Dans les régions méditerranéennes françaises, des épisodes pluvieux diluviens se produisent régulièrement et provoquent des crues très rapides et volumineuses que l'on appelle crues éclair. Elles font fréquemment de nombreuses victimes et peuvent, sur un seul évènement, coûter plus d'un milliard d'euros. Face à cette problématique, les pouvoirs publics mettent en place des parades parmi lesquelles la prévision hydrologique tient une place essentielle.C'est dans ce contexte que le projet BVNE (Bassin Versant Numérique Expérimental) a été initié par le SCHAPI (Service Central d'Hydrométéorologie et d'Appui à la Prévision des Inondations) dans le but d'améliorer la prévision des crues rapides. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de ce projet et ont trois objectifs principaux : réaliser des prévisions sur des bassins capables de ces réactions qu'ils soient correctement jaugés, mal jaugés ou non jaugés.La zone d'étude choisie, le massif des Cévennes, concentre la majorité de ces épisodes hydrométéorologiques intenses en France. Ce mémoire la présente en détails, mettant en avant ses caractéristiques les plus influentes sur l'hydrologie de surface. Au regard de la complexité de la relation entre pluie et débit dans les bassins concernés et de la difficulté éprouvée par les modèles à base physique à fournir des informations précises en mode prédictif sans prévision de pluie, l'utilisation de l'apprentissage statistique par réseaux de neurones s'est imposée dans la recherche d'une solution opérationnelle.C'est ainsi que des modèles à réseaux de neurones ont été synthétisés et appliqués à un bassin de la zone cévenole, dans des contextes bien et mal jaugés. Les bons résultats obtenus ont été le point de départ de la généralisation à 15 bassins de la zone d'étude. A cette fin, une méthode de généralisation est développée à partir du modèle élaboré sur le bassin jaugé et de corrections estimées en fonction des caractéristiques physiques des bassins. Les résultats de l'application de cette méthode sont de bonne qualité et ouvrent la porte à de nombreux axes de recherche pour l'avenir, tout en démontrant encore que l'utilisation de l'apprentissage statistique pour l'hydrologie peut constituer une solution pertinente. / In the French Mediterranean regions, heavy rainfall episodes regularly occur and induce very rapid and voluminous floods called flash floods. They frequently cause fatalities and can cost more than one billion euros during only one event. In order to cope with this issue, the public authorities' implemented countermeasures in which hydrological forecasting plays an essential role.In this contexte, the French Flood Forecasting Service (called SCHAPI for Service Central d'Hydrométéorologie et d'Appui à la Prévision des Inondations) initiated the BVNE (Digital Experimental Basin, for Bassin Versant Numérique Expérimental) project in order to enhance flash flood forecasts. The present work is a part of this project and aim at three main purposes: providing flash flood forecasts on well-gauged basins, poorly gauged basins and ungauged basins.The study area chosen, the Cévennes range, concentrates the major part of these intense hydrometeorological events in France. This dissertation presents it precisely, highlighting its most hydrological-influent characteristics.With regard to the complexity of the rainfall-discharge relation in the focused basins and the difficulty experienced by the physically based models to provide precise information in forecast mode without rainfall forecasts, the use of neural networks statistical learning imposed itself in the research of operational solutions.Thus, the neural networks models were designed and applied to a basin of the Cévennes range, in the well-gauged and poorly gauged contexts. The good results obtained have been the start point of a generalization to 15 basins of the study area.For this purpose, a generalization method was developed from the model created on the gauged basin and from corrections estimated as a function of basin characteristics.The results of this method application are of good quality and open the door to numerous pats of inquiry for the future, while demonstrating again that the use of statistical learning for hydrology can be a relevant solution.

