Hydrologie quantitative
Processus, modèles et aide à la décision

Sommaire et contenu du livre "Hydrologie quantitative - Processus, modèles et aide à la décision"

Sommaire Préface vii Avant-propos xi l Les fondamentaux en hydrologie 1 1 Le cycle de l'eau 3 1.1 Évolution des conceptions du cycle de l'eau 4 1.2 Origine de l'eau sur Terre et paléoclimats . 6 1.3 Le cycle de l'eau aujourd'hui . . . . . . . . 7 1.4 L'eau dans la régulation thermodynamique du globe 10 1.4.1 Bilans énergétiques et bilans en eau globaux. 10 1.4.2 Une représentation zonale: l'eau, correcteur des déséqui­libres radiatifs 11 1.5 Les grandes circulations atmosphériques. 14 1.6 Précipitations 16 1.7 Climats et régimes hydrologiques. . . . . 18 1.8 Ressources en eau et activités humaines . 20 1.8.1 Eau verte, eau bleue: les activités humaines et le cycle del'eau ......................... 20 1.8.2 Répartition et disponibilité de l'eau 23 1.8.3 Les ressources « mobilisables» ou « renouvelables» 23 1.8.4 Prélèvements et consommations par grandes classes d'usa­ges..................... 24 1.8.5 Utilisationetréutilisation . . . . . . . . . . . . . . . .. 25 1.8.6 Échapper aux limites du bassin versant 26 1.8.7 Confrontation ressources-usages: une première approche 27 1.8.8 Exercices prospectifs: de la «vision pour l'eau en 2025» à une vision globale intégrant irrigations pluviales et trans­fertsd'eau virtuelle................... .. 28 1.8.9 Modéliser les influences anthropiques dans ou en dehors dumodèlehydrologique ................ .. 30 1.9 Le cycle de l'eau au cœur du débat autour du changement cli­matique........................... 31 1.9.1 Lesmécanismesen jeu................. .. 32 1.9.2 Les constats globaux concernant pluies et débits . . .. 34 1.9.3 Les évolutions constatées concernant l'Europe et la France métropolitaine ..................... .. 34 1.9.4 Lesévolutionsfutures ................. .. 36 1.10 La gestion des ressources en eau confrontée à des non-stationna­rités............................... .. 38 2 Processus physiques à l'échelle des bassins versants 41 2.1 Introduction.................... 41 2.1.1 La notion de bassin versant . . . . . . . . 42 2.1.2 Compartiments et processus d'écoulement 43 2.1.3 La réponse pluie-écoulement. . . . . . 45 2.1.4 Hétérogénéité et complexité du milieu 46 2.2 Les échanges entre les sols et l'atmosphère 47 2.2.1 L'évapotranspiration.......... 47 2.2.2 L'évapotranspiration potentielle. . . . 48 2.2.3 Les réserves en eau du sol: vision agronomique 49 2.2.4 Premiers pas vers les bilans hydrologiques . . 56 2.3 Circulation de l'eau dans les sols et le sous-sol . . . . 61 2.3.1 Écoulements dans les milieux poreux saturés . 61 2.3.2 Écoulement de l'eau dans les milieux non saturés 64 2.3.3 L'importance des états de surface du sol: la battance 68 2.4 Fonctionnement des aquifères souterrains . . . . . . . . 70 2.4.1 Du permanent au transitoire 70 2.4.2 Les équations de diffusivité en captif et en libre. . . . 70 2.4.3 Différences de comportement des nappes libres et captives 74 2.4.4 Bilan sur le fonctionnement des aquifères souterrains 75 2.4.5 Les aquifères, leur recharge et leur drainage . 78 2.5 Formation des écoulements sur les bassins versants. . . . . 81 2.5.1 Origine des écoulements en période de crue . . . . . 81 2.5.2 Zones saturées contributives et écoulements préférentiels 84 2.6 Analyse et comparaison de quelques hydrograrnmes de crues 86 2.6.1 Élements méthodologiques. . . . . . . . . . . 86 2.6.2 Analyse des hydrograrnmes de crues . . . . . 88 2.7 Quelques illustrations de la diversité des situations. 91 2.8 Conclusion..................... 