L'objectif de la thèse est d'améliorer la compréhension des processus hydrologiques lors des événements de crues éclair. L'étude se base sur le modèle distribué à base physique MARINE (Roux et al. 2011), qui a été spécialement développé pour la prévision des crues éclair. Une étude précédente, s'intéressant à la régionalisation du modèle sur l'arc méditerranéen, a montré notamment les fortes corrélations entre la nature géologique des bassins versants et la capacité de stockage calibrée (Garambois, 2012). Ce constat est à l'origine de la présente thèse, qui se concentre sur l'analyse des processus internes aux horizons de sol et de sous-sol.
Les données hydrologiques, climatiques et les propriétés des bassins versants sont dans un premier temps analysées. Influencés par les deux régimes climatiques océanique et méditerranéen, les 26 bassins versants de la zone d'étude présentent un forçage contrasté. Des bilans de masse sont effectués sur les événements de crues éclair sur l'ensemble de ces bassins. Pour 18 des 26 bassins versants, le stockage dans les roches altérées est évalué comme étant au moins aussi conséquent que celui possible dans les horizons pédologiques. La caractérisation des courbes de récession des 26 séries hydrométriques révèle en outre la présence de deux comportements hydrologiques distincts, en relation avec la nature géologique des bassins versants.
Dans une seconde partie, la structure du modèle MARINE est analysée. Se concentrant sur la modélisation des flux dans le sol, plusieurs modifications déduites de l'état de l'art sont testées. L'analyse montre l'influence notable de la prise en compte des variations de la conductivité hydraulique avec le contenu en eau du sol. Le gradient de pression a, en revanche, un impact minoritaire sur la génération des flux : le contrôle est gravitaire sur ces bassins à forte pente. Les échanges nappe-rivière ont une influence modeste sur la contribution des flux de subsurface à la crue. A partir de ces résultats, la structure du modèle de MARINE est modifiée dans l'objectif de : i) rendre le modèle plus robuste vis-à-vis de l'initialisation de la teneur en eau du sol ; ii) mieux intégrer les propriétés pédologiques du sol ; iii) donner une représentation plus physique du couplage versant-rivière. De plus, s'appuyant sur l'analyse des données, un modèle subdivisant la colonne de sol en deux couches est proposé. La seconde couche tend à représenter le rôle hydrologique joué par les roches altérées. Les flux de subsurface sont modélisés essentiellement dans la couche supérieure, faisant l'hypothèse de l'apparition de flux latéraux par génération de chemins préférentiels à l'interface sol/roche .
La nouvelle modélisation est testée sur 8 bassins versants, choisis comme illustratifs des caractéristiques climatique et physiographique de la zone d'étude. Une méthode de calibration est développée, permettant l'adaptation de l'évaluation du modèle aux objectifs visés et à l'incertitude inhérente à la fois aux mesures hydrométriques et à la structure du modèle lui-même. 7 des 8 bassins versants testés présentent des scores satisfaisants pour la prévision des pics de crue. Une proportion significative de flux modélisés transite par le sol, avec une contribution aux pics de crue variant entre 40 % et 60 %. L'étude détaillée des performances montre une meilleure prévision pour les bassins versants situés sur un socle sédimentaire. Notamment, la décrue des hydrogrammes est simulée trop rapidement sur les bassins versants granitiques, corroborant la nécessité d'une contribution significative de flux provenant des roches altérées sur ces bassins versants.
Enfin les distributions des paramètres a posteriori montrent des corrélations possibles entre paramètres, suggérant plusieurs comportements hydrologiques vraisemblables. La description détaillée des compensations entre processus hydrologiques plausibles permet la proposition de pistes visant à mieux contraindre la réponse du modèle. |
The purpose of this thesis is to improve the knowledge of hydrological processes during flash flood events using rainfall-runoff modelling. The study is based on the distributed, physically-based hydrological model MARINE (Modélisation de l’Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des évéNements Extrêmes), which has been specially elaborated, since a dozen years, for flash flood modelling. A previous study analysed the regionalization of model parameters in the French Mediterranean region (Garambois, 2012). This study found strong relationships between catchment geology and drainage-storage capacity. In the light of these results, the project focuses on hydrological processes occurring into soil and subsoil horizons.
Hydrological data and catchment properties of the studied area are firstly analysed. Localized astride the oceanic climatic regime and the Mediterranean one, the 26 studied catchments present a very contrasted climatic forcing. Simple water balances of flash flood events show a general hydrological activity of the weathered bedrock. For 18 of the 26 catchments, it has been even assessed that water storage in deep layers during flash flood events is at least as important as in the agronomic layer. An analysis of the discharge recession curves of the 26 data series specifies as well two hydrological behaviours related to the geological properties of the catchments.
In a second part, the structure of the model MARINE is analysed with a focus on soil water modelling. According to the state of the art on subsurface flow modelling, several models are tested. Results show prior influence of the variations of the hydraulic conductivity with the soil water content. The gradient of soil suction has only a very small impact on the generation of subsurface flow: they are mainly gravity-driven flows, due to the very high hillslopes. The global contribution of subsurface flow to floods appear to be partly controlled by the modelling of stream-aquifer flow. According to those results, the structure of the model MARINE is modified in order to i) make it more robust with respect to the initial condition on soil water content; ii) better integrate soil properties; iii) better represent the stream-aquifer flows. Moreover, according to the hydrological data analysis, a modified model has been developed to describe subsurface flow through a two-layered soil column. The second layer aims at representing the water storage capacity in the weathered bedrock, while subsurface flow is assumed to occur essentially on the first layer.
The new model is tested on 3 catchments and 5 nested catchments, chosen as characteristics of the physiographic and climatic variability of the studied area. A calibration methodology is developed adapting the assessment of the model performances to the prediction objectives, and to the uncertainty both on discharge measurements and on model structure. Model performs globally well as the assessment of flood peaks predictions shows satisfactory scores for 7 out of the 8 tested catchment outlets. The model simulates a major contribution of the subsurface flows with a proportion ranging between 40 % and 60 % during flood peaks. A detailed analysis of the model performances show that the model seems to overestimate the recessions occurring on granitic catchments. For those catchments, it reveals that a significant contribution of flow through the weathered bedrock layer seems to be required to better model the recession and second flood peaks of flash flood events.
Finally posterior distribution of parameters show correlation among behavioural sets, suggesting the likelihood of different hydrological behaviours. The extensive description of the likelihood configuration leads to propose guidelines for further research. |