Le travail présenté s'attache à répondre aux questions suivantes :<br /><br />L'altimétrie spatiale radar peut elle être utilisée pour régionaliser les débits du Bassin du Rio Negro ? Si oui, les méthodologies développées peuvent elles être appliquées à un bassin encore moins bien instrumenté, par exemple celui du fleuve Caqueta, en Amazonie Colombienne ? <br /><br />Nous présentons le méthodologie utilisée pour définir une série temporelle de hauteur d'eau à une station virtuelle (intersection entre une trace satellite et un plan d'eau) à partir des mesures des missions radar Topex/Poseidon et ENVISAT. La mise en œuvre d'un modèle hydrodynamique permet de propager les débits à partir de quelques stations de mesures in-situ jusqu'aux stations virtuelles. Une courbe de tarage (relation hauteur/débit) peut alors être estimée aux stations virtuelles ce qui permet de compléter les mesures in-situ et de densifier le réseau hydrologique; ainsi que déterminer certains paramètres physiques tels que la profondeur moyenne de l'eau sur la section transversale, la pente du fond du lit et le coefficient de rugosité de Manning. L'introduction de 21 et 11 stations virtuelles respectivement sur le cours principal du Rio Negro et le Caqueta, nous a permis de réduire d'environ 10 fois les tailles des bassins pour lesquels on peut disposer désormais de mesures de flux à partir des mesures spatiales.

L’estimation de l’aléa hydrologique en sites non jaugés présente un enjeu important pour la gestion des risques. La complexité du phénomène réside à la fois dans la nécessité d’avoir une approche multivariée (estimation de caractéristiques multiples des crues : durées, périodes de retour) qui propose une extrapolation raisonnable des événements. SHYREG est une méthode basée sur la simulation de scénarios de crues, qui présente ces avantages. Évaluée lors du projet ANR ExtraFlo, elle présente de bonnes performances en justesse et en stabilité lorsqu'elle est calée sur des données locales de débits. Cette méthode vise à estimer des débits de crue en tout point du territoire. Elle doit donc pouvoir être appliquée en site non jaugés.Le travail de thèse présenté ici se focalise sur le transfert de la méthode vers le non jaugé en s’intéressant aux valeurs des débits simulés mais aussi à leur cohérence. Tout d’abord, une révision du calage a permis de s’assurer de la cohérence des débits simulés le long d’un cours d’eau. Ensuite, l’application d’un large panel de méthodes de régionalisation a permis de déterminer que la régionalisation devait s’appuyer à la fois sur la structure spatiale et sur les caractéristiques physiographiques des bassins. Finalement, une méthode qui régionalise SHYREG simultanément à son calage a été retenue. Une comparaison avec d’autres approches régionalisées a mis en évidence la qualité du modèle développé. / Flood hazard estimation in ungauged sites presents a major challenge for risk management. The complexity of the phenomenon arises from both the need for a multivariate approach (estimation of different flood characteristics: peak flow, volume, duration ...), and for an approach which offers a reasonable extrapolation of extreme events. The SHYREG method is based on the simulation of flood scenarios and presents these benefits. It has been evaluated during the ANR ExtraFlo project. It showed good performance in both accuracy and stability when calibrated against local discharge data. However, weaknesses have been identified when implemented in ungauged sites.The objective of the present thesis is to develop the method in order to improve the SHYREG performances in ungauged sites. Two kinds of modifications were implemented. First, the calibration of the method in gauged sites was reviewed. The main idea was to integrate more data and to take more into account the coherence between simulated discharges in different sites. Then, diverse regionalisation schemes extracted from the scientific literature were considered. Their application demonstrated the necessity to exploit information from nearby sites and the physical properties of the catchments. Finally, a version which realises the regionalisation simultaneously to the calibration has been selected. Its comparison with other method showed the quality of this new version of SHYREG.

