernières décennies l'assimilation de données a été appliquée avec succès à l'hydraulique fluviale pour l'amélioration des modèles et pour la prévision des crues. Cependant le développement de méthodes d'assimilation pour la prévision en temps réel est contraint par le temps de calcul disponible et par la conception de la chaîne opérationnelle. Les méthodes en question doivent donc être performantes, simples à implémenter et peu coûteuses. Un autre défi réside dans la combinaison des modèles hydrauliques de dimensions différentes développés pour décrire les réseaux hydrauliques. Un modèle 1D est peu coûteux mais ne permet pas de décrire des écoulement complexes, contrairement à un modèle 2D. Le simple chainage des modèles 1D et 2D avec échange des conditions aux limites n'assure pas la continuité de l'état hydraulique. Il convient alors de coupler les modèles, tout en limitant le coût de calcul. Cette thèse a été financée par la région Midi-Pyrénées et le SCHAPI (Service Central d'Hydrométéorolgie et d'Appui à la Prévisions des Inondations) et a pour objectif d'étudier l'apport de l'assimilation de données et du couplage de modèles pour la prévision des crues. Elle se décompose en deux axes : Un axe sur l'assimilation de données. On s'intéresse à l'émulation du filtre de Kalman d'Ensemble (EnKF) sur le modèle d'onde de crue. On montre, sous certaines hypothèses, qu'on peut émuler l'EnKF avec un filtre de Kalman invariant pour un coût de calcul réduit. Dans un second temps nous nous intéressons à l'application de l'EnKF sur l'Adour maritime avec un modèle Saint-Venant. Nous en montrons les limitations dans sa version classique et montrons les avantages apportés par des méthodes complémentaires d'inflation et d'estimation des covariances d'erreur d'observation. L'apport de l'assimilation des données in situ de hauteurs d'eau sur des cas synthétiques et sur des crues réelles a été démontré et permet une correction spatialisée des hauteurs d'eau et des débits. En conséquence, on constate que les prévisions à court terme sont améliorées. Nous montrons enfin qu'un système de prévisions probabilistes sur l'Adour dépend de la connaissance que l'on a des forçages amonts ; un axe sur le couplage de modèles hydrauliques. Sur l'Adour 2 modèles co-existent : un modèle 1D et un modèle 2D au niveau de Bayonne. Deux méthodes de couplage ont été implémentées. Une première méthode, dite de "couplage à interfaces", combine le 1D décomposé en sous-modèles couplés au 2D au niveau frontières liquides de ce dernier. Une deuxième méthode superpose le 1D avec le 2D sur la zone de recouvrement ; le 1D force le 2D qui, quand il est en crue, calcule les termes d'apports latéraux pour le 1D, modélisant les échanges entre lit mineur et lit majeur. Le coût de calcul de la méthode par interfaces est significativement plus élevé que celui associé à la méthode de couplage par superposition, mais assure une meilleure continuité des variables. En revanche, la méthode de superposition est immédiatement compatible avec l'approche d'assimilation de données sur la zone 1D. L'apport, sur la zone 2D, de l'assimilation des observations in situ des hauteurs d'eau sur la zone 1D a été mis en évidence pour un fort événement de crue de la Nive en Janvier 2014.

La prévision des crues des petits bassins versants, avec un modèle pluie-débit, est fortement conditionnée par la connaissance de la pluie. Cette information, estimée par des mesures de pluviographes ou de radar, est entachée de nombreuses incertitudes.Les services français de prévision des crues disposent maintenant d'une version du modèle conceptuel pluie-débit GR3H, adaptée à la prévision opérationnelle. Il utilise une procédure d'optimisation d'un seul paramètre, le niveau initial du réservoir-sol.On a voulu tester le comportement de ce modèle, face à différentes perturbations du signal pluie de base. L'hydrogramme de notre crue de référence a été préalablement simulé avec GR3H.On a montré que le modèle est capable d'absorber d'importantes variations du signal pluie, mais seulement si l'origine et la fin de l'épisode pluvieux sont respectés. Sinon, pour compenser un décalage temporel entre pluie et débit, on a combiné plusieurs modèles GR3H à temps de réaction différents, avec une procédure multimodèles simplifiée. Enfin, pour éviter quelques instabilités, on a testé une variante baptisée "multidélais" qui a permis d'apporter un gain supplémentaire sur la qualité de la prévision., Flood forecasting in small watersheds (some hundreds of km2) has to take into account rainfall. This is why the lumped conceptual rainfall-runoff GR3H model (Cemagref) has been adapted for the French flood forecasting services for operational use. However, the relevance of forecasting is strongly conditioned by the knowledge of real rainfall on the drainage basin. This information, estimated by rain gauge measurements or meteorological radar, contains numerous quantitative and sometimes temporal uncertainties. In this study, we tested the influence of these uncertainties on the behaviour of the GR3H forecasting model.In the GR3H model, the input is the hourly rainfall on the watershed and the output is the hourly flow at the outlet. The production function uses one parameter (A), which represents the higher soil reservoir level. The transfer function uses two parameters: B (the maximal capacity of transfer reservoir) and C (the base time of unit hydrographs HU1 and HU2). In a discontinuous event mode, we have to add an additional parameter S0/A, the initial level of soil reservoir A. For each event, it represents the initial hydrological state of the basin. When used as a forecasting model, A, B and C values are fixed. Thus, to adapt the GR3H model for operational forecasting, we used an optimization process to select the S0/A value. At every moment, this process looks for the S0/A value that makes the calculated discharge equal to the known discharge.To test the impact of rainfall signal perturbations on our forecasting process, we worked on a theoretical flood. Its hydrograph was simulated using the GR3H model from a basic rainfall signal with a constant intensity of 10 mm/h over 12 h. The parameters (A = 400 mm, B = 80 mm, C = 6 h) came from a study of 16 flood events, in a basin of 215 km2, located in the French Pyrenees. To initialize the reservoir levels, base runoff was 1 m3 /s (for reservoir B) and S0/A was fixed at 0.65 (for reservoir A). As an operational scenario, we worked without a precipitation forecast (null future rainfall hypothesis); thus, the forecast time was limited to half the C value, i.e. 3 h, due to the parabolic pattern of the unit hydrograph HU1. To quantify forecast performances, we used the persistence index, which compares the studied model with an inert model (i.e., future is equal to present). We tested successively three kinds of perturbations on rainfall signal:1. the variability (max 50%) of the hourly rainfall intensity, over 50 simulations, preserving the total sum of rainfall;2. the variability (max 50%) of the total sum of rainfall, over 11 cases, preserving a constant intensity (from 5 to 15 mm/h) and3. shifting the beginning time of rainfall, over 7 cases from –3h to +3h.For each kind of perturbation, we considered two forecasting protocols: first a non-operational protocol in which the initial state is known a priori (fixing S0/A); and second as in operational situations, in which the initial state is unknown (optimizing S0/A). We demonstrated that our optimization updating process was rather well adapted to balance the quantitative variability of rainfall. On the other hand, it was not effective to balance an important temporal shift in rainfall. Indeed, in the GR3H model, the temporal parameter (C) is independent from production parameters (A, B and S0/A). To solve this problem we used a multi-model procedure (PMM), i.e., a linear weighting method of results from different forecasting models. The weight of each variable depends on the relevance of the past forecast. We combined three different GR3H models with the same A and B values and different C values (4 h, 6 h and 8 h). This method gave better results but we observed some forecasting instabilities. To solve this problem, we used a multi-time PMM. To improve the 3 h time forecast, we also considered the performances of short-term forecasts (1 h and 2 h). We tested GR3H forecasting over ten French watersheds, using from 12 to 25 events. Results were rather interesting, except when the rainfall signal was not representative of the real spatio-temporal variability (e.g., thunderstorms or basins that were too large). In these cases, semi-distributed models should be useful.A priori, our conclusions were focused on the GR3H model and our updating procedure. However, we propose that they could be similar for other hydrological global models, which use reservoirs and few parameters, offering some inertia and stability to the system. To conclude, when the GR3H was able to model the hydrological behaviour of a small watershed, forecasts were not strongly influenced by quantitative imprecision in the rainfall signal, as long as this imprecision did not greatly affect the beginning and, mainly, the end of the rainy episode.

