Bienvenue dans les modèles hydrologiques distribués pour les prévisions de débit. Je m'appelle Dennis Johnson et je suis professeur au Juniata College en Pennsylvanie.
L'objectif principal de la première partie de cette série de deux modules est de décrire les modèles hydrologiques distribués et leur fonctionnement. Nous verrons comment comprendre les différences entre les modèles globaux et les modèles distribués, comment les modèles globaux peuvent être subdivisés, par exemple en mailles, sous-bassins ou plans d'écoulement, et quand les modèles hydrologiques distribués sont les plus appropriés. Nous parlerons des modèles distribués et de la façon dont ils ont tendance à s'appuyer sur des approches physiques, alors que les modèles globaux s'appuient sur des approches conceptuelles. Enfin, nous examinerons certains des défis liés à l'application des modèles hydrologiques distribués.
Aux fins de ce module, nous considérerons le terme modèle hydrologique comme un modèle informatique qui simule diverses composantes ou fonctions du cycle hydrologique.
Les capacités de simulation varient en termes d'espace et de temps - certains modèles examinent des pas ou des échelles de temps longs, tandis que d'autres peuvent utiliser des pas de temps courts et simuler une période de temps relativement courte - comme dans le cas d'une crue éclair.
Avant d'aller de l'avant, examinons certaines des fonctions les plus basiques et les plus courantes d'un modèle hydrologique.
Le résultat des modèles hydrologiques varie – selon les buts et objectifs du modèle. Certains modèles sont utilisés pour prédire les totaux de ruissellement mensuels, tandis que d'autres sont conçus pour examiner les épisodes de tempête individuels.
Le résultat le plus courant est peut-être l'hydrogramme ou l'hydrogramme de ruissellement.
Pour plus d'informations, reportez-vous au cours d'apprentissage à distance Sciences hydrologiques fondamentales : édition internationale.
Les modèles hydrologiques, qu'ils soient globaux ou distribués, ont pour objectif commun de déterminer le devenir des précipitations à la fin de chaque pas de temps.
La bonne réponse est a) Vrai.
Les deux approches de modélisation calculent une variété de fonctions pour simuler le devenir des précipitations à des pas de temps distincts. La différence est que les modèles distribués doivent effectuer ces tâches sur tous les sous-éléments d'un bassin versant, comme nous le verrons au cours de ce module.
Certains modèles peuvent être développés en tant que modèles continus – ils sont utilisés pour simuler le débit et d'autres fonctions du bassin versant (par exemple, le stockage) sur de longues périodes de temps. Le modèle SAC-SMA est souvent utilisé de cette manière.
D'autres modèles sont davantage des modèles basés sur les événements et sont généralement utilisés pour modéliser des épisodes de tempête uniques. Ces modèles sont souvent utilisés à des fins de conception (par exemple, la conception d'un dalot pour passer un épisode de récurrence de 100 ans).
Ainsi, les modèles d'hydrogrammes d'écoulement pourraient varier considérablement en termes d'échelle de temps et de pas de temps.
Outre les hydrogrammes de ruissellement, les modèles peuvent également générer des informations telles que le stockage, l'évapotranspiration, l'humidité du sol et d'autres éléments - cela dépend bien sûr des buts et objectifs susmentionnés du modèle lui-même.
Pour plus d'informations, reportez-vous au cours d'apprentissage à distance Sciences hydrologiques fondamentales : édition internationale.
Commençons par l'objectif de base d'un modèle hydrologique – le processus de ruissellement des précipitations lui-même. Nous devons commencer à penser au bassin dans son ensemble – une entité unique. Les précipitations (généralement une série chronologique) sont généralement transmises au modèle.
Une fois que la pluie a été « transmise » au modèle, celui-ci doit maintenant déterminer le devenir des précipitations – généralement à des pas de temps distincts. Ainsi, pour chaque pas de temps, nous entendons des mots comme interception, stockage en surface, évapotranspiration et ruissellement pour n'en nommer que quelques-uns. Ce sont tous des exemples de fonctions usuelles de bassin versant qui sont simulées dans le modèle de bassin versant.
Ainsi, les hydrogrammes de débit sortant du modèle peuvent varier considérablement en termes d'échelle de temps et de pas de temps.
Dans un sens général, 2 des fonctions les plus courantes dans un pas de temps sont : 1) déterminer la pluie nette et 2) déplacer la pluie nette de la surface terrestre vers le cours d'eau ou le chenal récepteur.
