Développement d'un module de prise en compte de la neige
Chapitre 7. Méthodologie adoptée pour le développement d'un module neige
7.3. Présentation des modèles hydrologiques utilisés
7.4.2. Les critères d'évaluation
7.4.2.2. Critères spécifiques à l'étude de la neige
En fonction de l’influence des processus nivaux sur chacun des bassins versants, il n’est pas toujours suffisant de ne s’intéresser qu’au seul critère de validation précédent calculé sur l’ensemble de la chronique. En effet, la neige n'influence pas toute la chronique des débits mais seulement une partie, durant une période plus ou moins restreinte de l'année. Il est alors judicieux d’établir des critères plus spécifiques, pour mieux évaluer les modifications engendrées par le module neige. Nous en proposons deux, qui correspondent au calcul d'un
M M M C C Nash Nash Nash C 2 2 2 1 2 2 + × = ⇔ − = Eq. 7-2 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
l'hiver) et de fonte (beaucoup plus variable d'un bassin à l'autre). Pour l'ensemble des 380 bassins de notre échantillon, ce critère est calculé du 1er décembre au 31 mai : c'est la zone bleutée des graphiques de la Figure 7-4.
• Un critère dit "de fonte" qu'on note C2MF. L'objectif est d'évaluer la qualité des simulations sur la période la plus critique, à savoir la période de fonte du manteau neigeux (les écoulements sont alors augmentés du fait de la disparition progressive du stock). En général assez réduite dans le temps, cette période n'excède pas un mois pour la plupart des bassins et peut varier d'une année à l'autre (elle démarre plus ou moins tôt suivant l'évolution de la température et du réchauffement printanier). Suite à différents tests de sensibilité, nous avons établi une période de deux mois pour le calcul de C2MF. Pour les bassins fortement influencés par la neige, C2MF est calculé du 1er avril au 31 mai. Pour les bassins moins impactés par la composante nivale1, C2MFest calculé du 1er février au 31 mars : ces périodes sur les bassins de la Durance à Serre-Ponçon et de la Dordogne à Bort Les Orgues (France) sont représentées par la zone hachurée en rouge sur la Figure 7-4.
Critère Neige C2MN Critère Fonte C2MF
France – bassins peu neigeux 1er février – 31 mars
France – bassins neigeux Suisse Suède Québec 1er décembre - 31 mai 1er avril - 31 mai
Tableau 7-2 : Périodes de calcul des critères spécifiques à l'étude de la neige pour les bassins de natures différentes.
Nous avons également introduit un critère sur les volumes (rapport entre le volume simulé et le volume observé sur la période de validation). Néanmoins, n'étant pas très discriminant, nous ne l'utilisons pas dans la présentation des résultats au cours des prochains chapitres.
1
Pour le critère C2MF, nous discriminons les bassins neigeux fortement influencés et les bassins peu influencés par la neige : sont considérés comme peu neigeux, les bassins français présentant, en moyenne, moins d'un trimestre dans l'année où la température est inférieure à 0 °C sur une zone représentant les 9/10ème les plus élevés du bassin. Les bassins suisses, suédois et québécois sont tous considérés comme fortement influencés par la neige. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
a)
b)
Figure 7-4 : Visualisation des chroniques de débits observés (courbe bleue) et simulés (en traits rouges) avec le modèle GR4J enrichi d’un module neige a) sur la Durance à Serre-Ponçon (considéré comme très influencé par la neige) et b) sur la Dordogne à Bort Les Orgues (considéré comme peu
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7.4.3. Illustrations
Nous présentons les deux graphiques « type » qui vont principalement être utilisés dans les chapitres suivants pour évaluer et comparer les performances des modules neige :
• Les boîtes à moustaches, « boxplot » en anglais, (cf. Figure 7-5 a) synthétisent la distribution du critère pour l’ensemble des bassins versants de l’échantillon. Une boîte à moustaches décrit la distribution des données qu'on souhaite représenter : dans notre cas, la boîte inclut 50% des valeurs et les moustaches, 80% (sont représentées dans la boîte la médiane par une barre horizontale et la moyenne par une croix). Il s’agit ensuite de comparer différentes structures entre elles : sur la Figure 7-5 a), le module 2 est meilleur que le module 1 sur la distribution des performances sur les 380 bassins de l'échantillon (les quantiles et la médiane ont des valeurs supérieures pour le module 2).
• La comparaison des performances entre deux structures en traçant les critères obtenus par une structure en fonction des critères obtenus par l’autre pour chaque bassin versant de l’échantillon. Ces graphes seront généralement réalisés pour chaque pays afin de mettre en valeur le comportement des modules dans des contextes différents. Sur la Figure 7-5 b), le module 2 est meilleur que le module 1 pour les bassins suisses, suédois et français et très similaire en termes de performance pour les bassins québécois. Pour la France, nous distinguons en général les bassins nivaux (vert clair) et les bassins moins influencés par la neige (vert foncé).
a)
b)
Figure 7-5 : Illustration des critères de performance obtenus avec deux modules neiges différents (toute chose étant égale par ailleurs : même modèle hydrologique, même échantillon de bassins versants, etc.). a) Représentation sous forme de boîtes à moustaches et b) expression des performances du module 2 en fonction de celles du module 1 pour chaque bassin, sur chaque pays séparément.
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Enfin, malgré le grand nombre de bassins versants qui rend l’exercice délicat, les chroniques des débits, ainsi que l'évolution du stock de neige, seront analysées grâce à des graphiques du type de la Figure 7-4. Nous nous intéressons en particulier aux 9 bassins fil-rouge décrits au Chapitre 1.
7.5. Synthèse
Le cadre dans lequel s'inscrit le développement du module neige est désormais posé. Nous suivons une approche empirique et nous partirons d'une structure simple qui sera progressivement complexifiée à la condition que des gains significatifs de performance soient obtenus. Qui plus est, partant du principe que tous les modèles, et les modules neige, sont imparfaits, nous basons notre travail sur un large échantillon de bassins versants et une approche comparative : différents modules neige serviront de référence. Enfin, différents modèles précipitations – débit et un large échantillon de bassins versants permettront de tester la transposabilité et la généralité des modules neige, et d'évaluer les forces et les faiblesses de chacun.
Finalement, parce que la neige n'est pas un processus dominant sur toute l'année en termes de réponse du bassin versant aux précipitations qu'il reçoit, nous avons introduit deux critères spécifiques. Le but est d'étudier plus en détail l'impact des modules neige sur la modélisation en se concentrant sur les périodes critiques et fortement influencées par la composante nivale.
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