Th.--Géogr.--Paris 4, 1984.

Th.--Géogr. phys.--Paris 4, 1987.

Avec l'avènement de l'ère numérique, accompagnée d'une automatisation et d'une puissance de calcul toujours croissante, le devenir des interactions humains-machines est appelé à des changements inéluctables. Le domaine de l'hydrologie prévisionnelle n'est pas indifférent à cette nouvelle réalité en regard des progrès constants de l'intelligence artificielle. En effet, il existe trois catégories de systèmes distincts qui interviennent en hydrologie prévisionnelle: manuel (in-the-loop), automatisé (out-of-the-loop) et supervisé (over-the-loop). Ces systèmes se distinguent par les interactions humains-machines qui les constituent. Le premier système nécessite indispensablement des interactions à son bon fonctionnement. Le second est complètement passif pour un usager externe et totalement hermétique. Le dernier permet des interactions, comprend des indicateurs de dysfonctionnement tout en étant complètement automatisée. Cette thèse est née de la conjoncture liée à deux initiatives indépendantes : (1) une dizaine d'années de recherche et développement menant à la création de HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory"; et (2) l'implantation d'un nouveau système de gestion de données et de prévisions et d'alertes hydrologiques à la Direction de l'Expertise Hydrique du Québec permettant d'incorporer plusieurs systèmes de prévisions. Ce projet de recherche a pour motivation première l'amélioration des outils disponibles pour effectuer des prévisions hydrologiques dans le bassin versant du Saint-Laurent tout en laissant place au savoir et aux connaissances des experts-hydrologues. Pour ce faire, un système de prévisions hydrologiques opérationnel et complètement automatisé est mis en place tout au long du projet. Ce dernier, basé sur HOOPLA, incorpore plusieurs niveaux de redondance, notamment sur les données d'entrées, les modèles hydrologiques et les méthodes d'arrimage. La redondance est un concept largement utilisé dans les domaines de l'ingénierie, de l'aviation, de la météorologie et de l'informatique. Elle consiste en la duplication de composantes partageant les mêmes fonctionnalités. Elle permet d'établir des diagnostics et d'assurer une meilleure fiabilité. En hydrologie prévisionnelle, la redondance est omniprésente à plusieurs niveaux, mais elle est peu étudiée comme telle. Les résultats montrent qu'il est avantageux de recourir à la redondance interne dans un système. Cette dernière permet de déceler les défaillances et augmente les performances des prévisions lorsque ces dernières sont cohérentes. La multiplicité de systèmes de prévisions présente un enjeu de taille en ce qui concerne les dépassements de seuils. Cette thèse met en lumière les différentes mises en oeuvre possibles de la redondance en hydrologie prévisionnelle et expose ses enjeux et avantages dans un contexte opérationnel et heuristique. / With the advent of the digital era, with ever increasing automation and computing power, the future of humanmachine interactions is bound to change. The field of predictive hydrology is not indifferent to this new reality in view of the constant progress of programmable intelligence. Indeed, there are three distinct categories of systems involved in predictive hydrology: manual (in-the-loop), automated (out-of-the-loop) and supervised (over-the-loop). These systems are distinguished by the human-machine interactions that constitute them. The first system requires interactions for its proper functioning. The second one is passive and totally independent for a user, without however ensuring its good functioning. The last one allows for interactions and includes indicators of dysfunction while being completely automated. This thesis was born from the conjunction of a decade of research and development leading to the creation of HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory" and the implementation of a new data management system and hydrological forecasts and alerts of the Direction de l'Expertise Hydrique du Québec allowing to incorporate several forecasting systems. This research project is primarily motivated by the improvement of the tools available to make hydrological forecasts in the St. Lawrence watershed while leaving room for the knowledge of expert hydrologists. To do so, an operational and fully automated hydrological forecasting system is be implemented throughout the project. This system, based on HOOPLA, incorporates several levels of redundancy, notably on input data, hydrological models and docking methods. Redundancy is a widely used tool in the fields of engineering, aviation, meteorology and computer science. It consists in the duplication of components sharing the same functionality. It allows to establish diagnoses and to ensure a better reliability. In predictive hydrology, redundancy is ubiquitous at several levels, but it is little studied as such. The results show that there are benefits to using internal redundancy in a system. The latter allows to detect failures and increases the performance of predictions when the latter are consistent. External system redundancy presents a significant challenge with respect to threshold violations. This thesis highlights the different possible implementations of redundancy in predictive hydrology and exposes its issues and benefits in an operational and heuristic context.

