Les modèles hydrauliques sont couramment utilisés pour l'aménagement des rivières et la prévention des dommages liés aux inondations. Ces modèles calculent les hauteurs d'eau et débits sur un tronçon de rivière à partir de sa géométrie et des conditions aux limites du système: débit à l'amont du tronçon, débits d'apports latéraux provenant du bassin intermédiaire et hauteurs d'eau à l'aval. Lorsque le tronçon est long, les apports latéraux deviennent conséquents tout en demeurant rarement mesurés car provenant d'affluents secondaires. L'évaluation de ces apports constitue alors une étape essentielle dans la simulation des crues sous peine de fortes sous ou surestimations des variables hydrauliques. Cette thèse a pour objectif principal d'identifier une méthode de complexité minimale permettant de reconstituer ces apports. Nos travaux s'appuient sur un échantillon de 50 tronçons de rivière situés en France et aux Etats-Unis sur lesquels les apports latéraux ont été estimés à l'aide d'un modèle hydrologique semi-distribué connecté avec un modèle hydraulique simplifié. Une méthode automatisée de découpage du bassin intermédiaire en sous-bassins a d'abord été élaborée afin de faciliter la construction du modèle hydrologique sur les 50 tronçons de rivière. Des tests de sensibilité ont été menés sur le nombre de sous-bassins, la nature uniforme ou distribuée des entrées de pluie et des paramètres du modèle hydrologique. Une configuration à 4 sous-bassins présentant des pluies et des paramètres uniformes s'est avérée la plus performante sur l'ensemble de l'échantillon. Enfin, une méthode alternative de calcul des apports latéraux a été proposée utilisant une transposition du débit mesuré à l'amont et une combinaison avec le modèle hydrologique.

Cette thèse vise à explorer la question du changement d'échelle temporelle en modélisation hydrologique conceptuelle. Les principaux objectifs sont : (i) étudier les effets du changement du pas de temps sur les performances, les paramètres et la structure des modèles hydrologiques ; (ii) mettre au point un modèle pluie-débit applicable à différents pas de temps. Notre point de départ est le modèle global journalier GR4J, développé à Irstea. Ce modèle a été choisi comme le modèle de référence à adapter à d'autres résolutions plus fines, jusqu'à des pas de temps infra-horaires, en suivant une approche descendante. Pour nos tests, nous avons construit une base de données de 240 bassins versants non influencés en France, à différents pas de temps allant de 6 minutes à 1 jour, en utilisant: (i) les données pluviométriques à 6 minutes et la réanalyse des lames d'eau journalières à plus haute résolution spatiale ; (ii) les données de température journalière pour le calcul de l'évapotranspiration potentielle ; (iii) les données hydrométriques à pas de temps variable. Nous avons étudié l'impact de la distribution temporelle des entrées sur les performances du modèle en se focalisant sur la simulation de crue, sur la base de 2400 événements. Ensuite, notre évaluation du modèle a porté sur l'analyse de la cohérence des flux internes du modèle à différents pas de temps, afin d'assurer une performance satisfaisante à travers un fonctionnement du modèle cohérent. Notre diagnostic du modèle nous a permis d'identifier une amélioration de la structure du modèle à différents pas de temps infra-journaliers basée sur la complexification de la composante d'interception du modèle. / This thesis aims at exploring the question of temporal scaling in lumped conceptual hydrological modelling. The main objectives of the thesis are to: (i) study the effects of varying the modelling time step on the performance, parameters and structure of hydrological models; (ii) develop a hydrological model operating at different time steps, from daily to sub-hourly, through a unified, robust and coherent modelling framework at different time scales. Our starting point is the chain of conceptual rainfall-runoff models called ‘GR’, developed at Irstea, and in particular the daily ‘GR4J’ lumped model. The GR4J model will be the baseline model to be effectively downscaled up to sub-hourly time steps following a top-down approach. An hourly adaptation of this model had already been proposed in previous research studies, but some questions on the optimality of the structure at sub-daily time steps were still open. This thesis builds on these previous studies on the hourly model and responds to the operational expectations of improving and adapting the model at multiple sub-daily and sub-hourly time steps, which is particularly interesting for flood forecasting applications. For our modelling tests, we built a database of 240 unregulated catchments in metropolitan France, at multiple time steps, from 6-minute to 1 day, using fine time step hydro-climatic datasets available: (i) 6-min rain gauges and higher spatial-density daily reanalysis data for precipitation; (ii) daily temperature data for potential evapotranspiration (making assumptions on sub-daily patterns); (iii) sub-hourly variable time step streamflow data. We investigated the impact of the inputs temporal distribution on model outputs and performance in a flood simulation perspective based on 2400 selected flood events. Then our model evaluation focused on the consistency of model internal fluxes at different time steps, in order to ensure obtaining a satisfactory model performance by a coherent model functioning at multiple time steps. Our model diagnosis led us to identify and test a significant improvement of the model structure at sub-daily time steps based on the complexification of the interception component of the model. Thus, we propose a new version of the model at multiple sub-daily time steps, with the addition of an interception store without extra free parameters. Our tests also confirm the suitability at multiple time steps of a modified groundwater exchange function proposed earlier, leading to overall improved model accuracy and coherence.