Hydrologic models are essential tools to compute the catchment rainfall-runoff response required for river management and flood forecast purposes. Precipitation dominates the high frequency hydrological response, and its simulation is thus dependent on the way rainfall is represented. In this context, the sensitivity of runoff hydrographs to the spatial variability of forcing data is a major concern of researchers. However, results from the abundant literature are contrasted and it is still difficult to reach a clear consensus.Weather radar is considered to be helpful for hydrological forecasting since it provides rainfall estimates with high temporal and spatial resolution. However, it has long been shown that quantitative errors inherent to the radar rainfall estimates greatly affect rainfall-runoff simulations. As a result, the benefit from improved spatial resolution of rainfall estimates is often limited for hydrological applications compared to the use of traditional ground networks.Recently, Météo-France developed a rainfall reanalysis over France at the hourly time step over a 10-year period combining radar data and raingauge measurements: weather radar data were corrected and adjusted with both hourly and daily raingauge data. Here we propose a framework to evaluate the improvement in streamflow simulation gained by using this new high resolution product.First, a model able to cope with different spatial resolutions, from lumped to semi-distributed, was developed and validated. Second, the impact of spatial rainfall resolution input on streamflow simulation was investigated. Then, the usefulness of spatial radar data measurements for rainfall estimates was compared with an exclusive use of ground raingauge measurements and evaluated through hydrological modelling in terms of streamflow simulation improvements. Finally, semi-distributed modelling with the TGR model was performed for flood forecasting and compared with the lumped forecasting GRP model currently in use in the French flood forecast services. The originality of our work is that it is based on actual measurements from a large set of 181 French catchments representing a variety of size and climate conditions, which allows to draw reliable conclusions.; Les modèles hydrologiques sont des outils indispensables pour calculer les débits a l’exutoire des bassins versants, la gestion des aménagements hydrauliques ou encore la prévision et la prévention des inondations. Les précipitations représentent la variable climatique principale à l’origine des débits des cours d’eau qui s’écoulent au sein d’un bassin versant. De ce fait, la réponse hydrologique du bassin est fortement dépendante de la représentativité des données d’entrée de précipitation.Les radars météorologiques, qui permettent aujourd’hui d’accéder a des mesures a haute résolution spatiale et temporelle des champs de précipitation, sont de plus en plus utilises dans le domaine de la prévision, pour le suivi des situations hydrométéorologiques. Cependant, la mesure des précipitations par radar est entachée d’erreurs qui peuvent affecter gravement la qualité des simulations de débit. De ce fait, l’utilisation des données de précipitations a haute résolution spatiale pour la modélisation hydrologique est souvent limitée par rapport a l’utilisation des données pluviométriques.Récemment, Météo-France a développe une réanalyse des lames d’eau au pas de temps horaire, sur une durée de 10 ans, en combinant l’ensemble des données de précipitation radar et pluviométriques : les mesures radars ont été corrigées et étalonnées avec le réseau de mesure au sol horaire et journalier. Dans cette thèse, nous proposons d’étudier l’intérêt de cette nouvelle base de données à haute résolution spatiale pour la modélisation pluie-débit.Dans un premier temps, nous avons développe et valide un modèle hydrologique semi-distribue qui a la capacité de fonctionner pour différentes résolutions spatiales, de la représentation globale jusqu’a une discrétisation spatiale très fine des bassins. Dans un deuxième temps, l’impact de la résolution spatiale des données d’entrée de précipitation sur la simulation des débits a été analysé. L’apport de l’information radar pour l’estimation des précipitations a été évalue par rapport a une utilisation exclusive des pluviomètres, par le biais de la modélisation pluie-débit en termes de précision des débits a l’exutoire des bassins. Enfin, le modèle semi-distribue TGR a été comparé avec le modèle global GRP actuellement opérationnel dans les Services de Prévision des Crues. L’originalité de notre travail réside sur l’utilisation de données d’observation sur un large échantillon de 181 bassins versants français représentant une grande diversité de tailles et conditions climatiques, ce qui nous permet d’apporter un diagnostic robuste et des éléments de réponse sur les problématiques scientifiques traitées.

Le chapitre retrace de l'activité hydrologique d'Eugène Belgrand, principal inventeur de l'hydrologie moderne, de l'hydrométrie et de l'annonce des crues. Belgrand a procédé à une analyse fine des crues historiques du bassin de la Seine et établi des classifications hydrologiques. Il a mis en place, avec Georges Lemoine des méthodes de prévision des crues qui seront expérimentées lors des crues de la Seine en 1872 et 1876.