Avec l'avènement de l'ère numérique, accompagnée d'une automatisation et d'une puissance de calcul toujours croissante, le devenir des interactions humains-machines est appelé à des changements inéluctables. Le domaine de l'hydrologie prévisionnelle n'est pas indifférent à cette nouvelle réalité en regard des progrès constants de l'intelligence artificielle. En effet, il existe trois catégories de systèmes distincts qui interviennent en hydrologie prévisionnelle: manuel (in-the-loop), automatisé (out-of-the-loop) et supervisé (over-the-loop). Ces systèmes se distinguent par les interactions humains-machines qui les constituent. Le premier système nécessite indispensablement des interactions à son bon fonctionnement. Le second est complètement passif pour un usager externe et totalement hermétique. Le dernier permet des interactions, comprend des indicateurs de dysfonctionnement tout en étant complètement automatisée. Cette thèse est née de la conjoncture liée à deux initiatives indépendantes : (1) une dizaine d'années de recherche et développement menant à la création de HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory"; et (2) l'implantation d'un nouveau système de gestion de données et de prévisions et d'alertes hydrologiques à la Direction de l'Expertise Hydrique du Québec permettant d'incorporer plusieurs systèmes de prévisions. Ce projet de recherche a pour motivation première l'amélioration des outils disponibles pour effectuer des prévisions hydrologiques dans le bassin versant du Saint-Laurent tout en laissant place au savoir et aux connaissances des experts-hydrologues. Pour ce faire, un système de prévisions hydrologiques opérationnel et complètement automatisé est mis en place tout au long du projet. Ce dernier, basé sur HOOPLA, incorpore plusieurs niveaux de redondance, notamment sur les données d'entrées, les modèles hydrologiques et les méthodes d'arrimage. La redondance est un concept largement utilisé dans les domaines de l'ingénierie, de l'aviation, de la météorologie et de l'informatique. Elle consiste en la duplication de composantes partageant les mêmes fonctionnalités. Elle permet d'établir des diagnostics et d'assurer une meilleure fiabilité. En hydrologie prévisionnelle, la redondance est omniprésente à plusieurs niveaux, mais elle est peu étudiée comme telle. Les résultats montrent qu'il est avantageux de recourir à la redondance interne dans un système. Cette dernière permet de déceler les défaillances et augmente les performances des prévisions lorsque ces dernières sont cohérentes. La multiplicité de systèmes de prévisions présente un enjeu de taille en ce qui concerne les dépassements de seuils. Cette thèse met en lumière les différentes mises en œuvre possibles de la redondance en hydrologie prévisionnelle et expose ses enjeux et avantages dans un contexte opérationnel et heuristique. / With the advent of the digital era, with ever increasing automation and computing power, the future of human-machine interactions is bound to change. The field of predictive hydrology is not indifferent to this new reality in view of the constant progress of programmable intelligence. Indeed, there are three distinct categories of systems involved in predictive hydrology: manual (in-the-loop), automated (out-of-the-loop) and supervised (over-the-loop). These systems are distinguished by the human-machine interactions that constitute them. The first system requires interactions for its proper functioning. The second one is passive and totally independent for a user, without however ensuring its good functioning. The last one allows for interactions and includes indicators of dysfunction while being completely automated. This thesis was born from the conjunction of a decade of research and development leading to the creation of HOOPLA "HydrOlOgical Prediction LAboratory" and the implementation of a new data management system and hydrological forecasts and alerts of the Direction de l'Expertise Hydrique du Québec allowing to incorporate several forecasting systems. This research project is primarily motivated by the improvement of the tools available to make hydrological forecasts in the St. Lawrence watershed while leaving room for the knowledge of expert hydrologists. To do so, an operational and fully automated hydrological forecasting system is be implemented throughout the project. This system, based on HOOPLA, incorporates several levels of redundancy, notably on input data, hydrological models and docking methods. Redundancy is a widely used tool in the fields of engineering, aviation, meteorology and computer science. It consists in the duplication of components sharing the same functionality. It allows to establish diagnoses and to ensure a better reliability. In predictive hydrology, redundancy is ubiquitous at several levels, but it is little studied as such. The results show that there are benefits to using internal redundancy in a system. The latter allows to detect failures and increases the performance of predictions when the latter are consistent. External system redundancy presents a significant challenge with respect to threshold violations. This thesis highlights the different possible implementations of redundancy in predictive hydrology and exposes its issues and benefits in an operational and heuristic context.