Au niveau le plus élémentaire, nous pouvons dire quelque chose comme ceci : « si 1 unité de précipitation tombe sur le bassin versant, alors une certaine quantité s'infiltrera et une certaine quantité deviendra un ruissellement ». C'est le sort des précipitations. La plupart des modèles hydrologiques ont une fonction pour faire exactement cela - déterminer le devenir. Certains sont relativement simples, comme le nombre de courbes de ruissellement du NRCS, tandis que d'autres sont plus complexes, dans lesquels un système de comptabilité est utilisé pour garder une trace continue des propriétés du bassin versant. Quoi qu'il en soit, gardons ce modèle de base à l'esprit et réalisons qu'à la fin de chaque pas de temps, une certaine hauteur de pluie nette peut être disponible pour le ruissellement.
La deuxième fonction commune du modèle est de « déplacer » ou « acheminer » la pluie nette du bassin versant vers le cours d'eau récepteur. L'une des méthodes les plus courantes pour ce faire est l'approche de l'hydrogramme unitaire. On suppose que l'étudiant est familiarisé avec les concepts d'hydrogramme unitaire. Il existe également un module d'apprentissage à distance disponible sur la théorie de l'hydrogramme unitaire sur COMET.
Fondamentalement, l'hydrogramme unitaire transforme la pluie nette d'une hauteur uniforme répartie sur une zone en un hydrogramme d'écoulement.
Le chronogramme et la forme de l'hydrogramme sont fonction de divers paramètres du bassin versant tels que la superficie, la pente et les longueurs. Il existe d'autres méthodes pour déplacer l'eau jusqu'à l'exutoire, comme la méthode d'écoulement de surface par vagues cinématiques. Dans cette méthode, la pluie nette est acheminée vers le bas de la pente vers la sortie ou le cours d'eau récepteur en utilisant la technique de propagation des ondes cinématiques.
Voir module Théorie de l'hydrogramme unitaire pour plus d'informations.
Il est important de noter que l'excès de précipitations peut ne pas être seulement un excès de surface. Dans les modèles hydrologiques, le débit peut provenir d'un écoulement de surface ou d'un écoulement souterrain.
Ce que vous regardez ici, c'est le SAC-SMA. Après chaque pas de temps, l'eau est disponible pour l'écoulement à partir d'une variété de composants, qu'ils soient de surface, de la zone supérieure ou de la zone inférieure.
Ainsi, à chaque pas de temps, nous avons les précipitations entrantes, le modèle détermine la pluie nette, puis déplace la pluie nette vers l'exutoire pour créer l'hydrogramme.
Très souvent, tout cela se fait dans un modèle global - un modèle où chaque paramètre qui décrit le bassin versant doit décrire l'ensemble du bassin versant. Nous pensons au bassin versant dans son ensemble. Prenons, par exemple, le numéro de courbe de ruissellement NRCS. Le numéro de courbe de ruissellement est un indice développé par le SCS (maintenant le NRCS) pour indiquer le potentiel de ruissellement d'un bassin.
En utilisant le numéro de courbe de ruissellement NRCS dans un modèle global, l'ensemble du bassin versant est représenté par un numéro de courbe de ruissellement- bien qu'il puisse s'agir d'une valeur pondérée - il s'agit toujours d'une valeur sans tenir compte de la variation spatiale.
Un bassin contient principalement du sol sec dans les deux tiers supérieurs du bassin versant et du sol humide dans le tiers inférieur. Dans un modèle global, combien de valeurs seront utilisées pour paramétrer les conditions du sol pour ce bassin ?
La bonne réponse est b) 1.
Un modèle global utilisera une valeur pour paramétrer les conditions du sol pour le bassin.
Dans un modèle global, quelle valeur serait utilisée pour paramétrer les conditions du sol pour un bassin versant avec un sol sec dans les deux tiers supérieurs et un sol humide dans le tiers inférieur ?
La bonne réponse est c) Une moyenne pondérée des valeurs de sol humide et de sol sec (2/3 Xsec + 1/3 Xhumide)
Les conditions du sol seront paramétrées par une moyenne pondérée. Les variations spatiales de l'utilisation des terres ou de l'occupation des sols peuvent être prises en compte à l'aide d'une moyenne pondérée pour le bassin. Cette moyenne pondérée représente le bassin dans son ensemble mais ne permet pas d'illustrer les emplacements spatiaux exacts des différents paramètres qui ont été utilisés pour déterminer la valeur finale.