Les ressources en eau sont très variables dans l'espace et dans le temps. Leur estimation à l'échelle des bassins versants requiert des modèles hydrologiques dont l'utilisation est contrainte par la complexité des bassins et une difficulté de mesure (caractéristiques du bassin et forçages météorologiques). Sur la plupart des bassins une chronique de débit est disponible à l'exutoire du bassin, on parle alors de bassin versant jaugé. Ces mesures peuvent être utilisées pour analyser le fonctionnement des bassins et optimiser les paramètres des modèles hydrologiques. En revanche, pour les bassins versants non jaugés, le fonctionnement du bassin doit être envisagé de manière différente et l'utilisation du modèle doit se faire via une régionalisation de ses paramètres.Le principe des études de régionalisation est d'utiliser les bassins versants jaugés pour développer des méthodes applicables aux bassins versants non jaugés. Ces études couvrent un grand nombre de domaines d'application: régionalisation des signatures hydrologiques (débit moyen interannuel, régime, courbe des débits classés...), des étiages, des crues, de l'hydrogramme... Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'estimation de l'hydrogramme sur des bassins versants non-jaugés, via la régionalisation des paramètres des modèles hydrologiques.De nombreuses méthodes ont été développées pour résoudre ce problème et reposent en majorité sur la connaissance des jeux de paramètres sur des bassins jaugés, donneurs de paramètres, qu'il faut alors transférer vers des bassins versants non-jaugés, receveurs de paramètres. Ces méthodes font donc deux hypothèses fortes: (i) les paramètres ont été correctement identifiés par le calage sur les bassins versants jaugés et (ii) nous sommes capables d'identifier des bassins versants jaugés et non-jaugés similaires entre lesquels le transfert de paramètres est possible. Cependant, ces hypothèses ne sont pas toujours vérifiées et, dans ce cadre, le calage régional apparaît comme une option prometteuse pour la régionalisation des modèles hydrologiques. En effet, le calage régional recherche des valeurs de paramètres communes à plusieurs bassins et permet (i) de mieux contraindre ces paramètres lors du calage et (ii) de réaliser conjointement le calage et le transfert de ces paramètres à des bassins versants non-jaugés. L'enjeu de cette thèse est d'évaluer le potentiel du calage régional pour régionaliser les paramètres du modèle hydrologique GR6J. Sur un large échantillon de bassins, nous avons en particulier étudié si le calage régional peut être une solution compétitive au regard des méthodes existantes.Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à étudier le modèle en contexte jaugé. Nous avons mené une étude de la sensibilité du modèle à ses paramètres pour définir leur rôle fonctionnel et avons testé huit stratégies de paramétrisation.Nous nous sommes attachés à identifier le jeu de paramètres hydrologiquement optimal, c'est-à-dire un jeu de paramètres indépendant de la stratégie de calage et donc transférable à des bassins versants non jaugés. Dans un second temps, nous avons proposé une méthode innovante appelée “ calage groupé ”, basée sur le calage régional, pour relier les paramètres de GR6J à des caractéristiques mesurables du paysage. Cette méthode présente l'avantage de prendre en compte les compensations au sein du jeu de paramètre et de permettre une interprétation des valeurs de paramètres au regard des processus hydrologiques. / Water resources are variable in time and space. Hydrological models are required to assess these resources and have to cope with catchments complexity and measurement limits. Most of the catchments are gauged which means that streamflow measurements are available at the catchment outlet. In particular, streamflow measurements can be used to analyse the catchment hydrological behavior and calibrate model parameters. However for ungauged catchments, the hydrological behavior must be define by other ways and model parametrisation must be assessed through regionalization instead of calibration.Regionalization studies rely on gauged catchments to developp methodologies applicable to ungauged catchments. They cover a large range of applications from hydrological signatures predictions (mean streamflow, regime, flow duration curves ...) to low-flow or flood predictions. The present work aims at estimating streamflow hydrographs in ungauged catchments by regionalizing hydrological model parameters.Several methods have been developped to solve this problem and they mostly rely on the knowledge of parameter sets on gauged catchments to find the best way to transfer the parameters sets between catchments. Gauged catchments are then considered as donor catchments while ungauged catchments are receiver: the challenge of transfert-based methods being to assign the correct donnor to each receiver. However, these methods make two strong hypothesis: (i) parameters sets calibrated on gauged catchments are reliable and (ii) similar gauged and ungauged catchments can be accurately matched during the transfer. However, those hypothesis do not always seem to hold true. In this context, regional calibration appears as a promising way for hydrological model regionalization since regional calibration look for common parameter sets on several catchments. This way, parameters are known with less uncertainties on gauged catchment and parameters regionalization is joined with calibration. The challenge of this PhD thesis is to develop and apply a regionalization scheme, based on regional calibration, to the GR6J hydrological model. On a large dataset, we have studied if regional calibration is a competitive solution to regionalize hydrological models compared to existing methodologies (i.e. transfer-based methods).As a prelude to the regionalization study, we paid attention to analyse the model on gauged catchments. In particular, we analysed the model sensitivity to its parameters to define the functionnal role of each parameter. Eight model parametrisation schemes were tested to identify the hydrologically optimal parameter set, i.e. a parameter set that is only catchment-dependant and do not depend on calibration strategy. Secondly we present an inovative method called “group calibration”, based on regional calibration, to link model parameters and hydrological descriptors. This method is fit for taking into account compensations between model parameters, allows the hydrological interpretation of the obtained relationships and is competitive to existing methods. Last, we conceptualize the regionalization methods to better undestand how to best value regional informations and increase model performance in extrapolation. We show that all methods set a ceilling and that space for improvement do not lie in the correct matching of donnor and reciever catchments but in the identification of more easily transferable informations.