Thèse de doctorat : Ecophysiologie Forestière : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Les récentes études sur les changements climatiques démontrent que ceux-ci auront un impact sur le régime hydrologique des rivières du Québec. Ils toucheront entre autres la fréquence et la sévérité des étiages, d’où l’importance d’approfondir nos connaissances au niveau de leur simulation. Cette étude, réalisée sur le bassin versant de la rivière Yamaska, évalue l’impact du choix d’un critère de calage sur la simulation des étiages en période de changements climatiques pour les modèles GR4J et SWAT. Les aspects suivants sont évalués en fonction du critère de calage choisi : la qualité des indicateurs d’étiage simulés et la variation de l’incertitude sur les étiages entre la période de référence (1971-1995) et la période future (2041-2065). Les deux modèles sont calés avec six critères basés sur le critère de Nash-Sutcliffe (NSE) ainsi qu’un critère basé sur l’indicateur d’étiage 7Q2 afin d’effectuer les simulations à partir de douze projections climatiques (5 MRCC, 7 NARCCAP). Pour GR4J, les résultats montrent une aggravation significative des étiages futurs. En comparaison avec l’emploi du critère NSE, l’utilisation d’un critère de calage orienté vers les étiages permet de mieux les simuler et de minimiser l’incertitude associée aux changements climatiques tout en simulant une aggravation moindre des étiages pour la période future. Pour SWAT, le choix du critère de calage n’a pas le même impact. En effet, les simulations ne montrent pas toutes une aggravation des étiages et ont de la difficulté à reproduire les indicateurs d’étiage observés. De plus, l’incertitude associée aux changements climatiques est moins influencée par le choix du critère de calage que pour le modèle GR4J. Pour une étude sur les étiages en changements climatiques, il est donc important de porter une attention particulière au choix du critère de calage. De plus, le choix du modèle est important puisque l’utilisation d’un modèle distribué tel que SWAT ne favorise pas nécessairement la simulation des étiages.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Titre de l'écran-titre (visionné le 2 sept. 2008). Bibliogr.

Le modèle de surface Soil, Vegetation, and Snow (SVS) a été récemment mis au point par Environnement et Changement climatique Canada (ECCC) à des fins opérationnelles de prévisions météorologique et hydrologique. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer la capacité de SVS, en mode hors ligne à l’échelle de points de grille, à simuler différents processus par rapport aux observations in situ. L’étude est divisée en deux parties: (1) une évaluation des processus de surface terrestre se produisant dans des conditions sans neige, et (2) une évaluation des processus d’accumulation et de fonte de la neige. Dans la première partie, les flux d’énergie de surface et la teneur en eau ont été évalués sous des climats arides, méditerranéens et tropicaux pour six sites sélectionnés du réseau FLUXNET ayant entre 4 et 12 ans de données. Dans une seconde partie, les principales caractéristiques de l’enneigement sont examinées pour dix sites bien instrumentés ayant entre 8 et 21 ans de données sous climats alpins, maritimes et taiga du réseau ESM-SnowMIP. Les résultats de la première partie montrent des simulations réalistes de SVS du flux de chaleur latente (NSE = 0.58 en moyenne), du flux de chaleur sensible (NSE = 0.70 en moyenne) et du rayonnement net (NSE = 0.97 en moyenne). Le flux de chaleur dans sol est raisonnablement bien simulé pour les sites arides et un site méditerranéen, et simulé sans succès pour les sites tropicaux. Pour sa part, la teneur en eau de surface a été raisonnablement bien simulée aux sites arides (NSE = 0.30 en moyenne) et méditerranéens (NSE = 0.42 en moyenne) et mal simulée aux sites tropicaux (NSE = -16.05 en moyenne). Les performances du SVS étaient comparables aux simulations du Canadian Land surface Scheme (CLASS) non seulement pour les flux d’énergie et le teneur en eau, mais aussi pour des processus plus spécifiques tels que l’évapotranspiration et le bilan en eau. Les résultats de la