Les modèles hydrauliques sont couramment utilisés pour l'aménagement des rivières et la prévention des dommages liés aux inondations. Ces modèles calculent les hauteurs d'eau et débits sur un tronçon de rivière à partir de sa géométrie et des conditions aux limites du système: débit à l'amont du tronçon, débits d'apports latéraux provenant du bassin intermédiaire et hauteurs d'eau à l'aval. Lorsque le tronçon est long, les apports latéraux deviennent conséquents tout en demeurant rarement mesurés car provenant d'affluents secondaires. L'évaluation de ces apports constitue alors une étape essentielle dans la simulation des crues sous peine de fortes sous ou surestimations des variables hydrauliques. Cette thèse a pour objectif principal d'identifier une méthode de complexité minimale permettant de reconstituer ces apports. Nos travaux s'appuient sur un échantillon de 50 tronçons de rivière situés en France et aux Etats-Unis sur lesquels les apports latéraux ont été estimés à l'aide d'un modèle hydrologique semi-distribué connecté avec un modèle hydraulique simplifié. <br /><br />Une méthode automatisée de découpage du bassin intermédiaire en sous-bassins a d'abord été élaborée afin de faciliter la construction du modèle hydrologique sur les 50 tronçons de rivière. Des tests de sensibilité ont été menés sur le nombre de sous-bassins, la nature uniforme ou distribuée des entrées de pluie et des paramètres du modèle hydrologique. Une configuration à 4 sous-bassins présentant des pluies et des paramètres uniformes s'est avérée la plus performante sur l'ensemble de l'échantillon.<br /><br />Enfin, une méthode alternative de calcul des apports latéraux a été proposée utilisant une transposition du débit mesuré à l'amont et une combinaison avec le modèle hydrologique.

Ce travail propose d'évaluer, dans le cas des bassins versants de la Loire supérieure, l'intérêt de modèles pluie-débit globaux pour la prévision opérationnelle des crues rapides.<br /><br />Après une description du bassin à Bas-en-Basset, l'analyse critique des jeux de données disponibles met en évidence leur richesse, mais aussi leurs défauts. La grande variété des événements hydrométéorologiques touchant ces bassins apparaît particulièrement intéressante pour comparer des modèles hydrologiques.<br /><br />Des modèles conceptuels simples sont apparus plus robustes et souvent plus performants que des modèles statistiques ou des réseaux de neurones artificiels. Des critères spécifiques à la prévision des crues mettent en évidence les informations sur l'évolution immédiate des débits apportées par la transformation de la pluie en débit, même si les erreurs de modélisation restent importantes et finalement proches d'un modèle à l'autre.<br /><br />Un effort particulier a été porté sur l'estimation par krigeage des précipitations moyennes spatiales, pour lesquelles un modèle d'erreur est proposé et validé sur les données. Ces incertitudes, propagées dans les modèles pluie-débit, contribuent, selon la taille des bassins, à une part variable de l'erreur totale de modélisation.<br /><br />Enfin un travail exploratoire a montré l'intérêt d'inclure des prévisions de pluies probabilisées dans une chaîne hydrométéorologique, pour augmenter les délais d'anticipation et prendre en compte les incertitudes associées. Toutefois, la disponibilité de ces prévisions impose des traitements préalables à leur utilisation.<br /><br />Il ressort que des outils simples peuvent laisser envisager des améliorations dans ce domaine encore très perfectible de la prévision des crues.

Ce mémoire étudie les processus de production de la Pluie Efficace dans les modélisations globales (qui considèrent le bassin versant comme une seule entité) de la relation pluie débit à l'aide de la méthode DPFT. S'appuyant sur un ensemble de crues, celle méthode permet d'identifier une Fonction de Transfert moyenne pour le bassin et un jeu de Pluies Efficaces propres à chaque crue. Celles-ci sont ensuite utilisées afin d'optimiser la Fonction de Production. Dans une première étape, nous avons utilisé trois modèles représentant les grandes familles de modèles globaux de Fonction de Production, et nous avons mesuré leurs performances et limitations sur les données de deux bassins versants : le Gardon d'Anduze et le Réal Collobrier. Les résultats obtenus ont montré la nécessité d'introduire des informations complémentaires à celles données par la lame moyenne de Pluie Brute. Dans une deuxième étape, nous avons introduit de façon simplifiée la topographie du bassin et la variabilité spatiale de la pluie à l'aide de la fonction de répartition d'un indice topographique et d'un indice de concentration de la pluie tombée, et sous l'hypothèse que ces deux aspects jouent un rôle de second ordre par rapport à la description fournie par un modèle global. Les résultats obtenus ont permis de proposer des améliorations des modèles pluie-débit globaux, susceptibles d'être utilisés dans un contexte de prévision de crues.

Celte étude entre dans le cadre de l'approche globale de la relation pluie- débit décomposant les mécanismes de transformation de la pluie en débit en Fonction de Transfert et Fonction de Production. On s'interroge sur l'aptitude des fonctions de transfert de type Hydrogramme Unitaire à bien reproduire les débits. En un premier temps, on cherche pour cela à identifier, sur un bassin méditerranéen du Sud de la France et sur un bassin sahélien, quels sont les facteurs provoquant la variabilité de la Fonction de Transfert. En utilisant une approche corrélative ainsi que la méthode DPFT, on montre que la Fonction de Transfert, surtout dans sa phase décroissante, est sensible aux conditions antérieures et à la pluviométrie de l'épisode; le temps de montée au pic étant un élément relativement stable. En un deuxième temps, on cherche à identifier une Fonction de Transfert débarrassée de la phase décroissante non invariante et on propose un modèle où la Fonction de Production, de type réservoir, explique la phase de récession des hydrogrammes. Grâce à des techniques d'optimisation adaptées et à l'emploi de tests de sensibilité, divers jeux de paramètres sont proposés et utilisés sur différents bassins versants. Les meilleures reconstitutions sont obtenues avec un réservoir à vidange non linéaire dont les caractéristiques sont liées au débit initial et à la pluie, le transfert se réduisant à un simple décalage. Ce modèle conceptuel simple et faiblement paramétré fournit des résultats intéressants et offre la possibilité de développements futurs.