93 3 Les crues: hydraulique et morphologie fluviale 95 3.1 Introduction............................ 95 3.1.1 Hydraulique et morphologie fluviale: des déterminants pour l'hydrologie opérationnelle. . . . . . 95 3.1.2 La rivière: description et fonctionnement . . . . . . .. 97 3.2 Description des crues 98 3.2.1 Définition et caractérisation de la crue 98 3.2.2 Facteurs aggravants 99 3.2.3 Typologie des crues 101 3.2.4 Propagation des crues: l'onde de crue 105 3.3 Hydraulique fluviale 107 3.3.1 Rappels d'hydraulique fluviale appliquée aux crues 107 3.3.2 Modèles déterministes 116 3.3.3 Modèles conceptuels 127 3.3.4 Modèles empiriques 133 3.3.5 Quel modèle utiliser? 137 3.4 Morphologie fluviale 140 3.4.1 Le transport solide 140 3.4.2 Morphodynamique 155 3.4.3 Modèles de transport solide et morphologie fluviale. 158 3.5 Conclusion 162 4 Mesure en hydrologie 165 4.1 Mesure des précipitations 165 4.1.1 Mesure de pluie ponctuelle à l'aide de pluviomètres. 165 4.1.2 Réseaux pluviométriques. 169 4.1.3 Ordres de grandeur des valeurs de pluies ponctuelles 170 4.1.4 Interpolation spatiale des pluies. 174 4.1.5 Mesure des pluies par radar . 179 4.1.6 Mesure satellitaire 187 4.1.7 Mesure des précipitations solides et le suivi des stocks de neige et de glace 188 4.2 Mesure des écoulements . 189 4.2.1 Introduction 189 4.2.2 Choix du site d'installation d'une station limnimétrique 192 4.2.3 Les dispositifs limnimétriques 197 4.2.4 La pratique du jaugeage . 198 4.2.5 Établissement de la courbe de tarage. 208 4.2.6 Construction et critique des chroniques de débits 217 4.2.7 Réseau hydrométrique et ordres de grandeur de débits 217 4.3 Mesures piézométriques et humidité des sols 219 4.3.1 Mesure de l'état et des propriétés des aquifères 219 4.3.2 Mesure de l'état et des propriétés des sols 221 4.4 Conception et gestion d'un réseau hydrométrique. 225 ')')Q 4.5 Conclusion II Modélisation et aide à la décision 231 5 Principes de modélisation en hydrologie 233 5.1 Réflexions préliminaires . . . . . . . . . 233 5.2 Notions de base et vocabulaire . . . . . 234 5.2.1 Structure d'un modèle hydrologique 234 5.2.2 D'un modèle hydrologique à l'autre. 236 5.2.3 Modèles déterministes et modèles stochastiques 237 5.2.4 Modèles à temps continu ou temps discret . . . 239 5.2.5 Utilité des modèles en hydrologie . . . . . . . . 241 5.3 Incertitudes, erreurs et qualités d'un modèle hydrologique. 242 5.3.1 Erreurs et incertitudes. . . . . . 242 5.3.2 Qualités d'un modèle. . . . . . . 244 5.4 Élaboration d'un modèle hydrologique. 246 5.4.1 Choix d'un modèle. . . . . . . .246 5.4.2 Le calage: approche traditionnelle 246 5.4.3 Le calage: approche bayésienne. . 247 5.4.4 Lavalidation ............ 251 5.4.5 Traitement des incertitudes en cours d'exploitation 252 5.5 Retour sur la stationnarité temporelle . . . . . . . . . . . 253 5.5.1 Types et causes de non-stationnarités 254 5.5.2 Contrôle de stationnarité et détection de non-stationnarités257 5.5.3 Traitement des non-stationnarités 258 5.6 Conclusion................... 259 6 Modélisation pluie-débit et hydrogéologique 263 6.1 Les débuts de la modélisation hydrologique 264 6.2 Le modèle fondé sur les « lois de la physique 266 6.2.1 Enseignements de la modélisation d'une maquette de ver­sant 267 6.2.2 Extrapolation à un versant élémentaire théorique 273 6.3 Un point de vue pragmatique: l'approche fonctionnelle 276 6.3.1 Les défis de la modélisation hydrologique 276 6.3.2 Décomposition théorique d'un hydrogramme de réponse aux pluies. 