Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences et génie de l'environnement : Lyon 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran titre. 86 réf. bibliogr.

Zugl.: Kassel, University, Diss., 2009.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Th. 3e cycle--Géogr.--Aix-Marseille 2, 1987.

Th. 3e cycle--Géogr.--Toulouse 2, 1987.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1981 : 181.

D'un point de vue climatique la région méditerranéenne est propice aux évènements pluvio-orageux intenses, particulièrement en automne. Ces pluies s'abattent sur des bassins versants escarpés. La promptitude des crues ne laisse qu’un temps très court pour la prévision. L'amplitude de ces crues dépend de la grande variabilité des pluies et des caractéristiques des bassins versants. Les réseaux d'observations ne sont habituellement pas adaptés à ces petites échelles spatiales et l'intensité des événements affecte souvent la fiabilité des données quand elles existent d'où l'existence de bassin non jaugés. La régionalisation en hydrologie s'attache à la détermination de variables hydrologiques aux endroits où ces données manquent. L'objectif de cette thèse est de contribuer à poser les bases d’une méthodologie adaptée à la transposition des paramètres d'un modèle hydrologique distribué dédié aux crues rapides de bassins versants bien instrumentés à des bassins versants non jaugés, et ce sur une large zone d’étude. L'outil utilisé est le modèle hydrologique distribué MARINE [Roux et al., 2011] dont l'une des originalités est de disposer d'un modèle adjoint permettant de mener à bien des calibrations et des analyses de sensibilité spatio-temporelles qui servent à améliorer la compréhension des mécanismes de crue et à l'assimilation de données en temps réel pour la prévision. L'étude des sensibilités du modèle MARINE aborde la compréhension des processus physiques. Une large gamme de comportements hydrologiques est explorée. On met en avant quelques types de comportements des bassins versants pour la région d'étude [Garambois et al., 2012a]. Une sélection des évènements de calibration et une technique de calibration multi évènements aident à l'extraction d'un jeu de paramètres par bassin versant. Ces paramétrisations sont testées sur des évènements de validation. Une méthode de décomposition de la variance des résultats conduit aux sensibilités temporelles du modèle à ses paramètres. Cela permet de mieux appréhender la dynamique des processus physiques rapides en jeu lors de ces crues [Garambois et al., 2012c]. Les paramétrisations retenues sont transférées à l'aide de similarités hydrologiques sur des bassins versants non jaugés, à des fins de prévision opérationnelle.

