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3.5 Annexe : Approximation de T aylor de la fonction de transfert du modèle LBLR . 85

4.1.4 L'identication dans la thèse

Procédure d'identication retenue

Dans lasuite, l'identication desparamètres se ferapar laminimisation d'uncritère traduisant

l'écart entrelesmesures etlesrésultatsde simulation.La recherche d'unminimumglobal (dans

l'espacedesparamètres)permetdes'assurerquelejeudeparamètresobtenuestbienoptimal.La

convergenceverscetoptimumsefaitàpartird'unpointinitial,maisn'esttoutefoispasgarantie,

notamment lorsqu'ilexiste plusieurs minima locaux (cas desmodèles sur-paramétrés). Le choix

du point initial devient alors crucial.

Pour contourner ce problème, nous utiliserons une méthode développée par Mathevet (2005)

et utilisée notamment par Lerat (2009) avec un modèle couplé hydrologie-hydraulique. Cette

méthode sedécompose entrois étapes.

1. L'espace des paramètres est tout d'abord échantillonné. La grille d'échantillonnage est

déniepar desvaleursréalistesdesdiérentsparamètres.Comptetenudesdimensionsdes

biefsétudiés,lesvaleursde1het10hontétéretenuespourlesparamètreshydrauliques

τ 0

et

K 0

.Pour lesparamètres hydrologiques,lesvaleursutiliséesontétédéterminées àpartir des résultats d'identication sur un grand nombre de bassins versants (Le Moine, 2008).

Nous retiendrons les valeurs de10 h et100 h pour le paramètre

K R

,100 mm,400 mm et

1000 mm pour leparamètre

S

,et0.5, 1et1.5pour leparamètre

IGF

.

2. Le critère estensuitecalculé pour chaqueéchantillon.

3. L'échantillon ayant obtenulemeilleurscoreestretenupourservir depointde départpour

laprocédure deminimisation du critère.

L'algorithme de Levenberg-Marquardt (Levenberg, 1944) sera ensuite utilisé pour la recherche

du jeu de paramètres qui minimise le critère. Cet algorithme est codé sous le logiciel de calcul

Scilab 1

par la fonction lsqrsolve. Dans les diérentes applications proposées dans la suite,

l'algorithme asystématiquement convergévers unminimumquenoussupposeronsglobal.

Enn,lapérioded'identicationdevraêtresusammentlonguepourpouvoirreprésenterles

phé-nomènes modélisésdansleurensemble. Notonsquecesphénomènesmettentenjeu destempsde

transfert diérents. Ainsi, un unique événement peut permettre d'identier un modèle

hydrau-lique, alors quel'onconsidère généralement queplusieurs années sontnécessaires pour identier

un modèlehydrologique.

Choix d'uncritère

Le choix ducritèreestprimordialpours'assurerdubon fonctionnement dumodèle. Eneet,un

modèlefonctionnemieuxsilesobjectifsdemodélisationsontprisencomptelorsdel'identication

àtraverslecritèreretenu(Oudinetal,2006).Celasignieparexemplequelecritèreseradiérent

pouruneétudedecrueetpouruneétudedesétiages,bienquelemodèleutilisépuisseêtrelemême

danslesdeuxcas.Lorsdel'étudedescrues,lemodèledoitassurerunebonnereprésentation des

périodesdehautes eaux, contrairement àune étude desétiagesqui seconcentre essentiellement

sur lespériodesde basseseaux.

Les diérentes applications proposées seplacent dansdescontextes variés.Aussi, diérents

cri-tères seront utilisés.Néanmoins,cescritères sonttousbasés surlecritèreclassique desmoindres

carrés,nomméRMSE(RootMeanSquare Error).Cecritèrepermetdequantierl'écart

quadra-tiquemoyen entre unegrandeur simulée etsamesure.Il est dénipar :

RMSE

= 1 N

v u u t X N

k=1

(y mes (k) − y sim (k)) 2

(4.1)

1. LelogicielScilabestdéveloppéàl'INRIA(www.scilab.org).

N

estlenombre depasdetemps,

y mes (k)

lagrandeur mesuréeaupasdetemps

k

,et

y sim (k)

la grandeur simuléeà ce même pasde temps. Le critère RMSE atendance à donner plus

d'im-portance aux valeurs élevées qu'aux valeurs faibles. Lors d'une étude hydrologique, des écarts

relatifs similaires enhautes etbasseseauxn'auront paslemême poidslors ducalculdu critère.

La minimisation dece critère auradonctendance à favoriser unebonne reproduction descrues.

Andedonnerlamêmeimportanceauxécartsrelatifsdehautesetbasseseauxlorsde

l'identica-tion, ilestpossibled'appliquerunetransformationsurlesgrandeursévaluées.Latransformation

logarithmique, illustrée surlagure4.1, estsouvent utiliséeà ceteet.Le critères'écrit alors :

RMSE

log = 1 N

v u u t X N

k=1

(log y mes (k) − log y sim (k)) 2

(4.2)

0 200 400 600

Q (m 3 /s)

10 0 10 2 10 4

temps log Q (m 3 /s)

Figure 4.1 Eetsdelatransformation

log Q

Le critère de Nash-Sutclie (Nash etSutclie, 1970), déni par l'équation 4.3, permet de

nor-maliser l'écart quadratique moyen et de fournir ainsi une information sur la qualité relative

de la simulation. Ce critère, donné en pourcentage, est largement utilisé en hydraulique et en

hydrologie.

Nash

= 1 − P N

k=1 (y mes (k) − y sim (k)) 2 P N

k=1 (y mes (k) − y mes ) 2

(4.3)

y mes

représente lavaleur moyenne de

y mes

.

Les critères RMSE, RMSE

log

et Nash seront ceux utilisés dans les diérentes applications pro-posées. Pour le cas de Sacramento, l'identication étant eectuée dans le domaine fréquentiel,

nousutiliserons un critèrespécique déniplusloin.

Validation

Pour lesapplicationshydrologiquesprésentées danslasuite, l'étaped'identication sedéroulera

selon une procédure dite de calage-contrôle croisé . Cette méthode, développée par Klemes

(1986),estaujourd'huilargement utiliséeenhydrologie.Le principereposesurundécoupagede

lapériode dedonnéesendeuxsous-périodesP

1

etP

2

.L'identication esttoutd'abord eectuée sur la période P

1

et validée sur la période P

2

. Le modèle est ensuite identié sur la période

P

2

puis validé sur lapériode P

1

. Cette procédure permet notamment de vérier la consistance des paramètres. Généralement, si les paramètres varient peu entre les deux identications, les

paramètres sont moyennéspour obtenir lesvaleursretenues.

Dans certains cas, ilest également possible de validerlejeu de paramètres identié en utilisant

d'autrestypesdedonnées,commeledébitenunpointintermédiaireparexemple(voirlestravaux

de Lerat (2009) et l'application sur le delta de Sacramento en 4.2.1). Enn, dans le cas de la

synthèse d'un contrôleur (voir l'application Gignac présentée en 4.2.2), la validation ne pourra

sefaire qu'en situation réelleen vériant queledébit observé correspondbien audébit désiré.