La connaissance des dynamiques hydrologiques et du transport chimique associé est indispensable à la mise en place de stratégies de gestion de l’eau et du territoire, mais elle est difficile à consolider pour tous les exutoires de bassins versants porteurs d’enjeux car ils sont souvent « non-jaugés ». A partir d’un hydrogramme observé à l’exutoire d’un bassin jaugé, l'inversion d’un modèle hydrologique à base géomorphologique rend accessible la variable pluie nette en pied de versant. Cette variable indépendante d'échelle est ensuite transposée vers un bassin non-jaugé similaire et reconvoluée en hydrogramme à son exutoire. Cette méthode de "transposition d'hydrogramme", est appliquée pour la première fois en régime pluvio-nival dans 21 bassins Québécois. Le succès de la simulation pour le couple de bassins « jaugé » et « non-jaugé » est conditionné par la similarité hydrologique, soit l’ensemble des caractéristiques assurant un fonctionnement proche entre bassins versants. Nous testons si la composition chimique de l’eau est susceptible de révéler cette similarité à l’aide d’une analyse de type spectral développée sur l’ouest de la France, à l’échelle synoptique. Des groupes de bassins versants se démarquent par une homogénéité / hétérogénéité spatiale des faciès de concentrations, et de l’aire à partir de laquelle est observée la stabilisation de ce faciès. Ceci suggère que la composition chimique des rivières est informative d’un fonctionnement hydrologique similaire. Cette hypothèse est ensuite validée grâce à la transposition avec succès sur six bassins de méso-échelle des hydrogrammes et des relations concentrationdébit (CQ), les meilleurs résultats étant obtenus lorsque le couple respecte une similarité hydrochimique. Enfin, le couplage des hydrogrammes et des relations CQ a permis de prédire efficacement, grâce au principe de similarité, les flux en bassin versant non-jaugé, au pas de temps de 15 minutes. / The knowledge of hydrological and hydrochemical dynamics is essential for policy makers to develop appropriate policies of remediation, but this goal is hard to achieve in « ungauged catchments ». Through the inversion of a geomorphology-based hydrological modelling, the net rainfall entering the stream network is assessed from a gauged catchment. This net rainfall is scale independant and can be convoluted in another (ungauged) catchment. This method is applied for the first time in a pluvio-nival context on 21 catchments from Québec. Success of the simulation depends of the hydrological similarity between gauged and ungauged catchments, which is defined as the ensemble of caracteristics insuring a close functionning. We test how riverwater chemical composition reveals this similarity through a synoptic spectral analysis developped on western France. Groups of catchments are identified by their spatial homogeneity/heterogeneoty of the hydrochemical facies, and the area at which hydrochemical stabilisation occurs. This result suggest that riverwater chemical composition is informative of a hydrological similarity. This hypothesis is successfully tested on six mesoscale catchments, by transposing hydrographs and concentration discharge relatioships (CQ), best transpositions are associated to similar catchments. Finally, the coupling of hydrological simulation to CQ curves allowed the prediction of hydrochemical fluxes in ungauged catchments with a 15 minutes timestep.