deuxième partie montrent que SVS est capable de reproduire de manière réaliste les principales caractéristiques de l’enneigement de ces sites. Sur la base des résultats, une distinction claire peut être faite entre les simulations aux sites ouverts et forestiers. SVS simule adéquatement l’équivalent en eau de la neige, la densité et la hauteur de la neige des sites ouverts (NSE = 0.64, 0.75 et 0.59, respectivement), mais présente des performances plus faibles aux sites forestiers (NSE = - 0.40, 0.15 et 0.56, respectivement), ce qui est principalement attribué aux limites du module de tassement et à l’absence d’un module d’interception de la neige. Les évaluations effectuées au début, au milieu et à la fin de l’hiver ont révélé une tendance à la baisse de la capacité de SVS à simuler SWE, la densité et l’épaisseur de la neige à la fin de l’hiver. Pour les sites ouverts, les températures de la neige en surface sont bien représentées (RMSE = 3.00 _C en moyenne), mais ont montré un biais négatif (PBias = - 1.6 % en moyenne), qui était dû à une mauvaise représentation du bilan énergétique de surface sous conditions stables la nuit. L’albédo a montré une représentation raisonnable (RMSE = 0.07 en moyenne), mais une tendance à surestimer les valeurs de fin d’hiver (biais = 0,04 sur la fin de l’hiver), en raison de la diminution progressive pendant les longues périodes de fonte. Enfin, un test de sensibilité a conduit à des suggestions aux développeurs du modèles. Les tests de sensibilité du processus de fonte de la neige suggèrent l’utilisation de la température de surface de la neige au lieu de la température moyenne lors du calcul. Cela permettrait d’améliorer les simulations SWE, à l’exception de deux sites ouverts et d’un site forestier. Les tests de sensibilité à la partition des précipitations permettent d’identifier une transition linéaire de la température de l’air entre 0 et 1 _C comme le meilleur choix en l’absence de partitions observées ou plus sophistiquées. / The Soil, Vegetation, and Snow (SVS) land surface model has been recently developed at Environment and Climate Change Canada (ECCC) for operational numerical weather prediction (NWP) and hydrological forecasting. The main goal of this study is to evaluate the ability of SVS, in offline point-scale mode, to simulate different processes when compared to in-situ observations. The study is divided in two parts: (1) an evaluation of land-surface processes occuring on snow-free conditions, and (2) and evaluation of the snow accumulation and melting processes. In the first part, surface heat fluxes and soil moisture were evaluated under arid, mediterranean, and tropical climates at six selected sites of the FLUXNET network having between 4 and 12 years of data. In the second part, the main characteristics of the snow cover are examined at ten well-instrumented sites having between 8 and 21 years under alpine, maritime and taiga climates from ESM-SnowMIP network. Results of the first part show SVS’s realistic simulations of latent heat flux (NSE = 0.58 on average), sensible heat flux (NSE = 0.70 on average), and net radiation (NSE = 0.97 on average). Soil heat flux is reasonably well simulated for the arid sites and one mediterranean site, and poorly simulated for the tropical sites. On the other hand, surface soil moisture was reasonably well simulated at the arid (NSE = 0.30 on average) and mediterranean sites (NSE = 0.42 on average) and poorly simulated at the tropical sites (NSE = - 16.05 on average). SVS performance was comparable to simulations of the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) not only for energy fluxes and soil moisture, but more specific processes such as evapotranspiration and water balance. Results of the second part show that SVS is able to realistically reproduce the main characteristics of the snow cover at these sites. Based on the results, a clear distinction between simulations at open and forest sites can be made. SVS is able to simulate well snow water equivalent, density and snow depth at open sites (NSE = 0.64, 0.75 and 0.59, respectively), but exhibits lower performances over forest sites (NSE = - 0.40, 0.15 