Les écoulements dans le sol résultent du déplacement de l’eau dans une multitude de chemins que forme le réseau poreux qu’est le sol. Les forces gravitaires et capillaires se présentent dans ce milieu comme moteurs principaux à l’écoulement. Ces mécanismes sont tributaires de la quantité de vides du sol, de leur agencement et de leur teneur en eau. A l’échelle parcellaire ou du versant, les écoulements sont principalement liés à la saturation locale du sol permettant l’activation de che- mins préférentiels. Des écoulements relativement rapides pour un milieu poreux avec des vitesses de l’ordre du cm.s−1peuvent être observés.
La modélisation des écoulements dans le sol à cette échelle consiste à reproduire l’activation des chemins préférentiels. Les représentations les plus utilisées consistent en une vision intégrée du ré- seau de pores, permettant une caractérisation du comportement hydrologique à partir des propriétés moyennes du sol : porosité, indice de la taille des porosités, teneur en eau. Les équations de Darcy et de Richards les plus utilisées pour décrire le déplacement de l’eau se basent sur cette caractérisation homogène du sol. Leur domaine de validité réside dans la limite de représentativité des propriétés moyennées du sol.
Le modèle hydrologique MARINE représente entre autres des écoulements latéraux dans le sol. Ce modèle distribué à base physique élaboré spécifiquement pour la modélisation des crues éclair, re- présente en effet les principaux mécanismes hydrologiques lors de la génération de tels événements : l’infiltration, les écoulements de surfaceet de subsurface. L’infiltration est gouvernée par le modèle de Green et Ampt. L’approximation d’onde cinématique des équations de Barré de Saint-Venant per- met le routage de l’excédent de pluie vers l’exutoire, notamment à l’aide d’une prise en compte des réseaux de drainage. Enfin, l’équation de Darcy implémentée comme dans TOPMODEL génère les écoulements internes au sol. Les propriétés physiographiques du bassin versant sont nécessaires aux modèles de représentations des écoulements choisis : notamment la topographie pour établir le schéma de transfert des écoulements ou encore l’humidité initiale, la profondeur et la texture du sol, pour déterminer les propriétés hydrodynamiques du sol. Des cartes spatialisées de ces propriétés observées (voir chapitre 2) sont fournies en entrée du modèle et permettent d’intégrer les caractéris- tiques du bassin versant au modèle. Néanmoins, la calibration de 5 paramètres est nécessaire, afin d’adapter les propriétés observées aux hypothèses de modélisation faites, mais aussi de combler la part d’incertitude dans les données d’entrée.
Un premier état du modèle MARINE montre l’importance de la définition des écoulements de subsurface puisque une proportion majoritaire du volume d’eau arrivant à l’exutoire transite à tra- vers le sol. L’analyse spécifique de la modélisation des écoulements dans le sol fait le constat d’une sensibilité importante du modèle à la profondeur de sol, plus qu’à la teneur en eau initiale du bas- sin versant. Le modèle montre globalement des faiblesses à intégrer les propriétés hydrodynamiques du sol pour représenter l’évolution des vitesses d’écoulement. Quelques anomalies ponctuelles ont également été détectées.
A partir de tests sur les choix de modélisation relatifs à la dynamique de saturation du sol, une nouvelle structure pour le modèle MARINE est proposée. La nouvelle modélisation tend à une meilleure considération de l’évolution de la dynamique de saturation dans le calcul des écoulements, une meilleure intégration des propriétés texturales du sol ainsi qu’une représentation plus physique de l’exfiltration dans le réseau de drainage modélisé.
Enfin une configuration du modèle avec une subdivision de la colonne de sol en deux comparti- ments est proposée. L’objectif est de modéliser la barrière hydrologique supposée présente à l’inter-
face sol pédologique/roches altérées et favorisant la saturation locale d’une partie de la colonne de sol. Les échanges verticaux entre compartiments sont ainsi limités jusqu’à la saturation du compar- timent supérieur. De même, afin de limiter la participation équivalente des écoulements latéraux des deux compartiments, ceux présents dans le compartiment inférieur sont volontairement limités. Le modèle ainsi fixé fait donc l’hypothèse d’une conductivité hydraulique latérale moindre du compar- timent inférieur (supposé représenter les roches altérées).
La nouvelle configuration montre des améliorations significatives comparée à l’ancienne, notam- ment dans la reproduction des début et fin de crue, mais aussi elle améliore la reproduction des évé- nements à deux pics. L’évaluation sur 16 événements de crues importantes montre une amélioration significative de 0.1 point pour le critère de Nash. Le modèle modifié se révèle plus sensible au for- çage avec des variations de l’humidité plus contrastées. En résultent des écoulements de subsurface rapidement significatifs lors de l’humidification.
On note que ces mêmes changements opérés en conservant une configuration à une seule couche de sol semble également mieux représenter les récessions. Cela suggère que la participation fixée et limitée des écoulements dans le compartiment inférieur pourrait ne pas être suffisante. Cette hypo- thèse est cependant conservée dans le but de conserver une paramétrisation parcimonieuse. L’ajout d’un paramètre pour fixer les écoulements latéraux dans le compartiment en profondeur pourrait en effet aboutir à une sur paramétrisation où la compensation des deux types de flux latéraux rendrait difficile la calibration et son interprétation.
Ainsi, compte-tenu des performances améliorées et de la concordance avec l’hypothèse de for- mation d’écoulements par une saturation superficielle de la colonne de sol, c’est la nouvelle configu- ration du modèle qui fera l’objet de la suite de l’étude.
Modélisation hydrologique : de la mise en
place à l’évaluation
Après la présentation, l’analyse et la modification de MARINE, le modèle nécessite une étape de calage des paramètres pour caractériser les fonctionnements hydrologiques modélisées des bassins versants. On reprend ici les concepts généraux du travail de modélisation en hydrologie, afin de défi- nir dans son contexte les enjeux de la calibration.
Sommaire
4.1 Introduction . . . 80 4.1.1 Les modèles hydrologiques : principe et caractérisation . . . 80
4.1.2 Vers la mise en place d’un modèle hydrologique : calibration et évaluation . . 81
4.2 Etat de l’art sur les stratégies de calibration . . . 83