L’humidité du sol joue un rôle important dans le partitionnement de l’eau entre l’infiltration et le ruissellement de surface, qui influence directement les débits en rivière et les niveaux des réservoirs. La connaissance de la distribution spatiale de l’humidité du sol permet donc d’optimiser les différents usages de la ressource en eau en périodes sèches et d’aider la prévision et la gestion d’inondations lors de fortes pluies. La grande variabilité spatiale de l’humidité du sol rend toutefois difficile l’utilisation de capteurs in situ pour en faire le suivi sur de grands territoires tels que les bassins versants. La télédétection peut apporter une valeur ajoutée de par son potentiel pour estimer l’humidité du sol à l’échelle du bassin versant. Le présent projet porte sur l’estimation de l’humidité du sol dans les bassins versants Trent et Severn en Ontario qui possèdent une superficie combinée de 18 360 km². L’approche adoptée est basée sur les réseaux de neurones artificiels (RNA). Deux approches ont été évaluées. La première, l’approche polarisation simple et double utilise uniquement des données radar acquises en polarisation HH ou HV. La seconde approche, soit l’approche polarimétrique, utilise des données en polarisation HH, HV et VV en plus de paramètres polarimétriques. Au total, 37 images RADARSAT-2 ont été acquises en différentes polarisations et résolutions spatiales entre les mois de mai 2012 et août 2013. En plus des coefficients de rétrodiffusion radar, des données de pente, de texture du sol et de végétation ainsi que des paramètres obtenus suite à une décomposition polarimétrique de la cible ont été utilisés comme intrants aux RNA. Des cartes d’humidité du sol moyenne et d’incertitude, représentant, dans l’ordre, la moyenne et l’écart-type des estimations faites par les 30 RNA sélectionnés, ont été produites. Les performances et les cartes obtenues ont été analysées afin de déterminer l’approche la plus avantageuse pour cartographier l’humidité du sol à l’échelle du bassin versant. Ce projet de recherche a illustré le potentiel, mais aussi les enjeux, liés à l’estimation de l’humidité du sol à l’échelle du bassin. Il a été démontré que, dans un contexte opérationnel, l’approche polarisation simple et double est la plus avantageuse. Les cartes d’humidité produites avec l’approche polarimétrique, plus coûteuses, n’ont pas montré d’améliorations statistiquement significatives par rapport à l’approche polarisation simple et double. De tous les RNA testés, celui offrant la meilleure performance utilise l’angle d’incidence et les coefficients de rétrodiffusion radar HH et HV comme données d’entraînement. Il a aussi été démontré que l’incertitude sur l’estimation de l’humidité du sol est étroitement liée aux données d’entraînement. Le recours à des variables statiques dans le temps, comme la texture du sol, a affecté négativement et de manière importante les cartes d’humidité du sol, et ce, malgré de bonnes performances selon des critères statistiques comme le coefficient de Pearson et l’erreur quadratique moyenne. L’analyse visuelle des cartes d’humidité du sol demeure donc un moyen privilégié pour évaluer la performance des RNA. Des pistes de recherche sont suggérées en vue d’améliorer la performance des RNA. Une première avenue serait le recours à une plus grande quantité de données pour leur entraînement, qui pourraient être générées à partir de modèles de rétrodiffusion à base physique. On pourrait également corriger les coefficients de rétrodiffusion pour diminuer l’influence de la végétation sur le signal rétrodiffusé avant l’entraînement des réseaux.

Les crues éclair (i.e. crues soudaines provoquées par des événements pluvieux orageux) constituent sans aucun doute le risque naturel le plus destructeur en France. Malgré la menace qu'elles représentent et les nombreuses questions qu'elles suscitent, elles n'ont pas fait l'objet par le passé d'études systématiques. L'état des connaissances est actuellement loin d'être à la hauteur des enjeux exposés à ces crues et des ambitions désormais achées par les pouvoirs publics en matière de prévention. Dans la première partie de ce document, une méthodologie d'analyse hydrologique post-événementielle a été mise au point et testée sur cinq études de cas. Outre l'exploitation classique des données pluviographiques et RADAR et l'estimation des débits de pointes de crues à partir des niveaux d'eau atteints, les informations concernant l'évolution temporelle des hauteurs d'eau et des débits correspondants ont été collectées auprès des témoins oculaires. Les premiers résultats obtenus sont encourageants et relativement inattendus : a) les bassins versants réagissent avec retard aux épisodes de pluies intenses, b) les volumes d'eau de pluie retenus sur les bassins et ne participant pas à la crue sont importants (de 150 à 200 millimètres dans les études de cas traitées), c) le type d'occupation des sols ne semble pas jouer un rôle déterminant sur la réponse hydrologique des bassins versants. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'analyse théorique des lois de probabilité des débits de pointes de crues. Les possibilités ouvertes par l'approche qualiée de semi-déterministe, consistant à coupler un modèle mathématique de genèse aléatoire de séries pluviographiques et un modèle pluie-débit sont explorées. Il apparaît que, compte tenu des propriétés de la relation pluie-débit, les distributions des débits pointes de crues (DDPC) n'appartiennent probablement à aucun des trois types de lois des valeurs extrêmes. Elles sont asymptotiquement contrôlées par la distribution des intensités moyennes maximales des événements pluvieux, mesurées sur une durée caractéristique du bassin versant. La forme des DDPC dans la gamme des périodes de retour intermédiaires - typiquement 10 à 100 ans - dépend du modèle pluie-débit utilisé. Certaines hypothèses, réalistes au regard des retours d'expériences, conduisent à des distributions multi-modales, dont le gradient local très élevé sur papier de Gumbel peut largement dépasser le Gradex des pluies sur une plage limitée de périodes de retour.