and 0.56, respectively), which is attributed mainly to the limitations of the compaction scheme and the absence of a snow interception scheme. Evaluations over early, mid and end winter periods revealed a tendency to decrease SVS’s ability to simulate SWE, density and snow depth during end winter. At open sites, SVS’ snow surface temperatures are well represented (RMSE = 3.00_C on average), but exhibited a cold bias (PBias = - 1.6% on average), which was due to a poor representation of the surface energy balance under stable conditions at nighttime. Albedo showed a reasonable representation (RMSE = 0.07 on average), but a tendency to overestimate end winter albedo (bias = 0.04 over end winter), due to the slow decreasing rate during long melting periods. Finally, sensitivity tests to the snow melting process suggest the use of surface snow temperature instead of the average temperature when computing the melting rate. This would provide the improvement of the SWE simulations, with exception of two open and one forest sites. Sensitivity tests to partition of precipitation allows to identify a linear transition of air temperature between 0 and 1_C as the best choice in the absence of observed or more sophisticated partitions

Cette étude a pour objectif la caractérisation du fonctionnement hydrologique d'une toposéquence sahélienne de l'ouest Nigérien. Des études antérieures menées en zone sahélienne ont montré que les caractéristiques de la surface du sol (type de croûte, microrelief, densité de végétation), réunies dans la notion d'état de surface. sont déterminantes dans les mécanismes de l'infiltration et du ruissellement dans cette région. On cherche à quantifier les mécanismes de redistribution horizontale de l'eau de pluie (partition infiltration/ruissellement et transfert de l'eau en surface) à l'échelle de la toposéquence, sous l'influence de la répartition spatiale des états de surface. Les données expérimentales issues de parcelles de ruissellement (100 m²), représentatives d'un type d'état de surface, montrent que l'infiltration est faible sur les zones à encroûtement permanent (sol nu de plateau, jachère) ; le ruissellement y représente 50 et 25 %, respectivement, de la pluie annuelle. Sur les surfaces cultivées, la destruction des croûtes par le sarclage et leur reconstitution ultérieure induisent une forte variabilité temporelle de l'infiltration, et le ruissellement est estimé à moins de 12 % de la pluie. A l'échelle de la toposéquence, on montre que l'infiltration est limitée aux premiers mètres du sol, excepté dans les zones d'accumulation d'eau (végétation de plateau, zone d'épandage des crues, ravine) dans lesquelles la lame infiltrée peut dépasser 2 à 3 fois la pluie annuelle. Le stockage d'eau dans le sol est nul d'une saison à l'autre sur l'ensemble des sites étudiés et seules les zones d'accumulation d'eau sont susceptibles d'alimenter le drainage profond en direction de l'aquifère. Pour compléter les résultats expérimentaux et quantifier les transferts d'eau en saison des pluies à l'échelle de la toposéquence, le modèle hydrologique SWATCH (distribué, à bases physiques) a été modifié pour simuler l'infiltration par une approche bi-couche des transferts (croûte/sol sous-jacent). Le modèle est tout d'abord calé à l'échelle de la parcelle, supposée représentative des processus de versants. Les paramètres du modèle définis sur les parcelles (i.e. pour chaque état de surface) sont ensuite affectés aux unités à état de surface homogène définies sur les bassins par cartographie. Cette représentation simplifiée du milieu permet une reconstitution satisfaisante des crues observées à l'exutoire des bassins après calage des paramètres du transfert en chenal. La lame infiltrée en profondeur sous le plus grand des bassins (0,9 km²) en fin de saison des pluies est évaluée par modélisation à 12 % de la pluie, mais une partie de cette eau, non quantifiée, s'évapore en saison sèche et l'on estime que la fraction qui draine vers l'aquifère est faible. La contribution de ce type de toposéquence à la recharge annuelle de la nappe semble donc marginale par rapport à celle des mares, étudiée par ailleurs.