L'estimation d'indices d'étiage est d'une grande importance pour une meilleure connaissance de la ressource en eau disponible et en déduire des règles de gestion de cette ressource et des risques associés. Idéalement, ces indices sont calculés en sites jaugés à partir de longues chroniques de débits mesurés. En sites non jaugés, ces indices doivent être estimés. Cette thèse s'inscrit dans le projet d'amélioration de l'outil informatique " LoiEau " utilisé par les DREAL et les Agences de l'eau. Le principal objectif est de développer un modèle hydrologique simple et flexible pour estimer tous les indices d'étiage souhaités à des intervalles de temps journaliers ou supérieurs en sites non jaugés. La simplicité du modèle repose sur l'hypothèse forte que deux paramètres plus facilement régionalisables suffisent à estimer les indices avec une précision voulue. Cette précision dépend de la fonction objectif qu'il a fallu adapter aux faibles débits pour caler convenablement les paramètres du modèle sur des sites jaugés. Le modèle se veut flexible dans le sens où il est applicable à une large variété de bassins versants. Il a été comparé au modèle journalier à quatre paramètres GR4J et au modèle mensuel à deux paramètres LoiEau en s'intéressant aussi à la façon de régionaliser les paramètres. Des comparaisons ont également été réalisées avec une méthode d'estimation dite stochastique d'un indice d'étiage classique. Ces travaux montrent le potentiel du modèle à deux paramètres et l'avantage du pas de temps journalier, la variabilité temporelle des précipitations n'étant pas sans conséquence sur l'estimation de débits moyens en raison de la non-linéarité des modèles pluies-débits. / Estimating low-flow indices is of paramount importance to understand low flows and to manage water resources and risk assessments. These indices are derived from time-series of river discharges that are measured at gauged sites over long periods. At ungauged sites, the indices must be estimated. This research work is part of a project to improve “LoiEau”, a software package that is used by French regional environmental or water agencies. The main objective is to develop a simple and flexible rainfall-runoff model to simulate low-flow indices of ungauged sites at daily or longer time intervals. The model simplicity relies on the strong assumption that two free parameters are sufficient to provide accurate enough estimates of low-flow indices, yet making easier the regionalisation of models. The model accuracy depends on the objective function that is used to calibrate model parameters on gauged sites and had to be adapted to low-flow simulations. The model is flexible in the sense that it is designed to fit to a wide variety of catchments and hydro-meteorological behaviours. This model was compared with GR4J, a daily rainfall-runoff model which involves four parameters, and LoiEau, a monthly model. Comparisons were also carried out with a stochastic estimation method applied to a specific low-flow index. This research work shows the potential of the two-parameter model, but also the advantage of a daily time step to account for the temporal variability of precipitations, which is not without consequence on the assessment of average discharges due to the nonlinearity of rainfall-runoff models.

Depuis 2006, à EDF, les études de crues extrêmes sont réalisées avec la méthode SCHADEX (Simulation Climato-Hydrologique pour l'Appréciation des Débits EXtrêmes). Elle s'appuie sur un modèle probabiliste MEWP (distribution saisonnière utilisant une classification par type de temps) pour décrire l'aléa pluie et sur une simulation stochastique croisant l'aléa pluie et l'aléa de saturation du bassin. Les approches par simulation, type SCHADEX, ont montré de bonnes performances pour estimer les distributions de crues extrêmes (projet ANR ExtraFlo , 2013). Cependant, l'utilisation de SCHADEX en l'absence de données (pluie, température, débit) sur le bassin à étudier reste problématique. Cette thèse propose une adaptation de la méthode en site non jaugé en essayant de conserver ses points forts, à savoir: - une structuration spatiale et probabiliste des précipitations conditionnée par les types de temps. - un croisement des aléas pluie et saturation du bassin par simulation stochastique. Ce travail s'est limité au pas de temps journalier afin d'aborder la problématique de régionalisation avec un maximum de données. La démarche s'est alors articulée autour de quatre grands axes: - proposer une méthode de régionalisation des précipitations journalières extrêmes ponctuelles et construire des cartes de pluies aux temps de retour remarquables. Évaluer l'intérêt d'une classification par type de temps pour la régionalisation des