Analyse de sensibilité et calibration

La réalisation des deux étapes d’analyse de sensibilité et de calibration, décrites ci- après, ont toutes les deux fait l’objet d’un processus de réalisation « en cascade ».

Figure II.22 : Illustration de la procédure en cascade utilisée pour l’analyse de sensibilité et la calibration des

paramètres du modèle sur le bassin versant.

La Figure II.22 vient illustrer cette démarche qui consiste à considérer les sous-bassins d’amont en aval. En pratique, l’analyse de sensibilité et la calibration sont réalisées sur un groupe de sous-bassins dont l’exutoire correspond à une station hydrologique. Une fois ce groupe de sous-bassins calibré, l’opération est répétée avec les sous-bassins en aval et la station hydrologique suivante.

2.2.2. Analyse de sensibilité

L’analyse de sensibilité est une étape préalable à toute calibration d’un outil de modélisation, particulièrement lorsque ce dernier comporte un nombre important de paramètres pouvant être modifiés comme c’est le cas pour SWAT. Le but de cette démarche est d’identifier quels paramètres, pour une configuration donnée du modèle, va influencer la simulation produite.

L’analyse de sensibilité, tout comme la procédure de calibration présentée par la suite, a été réalisée via la logiciel SWAT-CUP Version 5.1.6.2 (Abbaspour (2013) -

http://www.neprashtechnology.ca). Ce logiciel est un programme externe à SWAT

facilitant la manipulation et la modification des paramètres du modèle (Arnold et al., 2012b).

Tableau II.3 : Paramètres testés lors de l'analyse de sensibilité (voir Neitsch et al. (2011) pour les paramètres non

explicités dans le Chap.2)

Nom

Paramètres Description Equation Chap. 2 Correspondance

EPCO Facteur de compensation de prélèvement des plantes Equ. 55 (epco) SURLAG Coefficient de délai de ruissellement Equ. 8 (surlag)

GW_Delay Délai du temps de drainage Equ.17 (δgw)

GW_Revap Coefficient de “Revap” Equ. 27 (βrev)

GWQMN Seuil d’eau contenue dans l’aquifère pour qu’il y ait contribution de la nappe à _{la rivière} Equ.26 (aqshthr,q)

GWHT Hauteur d’eau initiale de l’aquifère --

SHALLST Contenu initial en eau de l’aquifère peu profond -- DEEPST Contenu initial en eau de l’aquifère profond --

ALPHA_BF Constante de transfert nappe-rivière Equ.26 (αgw)

REVAPMN Seuil d’eau contenue dans l’aquifère au-dessus duquel il peut y avoir _{phénomène de « revap »} Equ.28-30(aqshthr,rvp)

RCHRG_DP Fraction de la percolation qui rejoint l’aquifère profond Equ. 24 (βdeep)

ESCO Facteur de compensation d’évaporation du sol Equ. 43 (esco)

CN2 « SCS Curve Number » Equ. 4 (CN)

CANMX Stockage maximum de la canopée par interception Equ. 2 (canmx)

OV_N Coefficient de Manning Equ. 7 (n)

SOL_AWC Réserve utile du sol Equ. 12 (AWC)

SOL_K Conductivité hydraulique à saturation des sols Equ. 16 (Ksat)

SOL_Z Epaisseur des couches de sols Equ. 45 (z)

EVRCH Facteur d’ajustement de l’évaporation des cours d’eau -- EVLAI LAI à partir duquel l’évaporation depuis les cours d’eau cesse --

SFTMP Température de chute de neige Equ.44 (Ts-r)

SMTMP Température de fonte de neige Equ. 46 (Tmlt)

TIMP Facteur de propagation de la température dans la couverture de neige Equ. 47 (lsno)

SMFMX Facteur de fonte au 21 juin Equ. 48 (bmlt6)

SMFMN Facteur de fonte au 21 décembre Equ. 48 (bmlt12)