277 6.4 Modélisation des échanges de surface 279 6.4.1 Interpolation et distribution spatiale 279 6.4.2 Calcul de précipitation totale: modèles de fonte de neige ou de glace 279 6.4.3 Estimation de l'ETR et de l'état hydrique des sols 281 6.5 Modélisation des hydrogrammes de réponse aux pluies. 284 6.5.1 Les modèles de type réservoir 285 6.5.2 Fonctions de production 287 6.5.3 Fonctions de transfert 292 6.6 Modélisation des écoulements souterrains 297 6.6.1 Modèles simplifiés de récession et tarissement 297 6.6.2 Modélisation détaillée des aquifères profonds 298 6.7 Exemples de modèles hydrologiques . . . . . . . . 310 6.7.1 Un modèle global à réservoirs: GR4 . . . . . 310 6.7.2 Un modèle distribué événementiel: Cinecar . 312 6.7.3 Un modèle distribué continu: SIM (SAFRAN ISBA MOD­COU) .......................... .. 314 6.7.4 Les modèles linéaires (ARlVIAX) et les réseaux de neurones316 6.8 Mise en œuvre et utilisation des modèles hydrologiques . . .. 319 6.8.1 Le modèle comme outil d'aide à l'interprétation des ob­ servations ........................ .. 319 6.8.2 Le modèle comme outil de simulation 320 6.9 Retour d'expérience sur l'utilisation des modèles hydrologiques 326 6.9.1 Mérites comparés des modèles distribués et des modèles globaux ......................... .. 326 6.9.2 Mérites comparés des modèles de prévision hydrologique 327 6.9.3 Limites des modèles hydrologiques 330 6.10 Conclusion ................. 331 7 Prédétermination des crues 333 7.1 Évaluer un risque de crue: pourquoi et comment? . . . . . .. 334 7.1.1 Les notions de risque et de prédétermination des crues. 334 7.1.2 Variable aléatoire d'étude associée à l'événement « crue» 336 7.1.3 Analyses statistiques : approche classique et approche bayésienne............... 338 7.1.4 Notiondepériodede retour.............. .. 341 7.1.5 Répartition des crues dans le temps 344 7.2 Principes et conditions d'application des analyses statistiques. 346 7.2.1 Inférence statistique . . . . . . . . . . . 346 7.2.2 Collecte et analyse critique des données. 347 7.2.3 Constitution d'un échantillon de travail 348 7.2.4 Hypothèses et vérification . . . . . . . . 349 7.2.5 Choix d'un modèle: lois classiquement utilisées en hy­drologie ...................... 356 7.2.6 Estimation des paramètres d'une loi théorique 366 7.2.7 Intervalles de confiance 369 7.2.8 Exemple d'estimations pour la Loi Normale . . 372 7.2.9 Qualité d'ajustement d'une loi théorique à un échantillon observé 373 7.2.10 Prise en compte de l'information historique 378 7.2.11 Incertitudes 381 7.2.12 Les analyses multivariées 387 7.3 Principales méthodes de prédétermination des débits de crue 387 7.3.1 La méthode des « Maxima annuels» 388 7.3.2 La méthode du «Renouvellement» 391 7.3.3 La méthode du « Gradex» 397 7.3.4 Autres méthodes faisant appel à l'analyse statistique.. 403 7.3.5 Méthodes ne faisant pas, ou peu, appel à l'analyse sta­tistique................... 409 7.4 Fil conducteur d'une étude de prédétermination 410 8 Prédétermination des étiages 413 8.1 L'approche globale débit-durée. . . . . . . . 413 8.2 Les principaux indicateurs d'étiages . . . . . 415 8.3 Analyse statistique des indicateurs d'étiages 417 8.4 Les courbes « débit-durée-fréquence» . . . . 421 8.5 Conclusion sur la prédétermination des étiages 426 9 Prévision hydrologique : cas général 427 9.1 Caractéristiques générales de l'exercice de prévision 427 9.2 Contexte de la prévision des étiages . . . . . . . . . 429 9.2.1 Les principales phases de la prévision des étiages 430 9.2.2 Les phénomènes physiques propres aux étiages . 432 9.2.3 Leséchellestemporelles .............. 433 9.2.4 La prévision des niveaux des nappes souterraines 434 9.2.5 Prévisions du bon indicateur débits d'étiage 435 9.2.6 Les modèles utilisés 436 9.2.7 La technique des scénarios. . . . . . . . . 