The upper Rhone catchment is sometimes subject to heavy precipitation that can eventually result in floods. The MINERVE project, to which this work belongs, aims at providing tools for flood forecasting and management. For this purpose, actions can be undertaken on dam storage, but this requires forecasting precipitation accurately days beforehand. This is currently done by the numerical weather prediction model of MétéoSuisse. However, due to large uncertainties in the forecasting of extreme events, it was decided that a parallel forecast based on a statistical approach could complement the information available.Therefore, we adapted a technique of statistical precipitation forecasting, namely the analogue method, to the alpine context of our catchment. Several parameterizations of the method have been documented and calibrated.A substantial part of this study was devoted to programming a forecasting software, which was called Atmoswing. It is designed to process automatically forecasts by means of the analogue method, and to provide a tool for visualizing the results on maps and graphs. It can process many different versions of the analogue method. The software has been operational since mid-2011, and has allowed us to confirm the interest of prediction by analogy.As the method is applied here to a new geographical context, a large number of synoptic variables were evaluated. We then confirmed the relevance of the traditional two levels of analogy, which are related first to the atmospheric circulation, and next to the humidity flux, while making improvements to them. As a result, we created new parameterizations that have better forecasting skills than the reference methods considered so far. We also evaluated other improvements, such as the introduction of a shifting time window to find better synoptic analogues at other hours of the day, which show some potential. A 6-hourly time step forecast has been evaluated and was found to bring useful information on precipitation characteristics.Finally, we introduced a technique of global optimization: genetic algorithms. These were found to be able to calibrate the analogue method by considering jointly all parameters of the different analogy levels. With that kind of tool we can approach an objectively optimal parameterization.As the choice of atmospheric levels and time windows is automated, this technique can result in a gain of time, even if it is relatively demanding in calculations. Thus we were able to improve the analogue method, and to add new degrees of freedom.; Le bassin du Rhône à l'amont du Léman peut recevoir de fortes précipitations en mesure de provoquer des crues significatives. L'objectif du projet MINERVE dans lequel s'inscrit le présent travail consiste à fournir des outils pour la prévision et la gestion des crues par des actions préventives sur les aménagements hydroélectriques à accumulation. Pour satisfaire ce dernier, il est nécessaire de prévoir au mieux les cumuls de précipitations pour les jours suivants. Ceci est actuellement effectué par le modèle numérique de prévision de MétéoSuisse ; mais, en raison des grandes incertitudes liées à la quantification des événements extrêmes, il a été décidé qu'une approche parallèle de nature statistique pourrait compléter l'information disponible. Ainsi, nous avons adapté la méthode des analogues, qui est une technique de prévision statistique des précipitations, au contexte alpin du bassin d'étude. Pour ce faire, plusieurs paramétrisations de la méthode ont été documentées et calibrées. Afin de prendre en main la méthode, nous avons effectué de multiples analyses paramétriques sur les variables synoptiques, mais également sur la constitution de groupements pluviométriques.Une partie conséquente de cette étude a été consacrée à la programmation d'un logiciel de prévision automatique par la méthode des analogues, ainsi qu'à un outil de visualisation des résultats sous forme de cartes et graphiques. Ce logiciel, nommé Atmoswing, permet d'implémenter un grand nombre de méthodes différentes de prévision par analogie. L'outil est opérationnel depuis mi-2011 et nous a permis de confirmer l'intérêt de la prévision par analogie.La méthode étant ici appliquée à un nouveau contexte, un grand nombre de variables synoptiques ont été évaluées. Nous avons alors confirmé l'intérêt des deux niveaux d'analogie sur la circulation atmosphérique et sur le flux d'humidité, tout en apportant des améliorations à celles-ci. Il en résulte des paramétrisations présentant des scores de performance supérieurs aux méthodes de référence considérées. Nous avons également évalué d'autres améliorations, comme l'introduction d'une fenêtre temporelle glissante afin de rechercher de meilleures analogies synoptiques à d'autres heures de la journée, ce qui s'est avéré intéressant, tout comme une prévision infrajournalière à pas de temps de 6 h.Finalement, nous avons introduit une technique d'optimisation globale, les algorithmes génétiques, capable de calibrer la méthode des analogues en considérant tous les paramètres des différents niveaux d'analogie de manière conjointe. Avec cette technique, nous pouvons nous approcher objectivement d'une paramétrisation optimale. Le choix des niveaux atmosphériques et des fenêtres temporelles et spatiales étant automatisé, cette technique peut engendrer un gain de temps, même si elle est relativement exigeante en calculs. Nous avons ainsi pu améliorer la méthode des analogues, et y ajouter de nouveaux degrés de liberté, notamment des fenêtres spatiales et des pondérations différenciées selon les niveaux atmosphériques retenus.