SNOW50COV Equivalent en eau de la neige nécessaire pour recouvrir 100% de la surface du _sous-bassin Equ. 45 (SNO100) SNOWCOVMX Equivalent en eau de la neige nécessaire pour recouvrir 50% de la surface du _sous-bassin Equ. 45 (SNO100) SNO_SUB Equivalent en eau initial de la neige --

TLAPS Gradient altitudinal de température Equ. 50-52 (tlaps) PLAPS Gradient altitudinal de précipitation Equ. 49 (plaps) SNOEB Contenu en eau initial de la neige dans une bande d’altitude. --

CH_N Coefficient de Manning du cours d’eau --

CH_W Largeur du cours d’eau --

CH_L Longueur du cour d’eau --

CH_S Pente moyenne du cours d’eau Equ.7 (slpch)

Pour la réalisation de cette étude, une analyse de sensibilité dite « one-at-the-time » a été réalisée, telle que décrite dans Abbaspour (2013). Cette approche consiste à modifier les paramètres considérés les uns après les autres pour évaluer leur influence sur la simulation produite. L’avantage de cette approche est la simplicité de réalisation, malgré le fait qu’elle ne permette pas de détecter l’effet de la modification conjointe de plusieurs paramètres.

Pour chacun des paramètres considérés, cinq simulations sur une période de 10 ans (2000-2010 + 3 ans d’initialisation) ont été réalisées en modifiant la valeur des paramètres à chaque simulation afin d’en évaluer l’impact. La sélection des valeurs est faite via une procédure d’hypercube latin permettant de couvrir l’étendue des valeurs possibles que peut prendre chaque paramètre (McKay et al., 1979).

Au total, ce sont 32 paramètres qui ont été considérés pour la réalisation de cette analyse de sensibilité. Ces derniers ont été choisis en accord avec la littérature et la connaissance du bassin versant. Le Tableau II.3 présente les paramètres soumis à l’analyse de sensibilité, leur signification ainsi que leur relation avec les équations de fonctionnement du modèle décrites au Chapitre 2 point 2.1.2.

2.2.3. Calibration

Une fois les paramètres sensibles de chaque groupe de sous-bassins versants déterminés, une calibration de ces derniers est réalisée. Cette procédure de calibration, toujours réalisée avec l’aide du logiciel SWAT-CUP, est menée à bien par l’utilisation de l’algorithme de calibration SUFI-2 (Abbaspour et al., 2004). Cette procédure, largement utilisée par la communauté d’utilisateur de SWAT a été montrée comme permettant d’obtenir la meilleure calibration avec un nombre de répétitions limité (Yang et al., 2008).

Cette méthodologie est également basée sur l’utilisation de l’hypercube latin pour sélectionner des paramètres dans des intervalles définis par l’utilisateur. L’intervalle de calibration de chacun des paramètres a été déterminé au regard de la littérature existante pour le modèle SWAT et plus spécifiquement celle concernant le bassin versant de la Garonne (Oeurng et al., 2010; Ferrant et al., 2011; Oeurng et al., 2011a; Oeurng et al., 2011b; Boithias, 2012; Chea, 2012; Ferrant et al., 2013) et sur notre connaissance du bassin versant. Les intervalles de calibration ont été choisis de manière à rester cohérent avec la réalité hydrologique du bassin versant.

En pratique, le processus de calibration a été réalisé pour chaque groupe de sous- bassins par 1500 simulations tel que suggéré par Yang et al. (2008). Ces simulations ont été faites sur la période 2000-2010 avec 3 années supplémentaires d’initialisation du modèle. La fonction objectif utilisée pour réaliser cette calibration est la valeur du critère de Nash-Sutcliffe (décrite dans la section suivante). Les paramètres utilisés pour

la calibration de chaque groupe de sous-bassins versants, ainsi que les intervalles utilisés et valeurs calibrées peuvent être trouvés en Annexe 1