439 9.3 Prévision des débits journaliers en toutes saisons 442 9.4 Traitementsdesécarts. . . . . . . . . . . . . 444 10 Prévisions hydrologiques en période de crue 447 10.1 La prévision des crues: principes généraux . . . . . . . . . .. 447 10.1.1 La possibilité de prévoir les crues: trois délais d'antici­pationpotentiels .......... 448 10.1.2 Le temps réel change tout. . . . . . . . . 449 10.1.3 Contenu de la prévision des crues. . . . . 450 10.2 Information hydrométéorologique en temps réel. 452 10.2.1 L'information météorologique 452 10.2.2 L'information hydrologique 455 10.2.3 Prévision d'ensemble (EPS) . 460 10.3 Les modèles de prévision des crues . 461 10.3.1 Les modèles de prévision utilisés 461 10.3.2 Techniques de scénarios . . . . . 466 10.3.3 Tester un modèle de prévision et croiser l'information 467 10.3.4 Superviseurs et plateformes de modélisation 468 10.4 Le retour d'expérience. . . . . . . 470 10.5 Analyse et traitement des erreurs 471 10.5.1 Types d'erreurs. . . . . . . 471 10.5.2 Détection des erreurs et des sources d'incertitude 471 10.5.3 Filtrage et assimilation de données . . . . . . . . . . .. 473 10.5.4 Procédures multi-modèles . . . . . . . . . . . . . . . .. 474 10.6 Constitution d'un service opérationnel de prévision hydrologique 475 10.6.1 Équipe chargée du réseau métrologique 475 10.6.2 L'équipe chargée des modèles et des outils de prévision 475 10.6.3 L'équipe des prévisionnistes 476 10.7 Pistes de progrès et évolutions actuelles 477 11 Gestion des réserves hydrauliques 481 11.1 Introduction ...................... 481 11.2 La gestion au jour le jour d'une réserve hydraulique 483 11.2.1 Lesystèmephysique .............. 485 11.2.2 Les usages, les besoins, les enjeux et leur quantification 488 11.2.3 Les aléas 491 11.2.4 Les décisions et leur « optimisation» en avenir plus ou moinsincertain ..................... .. 494 11.3 Exemples de gestion court terme en avenir certain . . . . . .. 495 11.3.1 Le cas mono-usage et fonction de coût connue à chaque instant.......................... .. 495 11.3.2 Un cas encore simple: multi-usage avec fonction de coût commune ........................ .. 499 11.3.3 Un cas fréquent: multi-usage avec optimisation sous con­trainte...................... 501 11.3.4 Les gestions multi-réservoirs ou de vallée. . . . . . . .. 504 11.4 Exemples de gestion court terme en avenir incertain . . . . .. 506 11.4.1 Le cas favorable: fonction(s) de coût connue à chaque instant 506 11.4.2 Multi-usage et optimisation sous contrainte en avenir in­certain.......................... 510 11.4.3 Les approches globales 514 11.5 La gestion long terme et le dimensionnement des réservoirs 519 11.5.1 Simulerlagestionlong terme ............. 519 11.5.2 Le bilan économique et le dimensionnement des réservoirs 521 11.5.3 Impacts des incertitudes et valeur de l'information 529 11.5.4 La gestion des réserves souterraines. . . . . . . . . . .. 534 11.6 Environnementetgestionde l'eau . . . . . . . . . . . . . . .. 539 11.6.1 L'environnement, partie prenante de la gestion des réser­539voirs . 540 11.6.2 Formaliser des objectifs pour la gestion . 11.6.3 Protection par la norme et l'interdiction . 542 11.6.4 La dimension économique des services environnementaux 543 544 11.6.5 Les valeurs de référence ou tutélaires . 11.6.6 La question du taux d'actualisation, de la résilience et 545des irréversibilités . 547 11.6.7 Méthodesde monétarisation. . . . . . . . . . . . . . . . 11.6.8 Des exemples de valeurs environnementales positives 548 11.6.9 Explorer et quantifier pour partager? 