The upper Rhone catchment is sometimes subject to heavy precipitation that can eventually result in floods. The MINERVE project, to which this work belongs, aims at providing tools for flood forecasting and management. For this purpose, actions can be undertaken on dam storage, but this requires forecasting precipitation accurately days beforehand. This is currently done by the numerical weather prediction model of MétéoSuisse. However, due to large uncertainties in the forecasting of extreme events, it was decided that a parallel forecast based on a statistical approach could complement the information available.Therefore, we adapted a technique of statistical precipitation forecasting, namely the analogue method, to the alpine context of our catchment. Several parameterizations of the method have been documented and calibrated.A substantial part of this study was devoted to programming a forecasting software, which was called Atmoswing. It is designed to process automatically forecasts by means of the analogue method, and to provide a tool for visualizing the results on maps and graphs. It can process many different versions of the analogue method. The software has been operational since mid-2011, and has allowed us to confirm the interest of prediction by analogy.As the method is applied here to a new geographical context, a large number of synoptic variables were evaluated. We then confirmed the relevance of the traditional two levels of analogy, which are related first to the atmospheric circulation, and next to the humidity flux, while making improvements to them. As a result, we created new parameterizations that have better forecasting skills than the reference methods considered so far. We also evaluated other improvements, such as the introduction of a shifting time window to find better synoptic analogues at other hours of the day, which show some potential. A 6-hourly time step forecast has been evaluated and was found to bring useful information on precipitation characteristics.Finally, we introduced a technique of global optimization: genetic algorithms. These were found to be able to calibrate the analogue method by considering jointly all parameters of the different analogy levels. With that kind of tool we can approach an objectively optimal parameterization.As the choice of atmospheric levels and time windows is automated, this technique can result in a gain of time, even if it is relatively demanding in calculations. Thus we were able to improve the analogue method, and to add new degrees of freedom., Le bassin du Rhône à l'amont du Léman peut recevoir de fortes précipitations en mesure de provoquer des crues significatives. L'objectif du projet MINERVE dans lequel s'inscrit le présent travail consiste à fournir des outils pour la prévision et la gestion des crues par des actions préventives sur les aménagements hydroélectriques à accumulation. Pour satisfaire ce dernier, il est nécessaire de prévoir au mieux les cumuls de précipitations pour les jours suivants. Ceci est actuellement effectué par le modèle numérique de prévision de MétéoSuisse ; mais, en raison des grandes incertitudes liées à la quantification des événements extrêmes, il a été décidé qu'une approche parallèle de nature statistique pourrait compléter l'information disponible. Ainsi, nous avons adapté la méthode des analogues, qui est une technique de prévision statistique des précipitations, au contexte alpin du bassin d'étude. Pour ce faire, plusieurs paramétrisations de la méthode ont été documentées et calibrées. Afin de prendre en main la méthode, nous avons effectué de multiples analyses paramétriques sur les variables synoptiques, mais également sur la constitution de groupements pluviométriques.Une partie conséquente de cette étude a été consacrée à la programmation d'un logiciel de prévision automatique par la méthode des analogues, ainsi qu'à un outil de visualisation des résultats sous forme de cartes et graphiques. Ce logiciel, nommé Atmoswing, permet d'implémenter un grand nombre de méthodes différentes de prévision par analogie. L'outil est opérationnel depuis mi-2011 et nous a permis de confirmer l'intérêt de la prévision par analogie.La méthode étant ici appliquée à un nouveau contexte, un grand nombre de variables synoptiques ont été évaluées. Nous avons alors confirmé l'intérêt des deux niveaux d'analogie sur la circulation atmosphérique et sur le flux d'humidité, tout en apportant des améliorations à celles-ci. Il en résulte des paramétrisations présentant des scores de performance supérieurs aux méthodes de référence considérées. Nous avons également évalué d'autres améliorations, comme l'introduction d'une fenêtre temporelle glissante afin de rechercher de meilleures analogies synoptiques à d'autres heures de la journée, ce qui s'est avéré intéressant, tout comme une prévision infrajournalière à pas de temps de 6 h.Finalement, nous avons introduit une technique d'optimisation globale, les algorithmes génétiques, capable de calibrer la méthode des analogues en considérant tous les paramètres des différents niveaux d'analogie de manière conjointe. Avec cette technique, nous pouvons nous approcher objectivement d'une paramétrisation optimale. Le choix des niveaux atmosphériques et des fenêtres temporelles et spatiales étant automatisé, cette technique peut engendrer un gain de temps, même si elle est relativement exigeante en calculs. Nous avons ainsi pu améliorer la méthode des analogues, et y ajouter de nouveaux degrés de liberté, notamment des fenêtres spatiales et des pondérations différenciées selon les niveaux atmosphériques retenus.

Technologie grille pour la Sécurité Civile et la gestion de crise - Une première application dédiée à la prévision des crues à cinétique rapide

Le projet « FRAMEA » (2004-2007) a vu naître deux radars compacts de nouvelle technologie en bande X. Côté français, ce radar météo, prénommé « Hydrix » et installé sur le Mont Vial à 1400 m d’altitude, permet depuis juin 2007 une couverture optimale du territoire des Alpes Maritimes, qui n’était jusque là pas ou peu couvert par les radars existants. Après cette première expérience concluante, le travail de coopération a été poursuivi dès 2008 à travers le projet « Cristal » pour développer des applications opérationnelles pour ces deux territoires. Les expérimentations menées au cours de ce projet par les équipes scientifiques ont permis de démontrer la puissance de l’outil radar et l’efficacité des outils de prévision dans la gestion des crises hydrométéorologiques sur le territoire des Alpes-Maritimes, que ce soit à l’échelle de petits bassins urbains que de bassins versants plus importants comme la Siagne, les Paillons et la Roya à cheval sur les deux pays.