distributions de pluies extrêmes et qualifier l'interpolateur de pluie SPAZM pour l'estimation des pluies extrêmes. - s'intéresser à la construction de pluies de bassin (ou pluies spatiales) et en particulier à l'impact des choix de construction de cette pluie sur l'estimation des précipitations extrêmes concernant le bassin. - développer une méthode de simulation stochastique régionale permettant de proposer une distribution de débits journaliers issue d'un croisement des aléas pluies et saturation du bassin. - étudier le passage de la distribution des débits journaliers à la distribution des débits de pointe. Les principaux apports de cette thèse sont les suivants: - la prise en compte des types de temps permet d'améliorer la description des structures spatiales des précipitations extrêmes. - l'information apportée par les pluies SPAZM se révèle être précieuse pour l'estimation des pluies extrêmes en site non jaugé. - une étude de sensibilité du calcul de la pluie spatiale en fonction du nombre de postes utilisés (comparaison des pluies SPAZM et Thiessen) donne une indication sur le biais d'estimation. - le générateur de champs de pluie par bandes tournantes SAMPO permet d'étudier l'abattement sur les précipitations extrêmes et de mettre en place un modèle de correction pour les quantiles élevés des pluies spatiales SPAZM. - une nouvelle méthode de simulation stochastique peu paramétrée mais analogue à la méthode SCHADEX (croisement d'un aléa pluie et d'un aléa de saturation du bassin pour produire une distribution des débits journaliers) est proposée pour l'estimation en site non jaugé. - enfin, un travail préliminaire donne des premiers éléments sur le passage à la distribution des débits de pointe par un générateur d'hydrogrammes s'adaptant à la séquence des débits journaliers simulés. Tous ces développements et conclusions sont détaillés et justifiés dans le mémoire de thèse. / Since 2006, at EDF, extreme flood estimations are computed with the SCHADEX method (Climatic-hydrological simulation of extreme floods). This method relies on a MEWP probabilistic model (seasonal rainfall distribution using a weather pattern concept) and on a stochastic simulation to cross rainy events hazard and catchment saturation states. Simulation approaches, as SCHADEX, have shown good performances to estimate extreme flood distributions. However, the use of SCHADEX method without data for a considered catchment (rain, temperature, runoff) remains a main issue. This thesis suggests an adaptation of the method in ungauged context, trying to keep the key points of the SCHADEX method: - spatial and probabilistic structure of rainfall conditioned by weather patterns. - a cross of rainfall and catchment saturation hazards by stochastic simulation. This work is limited to a daily step to address the issue of regionalization with a maximum of data. The approach is then structured around four main points: - regionalize punctual daily extreme precipitations and construct maps of return period rainfalls. Evaluate the contribution of a weather type classification for the regionalization of extreme rainfall distributions and qualify the SPAZM interpolator for the estimation of extreme rainfall. - wonder about the construction of an areal rainfall and in particular about the impact of its construction choices on the estimation of extreme precipitations. - develop a regional stochastic simulation method to estimate a distribution of daily runoffs which crosses rainy events and catchment saturation hazards. - study the transposition from a daily runoff distribution to a peak flow distribution. The main contributions of this thesis are: - taking into account the weather types improves the description of spatial patterns of extreme precipitations. - information provided by the SPAZM rainfall interpolator proves to be valuable for the estimation of extreme rainfall in ungauged site. - a sensitivity analysis of the calculation of the areal rainfall based on the number of stations used (comparison SPAZM and Thiessen areal rainfalls) gives an indication of the estimation bias. - the SAMPO rainfall generator used to study the areal reduction factor of extreme precipitation and implement a correction model for high quantiles of SPAZM areal rainfall. - a simplified method of stochastic simulation similar to SCHADEX method (cross between a rainfall hazard and a catchment saturation hazard) is developed to produce a distribution of daily flows in ungauged site. - finally, preliminary work provides a way for the transition to the peak flow distribution using a hydrograph generator adapted to the sequence of daily simulated runoffs. All these developments and conclusions are detailed and justified in the thesis.STAR