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Terre Univers Environnement

Réalisation de prévisions hydrométéorologiques probabilistes avec prise en compte des concomitances d’affluents. Application au cas du Rhône en crue.

Joseph BELLIER, Mars 2015 - Février 2018

par Directeur - 23 avril 2015 ( maj : 24 avril 2015 )

Direction : Isabella Zin (LTHE) et Guillaume Bontron (Compagnie Nationale du Rhône).
Financement : 50% LabEx, 50% Compagnie Nationale du Rhône
Ecole Doctorale : Terre-Univers-Environnement

Sujet de Thèse
La prévision des débits est par nature une activité entachée d’incertitudes : incertitude liée à une représentation simplifiée de la nature par des modèles (incertitudes intrinsèques aux modèles hydrologiques et hydrauliques), incertitudes pesant sur l’état initial du système étudié (débit réel des cours d’eau, états de surface - humidité des sols, couvert nival -, précipitations réalisées…), incertitude sur les forçages externes à venir (précipitations prévues, évolution de la limite pluie-neige…). Or, les prévisions de débits, notamment dans un contexte de prévision de crue, servent de support à des prises de décision. L’incertitude de la prévision doit donc être clairement affichée, et ceci de façon fiable, afin de permettre une prise de décision optimale.
Même si elle n’est pas triviale, la question de la réalisation de prévision de débit probabiliste sur un bassin versant fonctionnant avec un régime pluie-débit a déjà été abordée. Diverses approches ont été proposées et certaines sont déjà en œuvre de façon opérationnelle. Le problème devient plus complexe quand on s’intéresse à la génération de prévision probabiliste sur un fleuve collecteur de différents affluents aux régimes hydrologiques plus ou moins corrélés. S’ajoute alors au problème la question de la concomitance des réactions hydrologiques. Dans ce contexte, si par exemple des techniques de génération de scénarios sont employées, les apports hydrologiques ne peuvent pas être considérés indépendamment les uns des autres : il est nécessaire d’assurer une cohérence spatiale et temporelle à l’intérieur de chaque scénario.
L’objectif de la thèse est la mise en place d’une chaine de prévision permettant la réalisation de prévisions probabilistes de débits en aval de confluences présentant des problématiques de concomitance. Les évènements de crue seront particulièrement ciblés. Le travail mené englobera l’ensemble du processus de prévision hydrologique : prévision des précipitations, prise en compte de l’influence du couvert nival, transformation pluie-débit sur les affluents et modélisation hydraulique le long du cours d’eau principal. Les incertitudes liées à chaque étape du processus de prévision seront prises en compte et propagées le long des étapes ultérieures afin d’être en mesure d’avoir une vision probabiliste de la prévision de débit le long du cours d’eau principal.
Ce travail sera appliqué au cas du Rhône et s’appuiera sur un ensemble d’outils préexistants. Ces outils constituent une chaîne de prévision déterministe opérationnelle mise en œuvre à la Compagnie Nationale du Rhône pour la prévision des débits du Rhône :
- Algorithme de prévision des pluies par analogie définis sur un découpage du bassin versant du Rhône français en un ensemble de sous bassins versants,
- Modèles statistiques de type ARX de prévision pluie-débit sur certains affluents du Rhône,
- Modélisation hydraulique complète du Rhône par modèle 1D-casier.
Le domaine géographique de l’étude sera le bassin du Haut-Rhône, depuis le lac Léman jusqu’à la confluence avec l’Ain. Ce tronçon inclut des affluents plus ou moins corrélés, permettant ainsi de traiter des cas de figures variés.

Déroulement prévisionnel
La première partie du travail visera à explorer l’incertitude liée aux forçages externes à venir, en travaillant sur la construction de scénarios météo (précipitations et températures) reflétant l’incertitude de la prévision. Une attention toute particulière sera portée sur la cohérence spatiale et temporelle de ces scénarios, afin d’être en mesure d’exprimer ensuite les concomitances entre affluents. Cette partie s’appuiera sur deux sources de prévision météorologiques probabilistes : la prévision d’ensemble et la prévision par analogie.
La seconde partie du travail traitera de l’incertitude en sortie des modèles hydrologiques, laquelle résulte de l’incertitude sur les forçages météorologiques (observations et prévisions) mais aussi de celle liée au modèle hydrologique utilisé. Cette incertitude intrinsèque au modèle hydrologique est classiquement considérée comme provenant de deux facteurs : la structure du modèle choisi et le jeu de paramètres optimisés dans le modèle. L’objectif de cette partie sera de combiner ces différentes sources incertitudes afin de proposer des fourchettes de valeurs prédites qui restent fiables (i.e. sans biais à grande échelle) en sortie de la modélisation hydrologique.
La troisième et dernière partie de la thèse sera consacrée à la propagation des scénarios hydrologiques au sein du modèle de propagation, permettant ainsi la prise en compte des concomitances entre les affluents dans la construction de la prévision de débit. Une attention toute particulière sera portée à la méthodologie mise en œuvre afin que les prévisions de débit probabilistes données en sortie de la modélisation hydraulique demeurent fiables.



       

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