Rainfall-Runoff modelling belongs to the major tools for flood forecasting, as it allows to reach longer lead times than by many other methods. The hydrological community has developed numerous data assimilation techniques in order to improve on the forecast quality. In this study, we compared many methods which aim at updating a Rainfall-Runoff model at an hourly time step with lead times from one hour to a few days. All the tested techniques assimilate the streamflow measured at the catchment outlet. They update the model's states, parameters or outputs. Some are deterministic while others are probabilistic. This study highlighted the interaction between the structure of the hydrological model and the updates, both characterized by different dynamics. Hence considering the model as a whole seems more effective than considering it as the juxtaposition of a hydrological model followed by an updating procedure.We therefore advocate taking into account the updating techniques to be applied to the model when identifying its structure and calibrating it. The model which provides the best forecasts combines a hydrological structure and two updating methods. The flowchart is almost identical to the one optimized for the daily time step. The first update modifies one key model state, while the second one is an articifial neural network which predicts the remaining model error. This combination has been tested over a large data set of French watersheds. Its predictive performances are robust and compare favourably with those of other flood forecasting models., La modélisation hydrologique Pluie - Débit compte parmi les outils incontournables pour prévoir les crues, car elle permet d'atteindre des horizons plus lointains que de nombreuses autres méthodes. Pour tenter d'améliorer la qualité des prévisions, les hydrologues ont proposé de nombreuses approches d'assimilation de données. Cette thèse s'intéresse à un modèle Pluie - Débit fonctionnant au pas de temps horaire. Elle propose une comparaison de nombreuses méthodes de mise-à-jour de ce modèle par l'assimilation de la donnée de débit observé à l'exutoire du bassin versant, dans le but de fournir des prévisions de crue à des horizons allant de quelques heures à quelques jours. Les mises-à-jour étudiées portent sur les paramètres du modèle, ses états et ses sorties. Certaines sont déterministes, d'autres probabilistes. Ce travail a permis de mettre en avant l'interaction qui existe entre la structure du modèle hydrologique et les mises-à-jour. Ces deux éléments se caractérisent par des dynamiques temporelles différentes. Nos résultats plaident pour que le modèle soit considéré comme un tout et non comme la juxtaposition d'un modèle hydrologique et d'une procédure de mise-à-jour. Il nous paraît préférable d'optimiser la structure et de caler le modèle en tenant compte des mises-à-jour qui seront appliquées. Le modèle donnant les meilleures prévisions associe une structure hydrologique très proche de celle obtenue au pas de temps journalier et deux mises-à-jour du modèle, l'une modifiant un état crucial du modèle, l'autre corrigeant ses sorties par un réseau de neurones artificiels. Cette combinaison a été évaluée à l'aide d'une sélection de critères de performance adaptés à l'objectif du modèle, sur un vaste ensemble de bassins versants français. Ses performances sont robustes et se comparent favorablement à d'autres modèles de prévision.