Le tiers de la population mondiale, vit dans des espaces où les risques potentiels sont liés plus ou moins directement à la nature ; Les inondations, sont responsables de plus de la moitié des risques dommageables. À l’instar le risque inondation affecte les villes marocaines et plus particulièrement celles situées sur les piedmonts dir. Les agglomérations de dir de Béni Mellal sont très menacée par les inondations. Ces catastrophes sont le fait de crues-éclair (flash flood) trouvant leur origine dans la structure des précipitations (intensités remarquables) et une topographie propice à la concentration des écoulements sur de petits bassins versants de forte pente.Ce travail est une contribution opérationnelle à la connaissance du phénomène « crue-éclair » affectant les agglomérations du "dir" de Béni-Mellal dont l’objectif est l’amélioration de la résilience du "dir" de l’Atlas de Béni-Mellal face aux inondations et aux "crues-éclair". À cause de l’absence des stations hydro pluviométriques, est vue la spécificité de dire comme une zone de transition, la démarche élaborée repose sur une étude fine des deux facteurs du risque, l’aléa et la vulnérabilité, sur des bassins versants représentatifs du domaine du dir de Béni Mellal. Notre approche, que l’on peut qualifier "hydrologique intégrée" considère l’aléa comme une solidarité hydrologique entre l’amont et l’aval ou plutôt la dépendance de l’aval vis-à-vis de l’amont. La gestion des risques dans le dir de Béni-Mellal, demande donc l’intégration des techniques hydrologiques modélisatrices et l’association des mesures non structurelles telles que, la conscience du risque, la réduction de la vulnérabilité, la maîtrise de l’occupation du sol, surtout la dynamique urbaine. Les solutions adoptées doivent être cohérentes entre elles. A cet égard, notre méthodologie s’articule sur la valorisation de données multi-sources. Elle s’appuie, d’un côté, sur une approche de l’hydrologie classique, qui consiste en l’étude analytique de « l’aléa historique » et l’étude hydrométrique dont les données hydrométriques et pluviométriques produites, seront utilisées pour la caractérisation de « l’aléa » et des crues torrentielles. Une approche hydrologique modélisatrice où les résultats seront utilisés pour la calibration et la validation d’une modélisation hydraulique et pour la production des cartes de risques. D’un autre côté, elle vise à intégrer le contexte socio-économique et cultuel, le degré d’organisation de l’occupation du sol, et les politiques publiques de la gestion des risques…etc. / One-third of the world's population lives in areas where potential risks are more or less directly related to nature. Floods are responsible for more than half of the damaging risks. Like other countries, the flood risk affects the Moroccan cities and especially those located on the piedmonts. For instance, the agglomerations of Béni Mellal piedmonts are very threatened by floods. These disasters are the result of flash floods originating principally from a changing rainfall pattern (remarkable intensities) and a favorable topography conductive to the concentration of the flows on small watersheds of steep slope.This study is an operational contribution to the knowledge of the "flood-lightning" phenomenon that is affecting the agglomerations of the "piedmont " of Beni-Mellal. Its objective is to identify the resilience of the Atlas “piedmont” of Beni-Mellal in the face of floods and "flash floods".Because of the absence of hydro-rainfall stations, and the specificity of the study area considered as being a transition zone, the approach developed is based on a detailed study taking into account two risk factors, namely the hazard and the vulnerability..Our approach, which can be described as "an integrated hydrological approach" considers the hazard as a hydrological solidarity between upstream and downstream or rather the dependence of downstream towards the upstream. Therefore, risk management in the piedmonts of Béni-Mellalrequires the integration of modeling hydrological techniques and the association of non-structural measures such as, risk awareness, vulnerability reduction, controlof soil occupation, especially urban dynamics. For this reason, the adopted solutions a must be coherent with each other. In this respect, our methodology is based on the valuation of multi-source data. It relie, on one hand, on a classical hydrology approach, which consists of the analytical study of "historical hazard"and the hydrometric study whose hydrometric and rainfall data will be used for the analysis. Characterization of "hazard" and flashfloods events (The results of this modeling hydrological approach will be used for the calibration and validation of hydraulic modeling and for the elaboration of risk maps. On the other hand, it aims at integrating the socio-economic and cultural context, the degree of organization of the occupation of the ground, and the public policies of the risk management ... etc.