Dans une situation plus complexe, le SAC-SMA peut être appliqué de manière globale. Dans ce cas, l'ensemble du bassin ou sous-bassin se voit attribuer un ensemble de paramètres. Ces paramètres représentent la façon dont le bassin agit ou se comporte dans son ensemble, pas nécessairement une représentation d'un seul point. Même au-delà du calcul de la pluie nette, l'opération de l'hydrogramme unitaire fonctionne de manière similaire : l'ensemble du bassin versant est supposé être représenté par la forme de l'hydrogramme unitaire.
Lorsque nous regroupons, nous arrivons essentiellement à une valeur (espérons-le grâce à un étalonnage) qui représente le comportement de l'ensemble du bassin versant. Nous savons intuitivement que l'ensemble du bassin versant ne peut pas être représenté par une seule valeur. Nous réalisons que les changements dans l'utilisation des terres ou la profondeur du sol modifieront évidemment les réponses ; cependant, dans un modèle global, nous évaluons essentiellement ces différences. Vous allez entendre assez souvent ce terme « moyenner ». Même si un bassin versant correspond à un seul type d'utilisation des terres – comme l'agriculture ou l'urbain, il peut y avoir des variations considérables au sein du bassin versant qui créent des différences spatiales.
On parle souvent d'hypothèses uniformes. Les paramètres utilisés pour décrire le bassin versant supposent une uniformité dans l'ensemble du bassin versant. En utilisant le modèle SAC-SMA, nous supposerions, par exemple, que l'eau libre de la zone inférieure est uniforme dans tout le bassin versant.
Si notre seul objectif est de simuler le ruissellement à l'exutoire d'un bassin versant, alors les modèles globaux ont été testés dans le temps et fonctionnent assez bien.
Vous pourriez donc vous demander pourquoi ne pas toujours utiliser un modèle global ? Nous allons passer quelques minutes à examiner certains scénarios dans lesquels les modèles globaux peuvent ne pas bien fonctionner et nous devons passer à un modèle distribué.
Dans ce premier scénario, nous avons une tempête qui est relativement petite par rapport au bassin versant lui-même. Dans ce cas, les précipitations ne touchent qu'une petite partie du bassin versant et les précipitations moyennes de la zone (MAP) ne représenteront pas avec précision la répartition des précipitations. Les zones locales qui ont des intensités élevées et peuvent générer du ruissellement - voire des inondations - ne sont pas correctement simulées. Le modèle global bien calibré peut montrer peu ou pas de ruissellement en raison des précipitations moyennes par zone qui sont la moyenne sur l'ensemble du bassin.
Quelle est la différence de débit à l'exutoire d'un bassin versant pour une tempête se déplaçant en aval par rapport à une tempête se déplaçant en amont ?
La bonne réponse est a).
Comme dans le premier scénario, les petites tempêtes qui se déplacent, soit vers le haut ou vers le bas du bassin versant ou même à travers le bassin versant, ont tendance à poser des difficultés pour les modèles globaux. Dans ce cas, les précipitations moyennes de la zone ne sont pas le seul problème, mais la direction du mouvement de la tempête peut également causer des problèmes.
Toutes les tempêtes ont un certain niveau de variabilité. Cependant, il peut y avoir des moments où les tempêtes ont une grande variabilité dans l'espace ou dans le temps. Dans le cas de la variabilité spatiale, les précipitations régionales moyennes (MAP) peuvent ne pas représenter avec précision les précipitations réelles qui sont tombées sur le bassin parce qu'il y a une moyenne ou un nivellement. Parfois, nous parlons de cela comme d'une moyenne des intensités locales.
De même que pour la variabilité des précipitations, il peut également arriver que le bassin versant lui-même soit dans un état très non-homogène. Par exemple, l'humidité du sol peut varier dans tout le bassin versant. Cela peut être causé par des variations dans l'utilisation des terres ou la couverture terrestre, les propriétés du sol, les caractéristiques physiques telles que la pente et l'aspect, ou même les précipitations antérieures. Lorsque nous subdivisons en bassins hydrographiques plus petits ou en éléments plus petits, la répartition de l'humidité du sol devient, espérons-le, plus uniforme.
Ce dernier cas est simplement un besoin de plus de données. Parfois, nous voulons simplement plus d'informations dans le bassin versant lui-même, pas seulement à l'exutoire.