The aim of the present work is the evaluation of lumped rainfall-runoff (RR) models for flood forecasting in the case of upper Loire river catchments.Following the description of Loire catchment at Bas-en-Basset, an analysis demonstrates both the worth and the flaws of presently available data sets. The high variability of these hydrometeorological events enables us to compare RR models in particularly difficult but interesting contexts.Simple conceptual models appear more robust and often more efficient than data-driven models. A further evaluation, based on specific criteria for flood forecasting, highlight the information about flood evolution provided by conceptual RR models, even though modelling errors remain altogether significant while the various models behave in a similar way.Estimation of mean areal precipitation is conducted with kriging tools and a model of uncertainty on mean areal precipitation estimation is proposed and validated on data.These uncertainties are then propagated within RR models. Their impact is reasonably different with respect to catchment size, as a variable part of the global modelling error may be explained. Finally, an exploratory work has demonstrated the usefulness of taking into account probabilistic precipitation forecast into a hydrometeorological chain: longer anticipation has consequently been obtained. Although pre-processing linked to these forecast availability is absolutely necessary.As a conclusion, simple tools let us expect improvements in this very perfectible field.; Ce travail propose d'évaluer, dans le cas des bassins versants de la Loire supérieure, l'intérêt de modèles pluie-débit globaux pour la prévision opérationnelle des crues rapides.Après une description du bassin à Bas-en-Basset, l'analyse critique des jeux de données disponibles met en évidence leur richesse, mais aussi leurs défauts. La grande variété des événements hydrométéorologiques touchant ces bassins apparaît particulièrement intéressante pour comparer des modèles hydrologiques.Des modèles conceptuels simples sont apparus plus robustes et souvent plus performants que des modèles statistiques ou des réseaux de neurones artificiels. Des critères spécifiques à la prévision des crues mettent en évidence les informations sur l'évolution immédiate des débits apportées par la transformation de la pluie en débit, même si les erreurs de modélisation restent importantes et finalement proches d'un modèle à l'autre.Un effort particulier a été porté sur l'estimation par krigeage des précipitations moyennes spatiales, pour lesquelles un modèle d'erreur est proposé et validé sur les données. Ces incertitudes, propagées dans les modèles pluie-débit, contribuent, selon la taille des bassins, à une part variable de l'erreur totale de modélisation.Enfin un travail exploratoire a montré l'intérêt d'inclure des prévisions de pluies probabilisées dans une chaîne hydrométéorologique, pour augmenter les délais d'anticipation et prendre en compte les incertitudes associées. Toutefois, la disponibilité de ces prévisions impose des traitements préalables à leur utilisation.Il ressort que des outils simples peuvent laisser envisager des améliorations dans ce domaine encore très perfectible de la prévision des crues.

L'objectif de la recherche est l'observation des conditions favorisant le risque hydrologique à l'échelle du bassin versant, et la prise en compte de ces variables dans des modèles de prévision des débits en vue d'améliorer la gestion des ressources en eau. Dans cette recherche, nous cherchons à concilier des estimations de risques de crues avec une connaissance du fonctionnement des bassins versants afin de mieux intégrer les facteurs de risque évoluant dans le temps et dans l'espace. Les conditions initiales sont l'un des termes du risque. Elles concernent surtout l'état de saturation du bassin, ou d'une partie du bassin, et à moindre degré, l'état d'imperméabilisation de la couche de surface. La recherche s'est donc orientée vers la caractérisation structurale et hydrique de la couverture pédologique, sa variabilité spatiale et temporelle, et l'étude des mécanismes d'écoulement de crues, particulièrement dans les conditions initiales favorables aux écoulements de surface et dans le sol.

Le but de cet article est de présenter une méthodologie de mise à jour des paramètres de modèles pluie-débit en période de crue. Elle a été mise au point afin d'améliorer un des aspects de la gestion des réservoirs dans un contexte opérationnel de protection contre les crues: la réduction des incertitudes sur la prévision des débits. L'originalité de la méthode proposée réside dans le fait que l'on utilise non seulement une information sur les débits mais aussi une information sur l'humidité du sol. L'objectif de l'étude est d'évaluer l'intérêt de l'introduction de cette information supplémentaire. Pour cela, les données d'humidité du sol sont introduites au sein du modèle par l'intermédiaire d'une relation de passage établie entre l'humidité mesurée in situ et l'humidité calculée implicitement ou explicitement par les modèles. Cette méthodologie a été testée dans le cadre du projet européen AIMWATER sur quatre sous-bassins de la Seine en amont de Paris (France). Deux modèles pluie-débit sont utilisés dans cette étude, un modèle conceptuel semi-emprique et un modèle conceptuel couplé à un schéma de surface simulant une interface sol-végétation-atmosphère et permettant de calculer l'évolution de l'humidité du sol à différentes profondeurs. Cette approche comparative étudie l'intérêt d'un tel modèle couplé par rapport au modèle conceptuel semi-empirique sans représentation explicite des phénomènes se produisant à l'interface sol-végétation-atmosphère., Improving the accuracy of rainfall-runoff models and in particular their performances in flood prediction is a key point of continental hydrology. Methods have been developed to improve flood prediction in hydrology based on a better compliance of the model with current observations prior to its use in forecasting mode. This operation has been termed updating in hydrology and assimilation in meteorology. The fundamental idea is that if model predictions diverge from observations at a given time, there is little chance that future