Modèle hydrologique (HU) : Différence entre versions

Version du 25 avril 2024 à 16:52

Traduction anglaise : Runoff model, Rainfall-runoff model

Dernière mise à jour : 25/04/2024

Mot en chantier

Modèle, généralement écrit sous forme mathématique, permettant de transformer les entrées pluviométriques en sorties débitmétriques à l’exutoire d’un bassin versant.

Limites de l'article

Cet article s'attache à présenter les différentes familles de modèles utilisés en hydrologie sans s'attarder sur les difficultés plus générales associées à l'acte de modélisation lui-même. Ces aspects sont traités, de façon synthétique dans les articles Modèle (HU) et Modélisation en hydrologie et en hydraulique (généralités) (HU) et, de façon plus détaillée, dans différents articles de la catégorie "modélisation des phénomènes hydrologiques" (voir http://wikhydro.developpement-durable.gouv.fr/index.php/Cat%C3%A9gorie:Mod%C3%A9lisation_des_ph%C3%A9nom%C3%A8nes_hydrologiques_(HU)).

Il s'intéresse spécifiquement aux différentes méthodes permettant de transformer une pluie connue par sa distribution spatio-temporelle sur le territoire d'un bassin versant en un débit s'écoulant à l'exutoire de ce bassin versant (modèles de type prévisionnel).

Il n'aborde donc pas les problématiques associées au dimensionnement des ouvrages pour une période de retour donnée (modèles de type décisionnel), lesquelles font l'objet d'articles spécifiques (voir par exemple Méthodes de dimensionnement des collecteurs et canaux (HU), Méthodes de dimensionnement des ouvrages de stockage (HU)).

Il ne traite pas non plus des différentes façons de décomposer un territoire en unités plus petites (sous bassins versants) connectées entre elles par des biefs (tronçons de réseau ou de rivières). Cet aspect est traité dans l'article Modélisation en hydrologie et en hydraulique (généralités) (HU).

Enfin il ne s'intéresse pas spécifiquement aux problématiques associées au remplissage des nappes ou à l'humidité des sols (même si ces aspects peuvent être parfois pris en compte par certains modèles comme des éléments conditionnant la genèse des débits à l'exutoire).

Il est complété en particulier par deux articles qui traitent respectivement :

• de la façon de représenter la pluie : Répartition spatio-temporelle des précipitations (HU) ;
• de la façon de représenter les écoulements en réseaux ou en rivières : Modèles d'écoulement en réseau et en rivière (HU).

Diversité des problèmes traités

Les modèles hydrologiques sont utilisés dans des contextes extrêmement diversifiés :

• diversité des bassins versants producteurs : urbains, ruraux ou naturels, plats ou très pentus, fortement végétalisés ou désertiques, etc. ;
• diversité des climats, en termes de pluviosité, mais également de température, d'enneigement ou d'évapotranspiration ;
• diversité des objets étudiés : réseau, cours d'eau, lacs (naturels ou artificiels), nappes souterraines, etc.
• diversité des objectifs : simulation a posteriori ou prévisionnelle, représentation des phénomènes extrêmes (crues ou étiages) ou du comportement moyen ;
• diversité des échelles spatiales (de quelques milliers de m ^;2, à plusieurs millions de km² ;
• diversité des échelles temporelles et des pas de temps.
• etc.

Il est donc logique qu'il existe une grande diversité de modèles hydrologiques et cet article n'a pas l'ambition de tous les recenser, mais, plus modestement, d'en présenter les principales familles.

Principes généraux de modélisation

La transformation de la pluie, variable spatialement distribuée, en débit à l'exutoire d'un bassin versant est une opération complexe. Elle résulte de la combinaison d'une multitude de micro-transformations, opérées par chacun des sous éléments géométriques constituant le bassin versant. Ces micro-transformations se font, de façon consécutive ou simultanée, sur des objets dont la taille peut être très réduite, parfois de l'ordre de quelques centimètres. Il n'est donc pas possible de décrire dans le détail chacune ces transformations élémentaires et les modèles vont chercher à simplifier les processus en tentant d'exhiber des comportements résultants à des échelles géométriques et temporelles plus grandes.

Cet effort de modélisation repose généralement sur deux principes complémentaires :

Le premier principe consiste à considérer que, de façon schématique, l'eau qui sort d'un élément quelconque du bassin versant pour participer à la genèse du débit, résulte :

• de la part de l'eau précipitée qui ruisselle de façon superficielle (Ruissellement proprement dit et écoulements de sub-surface) et s'écoule rapidement hors de l'élément (pluie nette) ;
• du déstockage d'une partie de l'eau préalablement stockée dans l'élément (fonte de neige en surface, restitution des nappes souterraines).

Le second principe est le principe de conservation qui permet d'établir, sur chaque pas de temps et chaque élément de surface, un bilan volumique en équilibrant la différence entre le volume entrant et le volume sortant par la variation du volume stocké sur l'élément traité.

Ces deux principes permettent de comprendre pourquoi la plupart des modèles hydrologiques reposent, parfois implicitement, sur l'image de réservoirs se vidant les uns dans les autres, avec des dynamiques temporelles différentes, et vérifiant chacun le principe de conservation.

Modèles globaux et modèles distribués

Il existe deux grandes familles de modèles : les modèles globaux et les modèles distribués.

Dans un modèle hydrologique global, le bassin versant est représenté comme une seule entité spatiale homogène décrite par un nombre restreint de paramètres. Les modèles de ce type simulent la transformation de la lame d’eau précipitée sur le bassin versant entier en débit à son exutoire.

Dans un modèle hydrologique distribué, on subdivise le bassin versant à étudier en plusieurs unités spatiales de taille suffisamment petite pour pouvoir être considérées comme homogènes. Chaque maille constitue une unité de calcul sur laquelle on applique les deux principes précédent. Il est alors nécessaire de décrire la façon dont l'eau circule entre les mailles.

On rajoute parfois à ces deux familles de base une troisième famille : les modèles semi-distribués, dans lesquels on décompose le bassin versant total en sous-bassins versants. Cette famille n'a pas d'intérêt ici du fait de la définition retenue pour les modèles hydrologiques. Il s'agit en effet d'un simple changement d'échelle

• globaux : ;
• semi-distribués géographiquement: ils simulent de la même manière cette transformation, mais par sous-bassins versants, définis à partir des principales confluences ou en amont des stations du réseau de mesures hydrométriques, au sein du bassin versant, ce qui peut améliorer la pertinence des résultats pour des évènements pluvieux inégalement distribués géographiquement et lorsque les caractéristiques des sous-bassins versant sont contrastées ;
• géographiquement distribués : ils reposent sur un maillage géographique régulier, ou de l’emplacement des stations de mesure existantes, les fonctions de production et de transfert étant combinées au niveau de chacune des mailles, celles qui se situent en aval assurant les transfert (ou les pertes) de ce qu’elles reçoivent de celles plus en amont.

Voir : Ruissellement (modèle de) (HU), Fonction de production et fonction de transfert (HU)