548 11.7 Conclusion ................... 549 Bibliographie 551 Index 583 Table des annexes Les annexes se trouvent sur le DVD-Rom joint à l'ouvrage. Chapitre 1 1.1 Eau et mythes 1.2 Émergence des conceptions modernes du cycle eau 1.3 Origines de l'eau sur Terre 1.4 Paléoclimats 1.5 L'eau dans la régulation thermodynamique de la planète 1.6 Les nuages et les précipitations 1.7 Les climats et régimes hydrologiques 1.8 La démarche prospective « Vision pour 2025 » 1.9 Exemples de déséquilibres besoins-ressources et de leurs conséquences 1.10 Le cycle de l'eau au cœur du changement climatique Chapitre 2 2.1 Synthèse bibliographique sur les processus de genèse des écoulements 2.2 L'eau, le sol, la plante 2.3 Perspectives de recherche: ce que l'on ne sait pas encore Chapitre 3 3.1 Les modèles linéaires régressifs et autorégressifs Chapitre 4 4.1 Jaugeage de la Seine à Paris par E. Belgrand en 1875 4.2 Essais de pompage Chapitre 5 5.1 Application des réseaux de neurones en hydrologie 5.2 Cascades multiplicatives et multifractales 5.3 Chaos déterministe et hydrologie 5.4 Rappels sur les processus hydrologiques et sur le contrôle de leur stationnarité 5.5 Calage de modèle et approches bayésiennes Chapitre 6 6.1 Présentation étude de cas hydrologie 6.2 Étude de cas hydrologie fichiers version Linux 6.3 Étude de cas hydrologie PC 6.4 Correction étude de cas hydrologie 6.5 Modélisation hydrogéologique de la nappe de Beauce Chapitre 7 7.1 Retour sur l'acceptabilité du risque, le dimensionnement économique d'ouvrages, et l'utilisation de normes 7.2 Discussion à propos de la variable d'étude et de la période de retour 7.3 Probabilité d'observer plusieurs crues de période de retour T pendant une période de n années. 7.4 Les méthodes rationnelles 7.5 Mémento de quelques notions de probabilités et de statistique utiles en prédétermination des crues 7.6 Principe de la méthode PMF (probable maximum flood) 7.7 Cas d'étude: prédétermination des débits de la Garonne à Mas d'Age­ nais 7.8 Logiciel DONNÉES de traitement des données de la Garonne à Mas d'Agenais 7.9 logiciel MAXAN de prédétermination des débits de crue par la mé­ thode des Maxima Annuels 7.10 Logiciel RENOU de prédétermination des débits de crue par la mé­ thode du Renouvellement 7.11 Logiciel PEKATETO d'estimation de la probabilité d'observer k crues Qr en n années 7.12 Prédétermination des crues de l'Ardèche à Sauze par la méthode du Gradex 7.13 Calculs complémentaires 7.14 Inférence statistique bayésienne, exemple de prise en compte d'infor­ mation historique 7.15 Théorie des valeurs extrêmes et ses limites 7.16 Réponses aux exercices Chapitre 9 9.1 Prévision pour un processus de Poisson filtré 9.2 Le modèle de prévision des débits de la Charente Chapitre 10 10.1 Le système de surveillance et de prévisions hydrométéorologiques d'EDF 10.2 Cartes de vigilance crues et informations pluviométriques utilisées par le SCHAPI 10.3 ATelier HYdrologique Spatialisé (ATHYS) 10.4 Marine 10.5 Modèle de prévision de crues GRP 10.6 Mascaret 10.7 Sophie, un outil d'aide à la prévision des crues 10.8 Exemples de résultats obtenus avec des méthodes d'assimilation des données 10.9 Modèle MORDOR Chapitre Il 11.1 Bref historique des aménagements hydrauliques français 11.2 Algorithme de Bellman en avenir certain 11.3 Principes de programmation linéaire 11.4 Méthode du fil tendu 11.5 Algorithme de Bellman en avenir incertain 11.6 Risque et changement géophysique 11.7 Serre-Ponçon et le bassin de la Durance 11.8 La régularisation du bassin de la Seine 11.9 Le tableau de bord de la ressource en eau de la Charente (TBRE). 11.10 Gestion de l'Albien et du Néocomien