estimations will approach correct values. The improvement then comes from a correction of the trajectory of the model based on observations during the period preceding the day when a prediction into the immediate or long-term future is desired. This can be dealt with by a correction of model parameters, which is usually called "parameter updating".The inability of rainfall-runoff models to produce correct streamflow values generally translates into parameter uncertainty. Parameter calibration is the means used by a model structure to adjust to a given set of data. Therefore, a parameter updating methodology seems to be a natural way to amend errors in streamflow values. In this paper, a specific methodology of parameter updating is presented. The main feature of this method is that it does not carry out updating by reference only to recent streamflow observations, as classic procedures do, but also to soil moisture measurements, which can be retrieved daily from TDR probes. Indeed, it appears that the integration of soil moisture data allows better control of the evolution of the model and improves its performances, in particular in terms of forecasting.The aim of the research was to assess the usefulness of this additional soil moisture information. To this end, an approach has been suggested that gradually introduces additional information thanks to a constraint relationship between observed and modelled soil moisture. In fact, soil moisture can be calculated implicitly or explicitly by the model when extracting step-by-step the values of the model's store contents. This methodology was put forward for use in the European AIMWATER project on four catchments within the Seine River basin upstream of Paris (France). The other issue addressed in this paper was whether or not it is necessary to use a model that simulates explicitly the evolution of soil moisture at different depths. One can argue that if the model employed does not feature a store that can be identified closely to the observed soil moisture, there would be no possibility of benefiting from such measurements. On the other hand, it can be argued that if soil moisture is a model output, all the information drawn from soil moisture observations will be directed at improving this specific output at the expense of improving streamflow values. To answer this issue, two models were tested. The first model, GR4j, has no explicit counterpart for soil moisture measurements. The second one, GRHum, has been especially developed to introduce a two-layer soil reservoir that simulates the surface and sub-surface soil moisture.Since the aim of the present research was to analyse different ways of accounting for soil moisture, and to identify the one that offers the best prospects, several tests were carried out, using different relationships between observed and modelled soil moisture. Indeed, TDR probes give point measurements of soil moisture at several depths and several store contents can be taken into account in a constraint relationship.First, for both GR4j and GRHum models, tests showed that performances for flood forecasting are significantly improved when assimilating in situ measurements of soil moisture at a daily time-step, especially for the basins where poor simulations are obtained. It is also noteworthy that performances are very dependent on the items taken into account in a constraint relationship.Secondly, the GRHum model did not appear to be more efficient than the GR4j model when assimilating both streamflow and soil moisture data. However, the GRHum model gave the best results when assimilating only streamflow data, and superficial soil moisture seemed to fit the GRHum better than the GR4j model.Finally, although the tests required perfect foreknowledge of rainfall, the results of the research are encouraging from an operational point of view. Another interesting perspective is provided by the Earth Observation data. Indeed, previous studies have shown that soil moisture can be derived from EO data using, for example, microwave spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) images (QUESNEY et al., 2000). This type of catchment-scale data could be more relevant than a local measure given by TDR probes (PAUWELS et al., 2002).

Aspects of the MINERVE project are detailed including work on incorporating LAM forecasts into a hydro-meteorologicalical model used operationally in Switzerland.

Le bassin versant de la Chamberonne a subi d’importants changements ces dernières années. Cette région originellement rurale s’est progressivement urbanisée. Des surfaces agricoles sont devenues des zones habitables ou des zones industrielles qui ont, à leur tour, engendré un accroissement des sols imperméabilisés. Afin d’élargir l’espace constructible, la rivière a été canalisée et enterrée. Cette transformation de la région a eu comme conséquence l'augmentation des risques de débordement de la Chamberonne et un accroissement de la pollution. Ce travail de master a comme objectif de développer un modèle hydrologique basé sur le programme Routing System 3.0 dans le but d’avoir un outil efficace d’analyse et de prévision pour les cours d’eau et le réseau d’eaux usées. Ainsi, le bassin versant de la Chambronne a été découpé en sous-bassins versants avec comme objectif la simplification du modèle. Les différentes infrastructures aménagées le long des cours d’eau ont été intégrées dans le modèle, telles que les déversoirs d’orage, les bassins de rétention, les rejets de pompage et les rejets des STEP. A l’aide du modèle, un bilan des déversements d’orage et de la pollution dans le cours d’eau a été réalisé pour l’année 2013. L’étude de l’impact de divers scénarios a été faite, telle que l’impact de la dérivation du ruisseau de Broye, l’extension du réseau séparatif, la fermeture des STEP et l’augmentation de la population d’ici 2030. Finalement le modèle peut être utilisé pour faire des prévisions de débit (des données de COSMO-7 ont été intégrées en ce qui concernent les prévisions pluviométriques), ceci en accédant aux prévisions et aux simulations de débit sur l’ensemble des objets du bassin versant (p.ex. tronçon de rivière, déversoirs d’orage, rejets de pompage, etc.) sur le site « chamberonne.swissrivers.ch ».