Les points que nous voyons ici sont des exemples de moments où les modèles globaux peuvent ne pas bien fonctionner - il y en a certainement d'autres et il existe des variantes de ceux répertoriés.
Afin de faire face à l'une de ces situations, nous avons simplement besoin de plus d'informations sur le bassin versant. Nous avons besoin d'avoir plus d'informations à une échelle plus fine ou plus détaillée. En bref, nous devons répartir les paramètres descriptifs sur l'ensemble du bassin versant plutôt qu'une seule valeur globale.
Une fois que nous avons déterminé qu'un certain type de modèle distribué peut être plus approprié, nous devons maintenant considérer la manière dont nous allons subdiviser le bassin versant. Pour ce faire, nous décomposons le modèle en sous-sections plus petites.
L'approche la plus élémentaire et peut-être la plus courante consisterait à subdiviser le bassin versant en bassins versants ou sous-bassins plus petits. Ceux-ci sont destinés à être de nature plus homogène. En subdivisant le bassin versant, nous pouvons, espérons-le, éviter bon nombre des lacunes des modèles globaux, dont certaines ont déjà été discutées.
En plus de subdiviser le bassin versant en bassins versants ou sous-bassins plus petits, certains modèles divisent le bassin versant en d'autres éléments. Par exemple, les plans (surfaces longitudinales et transversales ) d'écoulement ont été utilisés par certains modélisateurs. Tous sont considérés comme de nature homogène et inclinés vers le ruisseau.
En remarque, lorsqu'un bassin versant est discrétisé en un certain nombre de plans (surfaces longitudinales et transversales) d'écoulement distincts, il est assez courant d'utiliser des méthodes plus physiques pour déplacer la pluie nette hors du bassin versant. Les équations d'ondes cinématiques en sont un exemple. Nous n'entrerons pas dans les détails de cette méthode, mais les paramètres couramment requis comprennent les longueurs, les pentes, un coefficient de rugosité et parfois le pourcentage du bassin couvert par chaque plan (surfaces longitudinales et transversales d'écoulement).
Bien qu'il existe plusieurs façons de subdiviser un bassin versant, l'une des méthodes les plus courantes – ces derniers temps – a été de diviser le bassin versant en mailles. Nous avons probablement tous vu une représentation maillée de la surface de la Terre sous une forme ou une autre.
Cela a été considérablement amélioré grâce aux ensembles de données SIG et en particulier aux modèles numériques de terrain ou MNT à assez haute résolution, ainsi qu'à d'autres ensembles de données et données des satellites.
Ici, nous voyons un modèle numérique du bassin versant du fleuve Juniata dans le centre-sud de la Pennsylvanie. Les sous-bassins versants sont également notés, de même que les principaux cours d'eau et fleuves.
Fondamentalement, nous pouvons considérer la surface de la terre comme étant représentée par une série de blocs tridimensionnels avec un écoulement (à la fois à la surface et sous la surface) s'écoulant d'un bloc à l'autre. Le plus souvent, cela se fait en faisant en sorte que l'écoulement se dirige vers le bloc voisin avec le plus grand gradient de pente descendante.
Vous attendriez-vous à ce qu'un modèle distribué requiert un « groupage » ou une moyenne des paramètres descriptifs ?
La bonne réponse est c).
Dans un modèle distribué, il existe encore un certain degré de moyennage ou de regroupement. Considérons un modèle hydrologique qui utilise un modèle numérique de 10 m pour décrire le bassin versant. Il y aurait toujours une moyenne sur les cellules de la maille de 10 m x 10 m. La différence est que le degré de variabilité spatiale sur une petite cellule de maille est faible par rapport à la variabilité pour un bassin versant de 30 km2.
Quel que soit le mode de subdivision, le modélisateur doit maintenant fournir des paramètres descriptifs, non pas pour le bassin versant, mais pour chacun des éléments subdivisés ! Nous avons ainsi réparti les paramètres sur le bassin versant. A vrai dire, il y a encore regroupement car chaque subdivision est désormais considérée comme homogène en elle-même. Mais la zone sur laquelle le paramètre est appliqué, espérons-le, est maintenant suffisamment petite pour que nous soyons plus à l'aise avec l'hypothèse d'uniformité sur l'élément.
