Appréciation à l'aide d'un modèle empirique des effets d'actions anthropiques sur la relation pluie-débit à l'échelle d'un bassin versant

This report addresses the opportunities of improvement in the field of rainfall-runoff empirical modelling. Two aspects are considered: (i) modelling rainfall-runoff processes taking place in ephemeral river basins and (ii) modelling rainfall-runoff processes taking place in basins under land use change. The model used in the present research is an empirical lumped rainfall-runoff model developed in the CEMAGREF and the CERGRENE laboratories, called GR4J model. The empirical rainfall-runoff research program is first addressed, in order to investigate whether it may still be a fruitful approach, in the context of hydrology. A research program focuses on the theoretical basis, the hypotheses and guidelines, as well as the mathematical and experimental techniques, utilised by hydrologists while modelling hydrologjcal processes. The initial model employed in modelling ephemeral river basin rainfall-runoff processes, GR3J, is the original model from which GR4J has been developed. The main objective that motivates this research is to extend the domain of the model GR3J, which was successfully employed in perennial river basin rainfall-runoff simulation. The need for a change in the structure of the model, to include a fourth parameter, became evident after an in-depth analysis. This study takes into account an analysis of ephemeral phenomenon physical causes, as well as the reasons of GR3J inadequacy to simulate it. Systematic trials which change the model structure in order to improve its performance in this case are done for more than 40 model versions. The new model version adequately simulates rainfall-runoff process in ephemeral river basins (7 basins tested) as in perennial river basins (113 basins tested). Coping with an empirical rainfall-runoff model on account of basin nonstationarities requires a more demanding validation procedure than the classical split-sample test. We must verify at least (i) whether the model is already able to explain streamflow fluctuations induced by natural climate variability; (ii) whether parameter values of the model are stationary under basin stationary conditions and (iii) the sensibility of the model parameters to changes in basin physical characteristics. This study concerns the test of the model GR4J under basin stationary conditions as well as under man induced non-stationarities. Four stationary basins, a land drainage and a wildfire case studies are considered. Also an analysis about the performance of the GR4J local search calibration method on account of the risk of local maxima is done. As a conclusion, the local search method can be considered perfectly adapted to the model, showing good qualities of reliability and satisfactorily converging to the maximum maximorum. Both the land drainage basin and the paired basin used in this study could be considered stationary. Therefore, we may conclude that no identifiable changes in the rainfall-runoff relationship were observed in this case study. All of the other four basins exhibit non stationarities in the rainfall-runoff relationship, even the paired basins used in the wildfire case study. Therefore, in the particular wildfire case study it is not absolutely proved that the changes observed in the rainfall-runoff relationship are caused by the disappearing of the vegetal cover.Dans cette étude nous considérons les possibilités d'élargissement du champ d'application d'un modèle empirique pluie-débit, le modèle GR4J, développé au CEMAGREF et au CERGRENE. Deux aspects particuliers sont pris en compte : (i) la modélisation des processus hydrologiques dans les bassins versants de cours d'eau intermittents et (ii) la modélisation des processus hydrologiques dans les bassins versants soumis des changements ayant pour origine des activités anthropiques. De façon plus générale , nous menons une discussion sur l'intérêt de la recherche en modélisation empirique, en hydrologie, afin d'en préciser les buts, les moyens utilisés pour y parvenir, le degré de succès escompté et d'examiner si cette modélisation constitue un cadre fécond permettant de contribuer au progrès scientifique. La réflexion est conduite en considérant les contextes scientifiques et technologiques d'utilisation des modèles. Le principal objectif de la recherche sur les bassins versants de cours d'eau intermittent est l'extension du domaine d'application du modèle GR3J, dont GR4J est originaire. Les raisons de la défaillance de GR3J pour simuler les processus hydrologiques dans le cas de 7 bassins versants de cours d'eau intermittents sont analysées et une réflexion sur les origines du phénomène d'intermittence de cours d'eau est entamée. Des essais systématiques de plus de 40 versions différentes du modèle sont réalisés sur cet échantillon de bassins versants. Parmi ces versions, les plus performantes sont aussi vérifiées sur un échantillon de 120 bassins versants, dont 113 sont des cours d'eau pérennes. La version adoptée, le modèle GR4J, utilise 4 paramètres et représente de façon adéquate les cas d'étude considérés. Une analyse de la performance du processus de calage par recherche locale employé dans le modèle GR4J avec le but d'évaluer le risque de mauvais calage (maximum secondaire) est fait avant d'aborder le sujet des non-stationnarités d'origine anthropique, en utilisant trois processus de calage global. Le processus de calage usuel de GR4J a été considéré comme satisfaisant. Dans le cadre de l'étude du comportement non-stationnaire des processus hydrologiques causé par des actions anthropiques, l'utilisation de modèles hydrologiques exige des validations plus détaillées que la validation usuelle sur des données différentes de celles utilisées pour le calage. Il est nécessaire de vérifier (i) si le modèle est capable d'expliquer les fluctuations des débits induites par les variations climatiques naturelles ; (ii) si les paramètres du modèle sont stationnaires quand le bassin reste stationnaire en termes d'occupation des sols et (iii) la sensibilité des paramètres du modèle aux changements des caractéristiques physiques des bassins versants soumis à des actions anthropiques. Cette étude concerne le test du modèle GR4J dans des conditions de stationnarité du bassin versant en termes d'occupation des sols et en termes de non-stationnarités induites par l'intervention humaine. On étudie les cas de quatre bassins considérés comme stationnaires, un bassin soumis au drainage agricole et un bassin dont la couverture végétale a été détruite par un incendie de forêt. On peut conclure que le drainage agricole, dans le cas étudié, ne produit pas de changements significatifs sur la relation pluie-débit. Les quatre autres bassins, vus par GR4J, présentent des comportements non-stationnaires, y compris les deux bassins témoins voisins de celui qui a été fortement touché par l'incendie de forêt. Donc, dans le cas de l'incendie, on ne peut pas attribuer à la disparition de la couverture végétale du bassin, avec certitude, les changements détectés dans la relation pluie-débit