Par exemple, considérons à nouveau la méthode du numéro de courbe de ruissellement NRCS, dans un bassin versant localisé, il y aurait un numéro de courbe de ruissellement. Dans un bassin versant distribué, il pourrait y avoir un numéro de courbe de ruissellement pour chaque subdivision - qu'il s'agisse de mailles, de plans (surfaces longitudinales et transversales) ou simplement de sous-bassins versants. Le SAC-SMA serait encore plus complexe. Dans un modèle localisé, il existe un ensemble de paramètres SAC, dans un modèle distribué, vous pourriez avoir un ensemble différent de paramètres SAC pour chaque subdivision !
Alors maintenant, nous avons subdivisé le bassin versant et nous espérons pouvoir fournir une simulation plus précise de la réponse du bassin versant ; cependant, nous devons maintenant fournir beaucoup plus de données. De plus, le concept de calibrage d'un modèle distribué est beaucoup plus complexe, car nous avons maintenant plusieurs (peut-être des milliers ou plus) d'éléments individuels à calibrer. Cela sera discuté à un moment ultérieur.
Rappelons un instant le modèle global. Le modèle global est essentiellement un élément et pour chaque pas de temps, le modèle détermine le devenir des précipitations, puis déplace la pluie nette vers l'exutoire du bassin versant.
Considérons un modèle maillé. Ce concept est fondamentalement le même. C'est juste fait sur chaque élément ou maille au lieu d'un élément groupé.
Pour chaque pas de temps, le modèle détermine le devenir des précipitations (qui doivent être distribuées pour correspondre aux subdivisions des bassins versants). La pluie nette est ensuite "déplacée" vers l'exutoire d'une certaine manière. Encore une fois, l'excédent d'eau pourrait provenir soit de la surface, soit d'éléments du sous-sol (par exemple, l'eau libre de la zone inférieure dans le modèle de Sacramento ou SAC-SMA).
L'un des aspects les plus difficiles de la modélisation à base de maille est le mouvement de l'écoulement hypodermique. Les modèles d'écoulement hypodermique varient considérablement et sont beaucoup plus difficiles à modéliser ou même à mesurer sur le terrain sur une base de grille à grille. Ceci est parfois considéré comme une faiblesse inhérente à certains modèles distribués.
Pour cette raison, de nombreux modèles distribués fonctionnent mieux sur les épisodes de ruissellement qui ont tendance à être dominés par le ruissellement de surface, qui est souvent appelé ruissellement direct. Les petites tempêtes intenses ou les crues éclair en sont d'excellents exemples.
Dans les modèles globaux, nous avons eu tendance à utiliser des approches plus conceptuelles (par exemple, la théorie de l'hydrogramme unitaire), tandis que dans un modèle distribué, nous avons souvent recours à des approches plus physiques, telles que l'onde cinématique ou même les équations d'onde diffusives. Bien qu'il existe certainement des exceptions à cela et même des combinaisons de types de modèles, nous avons toujours tendance à voir des approches plus physiques dans les modèles distribués.
Dans certains cas, l'utilisation d'approches basées sur la physique peut présenter un avantage par rapport aux approches conceptuelles dans un modèle hydrologique distribué, car les modèles basés sur la physique tentent de simuler des processus basés sur les équations physiques déterminantes. Ces équations, à leur tour, reposent souvent sur les caractéristiques physiques du bassin versant (p. ex. pente, longueurs, superficies et caractéristiques du sol). Ces données sont souvent plus disponibles que les données utilisées pour alimenter certains modèles conceptuels.
En conséquence, les modèles basés sur la physique peuvent également être plus performants dans les zones où les mesures et les observations sont rares.
Les MHD ont tendance à mieux fonctionner sur les épisodes dominés par le ruissellement direct, tels que les crues.
Un modèle distribué est généralement une décomposition du bassin versant groupé en éléments plus petits et la distribution des paramètres peut nécessiter beaucoup plus de données.
Le système de modélisation distribué peut utiliser un certain nombre d'approches différentes, tout comme un modèle groupé, pour simuler le devenir des précipitations entrantes.
Certains peuvent utiliser des approches de modélisation conceptuelle (SAC-SMA) et d'autres peuvent utiliser une approche plus physique.
Ceci conclut la partie I des modèles hydrologiques distribués pour les prévisions de débit. Dans la partie II, nous examinerons plus en détail les modèles distribués et examinerons des questions telles que le calibrage et l'assimilation de données. Nous discuterons également des approches de sélection d'un modèle pour diverses situations de prévision de débit.
Toutes nos félicitations!
Vous avez terminé la partie 1 sur 2 des modèles hydrologiques distribués pour les prévisions de débit.
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