La base de données hydro-climatiques disponible

3.1.1 Définition des bassins versants 3.1.1.1 Le bassin versant topographique

Le bassin versant est le territoire qui draine les eaux souterraines et superficielles alimentant son exutoire, et dont l’écoulement suit les pentes naturelles vers une rivière, un lac, un fleuve ou un océan. Le bassin versant est limité par des frontières naturelles : les lignes de crêtes ou lignes de partage des eaux.

Les lignes de partage des eaux du bassin versant sont généralement délimitées à partir de la topo-graphie : les pentes à la surface du bassin versant définissent les directions d’écoulement qui per-mettent d’accéder au contour du bassin en les remontant. Ainsi, il suffit de connaître les coordon-nées géographiques (latitude, longitude) d’un exutoire et l’altimétrie de la région où se situe le bas-sin versant pour délimiter son contour.

Figure 7 : Contour des 4436 bassins versants localisés sur le MNT de résolution 100x100 m.

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Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous disposons d’un Modèle Numérique de Terrain à la résolution hectométrique (100x100 m) qui contient le territoire français métropolitain et à partir duquel les directions d’écoulement ont été définies. Les coordonnées géographiques des 4436 stations de mesure hydrométriques de la Banque HYDRO du Ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement durable et de l’Energie (MEDDE) ont été localisées sur les « mailles de rivière » correspondantes dans la grille des directions d’écoulement. De cette manière, les contours des 4436 bassins versants ont pu être délimités (Figure 7).

Les procédures appliquées pour la création de cette base de données sont détaillées dans un do-cument technique d’Irstea (Bourgin et al. 2012) consultable en ligne à l’adresse suivante : http://webgr.irstea.fr/activites/base-de-donnees/.

3.1.1.2 Caractéristiques des bassins versants

Une fois le contour des bassins versants tracé, il est possible de déterminer les caractéristiques physiographiques, morphologiques et climatiques des bassins. Nous détaillons ci-dessous les carac-téristiques physiographiques utilisées dans le cadre de la thèse :

• Surface du bassin : il s’agit de la superficie (en km²) délimitée par le contour du bassin ver-sant. C’est la somme des surfaces des pixels du MNT compris à l’intérieur du bassin verver-sant.

• Centroïde : c’est le centre de gravité du bassin versant. Il est localisé par ses coordonnées géographiques (latitude, longitude).

• Altitude moyenne : il s'agit de l'altitude moyenne (en m) du bassin versant. C’est la moyenne de l’ensemble des altitudes des pixels du MNT compris à l’intérieur du bassin ver-sant.

• Pente moyenne: il s'agit de la moyenne des pentes des pixels du MNT compris dans le bas-sin versant. La pente de chaque pixel est définie par la formule suivante:

= tan !" = − _$%"

& ' − '_$%" + ) − )_$%" ^{Eq. 7} avec ! la pente en degré et α la pente en % du pixel, (X, Y) les coordonnées projetées et Z l'altitude du centre du pixel considéré, (X_av, Y_av, Z_av) les coordonnées et l’altitude du pixel en aval. Le pixel en aval est identifié par la plus forte pente entre le pixel considéré et les pixels alentours.

• Longueur hydraulique moyenne : il s'agit de la moyenne (en km) des longueurs hydrau-liques des pixels du MNT compris dans le bassin versant. La longueur hydraulique est la dis-tance qui sépare le centre d’un pixel du bassin à celui correspondant à l'exutoire en suivant la grille de direction d'écoulement. En considérant que tout pixel appartient à une rivière, la

Chapitre 3 : Présentation de la base de données des bassins versants

75 longueur hydraulique calculée ici correspond à la longueur de la rivière. C'est le chemin suivi par une goutte de pluie qui ne s'infiltre pas dans le sol.

• Indice topographique : il s'agit de l'indice topographique défini dans TOPMODEL (Beven and Kirkby 1979). Cet indice est reformulé pour être indépendant de la résolution du MNT (Ducharne 2009). Il est calculé par la formule suivante :

*_+,-, = log1₂

De nombreuses caractéristiques morphologiques des bassins versants peuvent être déterminées en combinant la surface à d’autres types de données disponibles (pédologie, végétation…). Nous ne détaillerons ci-dessous que celles utilisées dans notre recherche :

• Densité de drainage : contrairement à l’approche traditionnelle qui exprime la densité du réseau de drainage en km^-1, nous avons utilisé un indice s'exprimant en km² : il s'agit de « la surface des bassins versants sources », c’est-à-dire la surface amont nécessaire pour obser-ver un cours d'eau sur une carte IGN (Le Moine , 2008). Une faible surface des zones sources traduit un réseau de drainage très dense (i.e. beaucoup de cours d'eau, fleuves ou rivières sont observés), et inversement. La surface des zones sources a été cartographiée par Le Moine (2008) dans sa thèse, et nous avons obtenu une valeur agrégée par bassin en calcu-lant la moyenne géométrique des densités de drainage comprises dans le bassin :

55 = 6^{∑ 89} . :;< =₉

8>? Eq. 9

avec DD (en km²) la surface moyenne des sources sur le bassin versant de superficie S_bv (en km²) et Di (en km²) la surface des sources qui occupent une surface Si (en km²) du bassin.

• Occupation du sol : cet indice a été calculé par intersection de la base de données Corine Land Cover 2006 (CLC2006) avec le contour des bassins. La base de données CLC2006 est une base de données européenne qui regroupe les informations d'occupation biophysique des sols en cinq grandes classes : (1) territoires artificialisés, (2) territoires agricoles, (3) fo-rêts et milieu semi-naturel, (4) zones humides et (5) surface en eau.

Les caractéristiques climatiques du bassin versant correspondent aux variables climatiques (précipi-tation, évapotranspiration, température moyenne…) moyennées spatialement sur la surface du bassin versant. Lorsqu’on parle des caractéristiques hydro-climatiques du bassin versant, cela

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tègre en plus des indices calculés à partir des débits observés à son exutoire. Nous ne décrivons ci-dessous que les indices et caractéristiques hydro-climatiques utilisés dans notre analyse :

• Moyennes interannuelles : ce sont les moyennes temporelles des variables climatiques et du débit observé à l’exutoire du bassin versant. Elles sont utilisées pour caractériser le cli-mat et le régime des bassins versants. La moyenne interannuelle est calculée sur la série complète des données disponibles qui doit être suffisamment longue pour pouvoir négliger les variations de stock au sein du bassin versant. Elles sont généralement converties en lames d’eau (en mm) en fonction de la surface du bassin versant pour pouvoir être compa-rées entre différents bassins versants.

• Indice d’aridité : il s’agit du ratio P/ETP entre les moyennes interannuelles des précipitations P (mm/an) et de l’évapotranspiration potentielle ETP (mm/an). Avec le coefficient de ruissel-lement, cet indice permet une représentation adimensionnelle du bilan hydrologique du bassin versant.

• Coefficient de ruissellement : il s’agit du ratio Q/P entre les moyennes interannuelles du débit moyen spécifique Q (mm/an) observé à l’exutoire du bassin versant et les précipita-tions P (mm/an) reçues par ce dernier.

• Coefficient d’intensité pluvieuse : c’est le ratio P₉₉/P, P₉₉ étant le 99^ème quantile de pluie (en mm) et P la pluie moyenne interannuelle (mm/an). Cet indice permet de faire ressortir les bassins versants exposés à des orages convectifs qui entraînent de fortes intensités de pré-cipitations.

• Autocorrélation des débits : il s’agit du coefficient de corrélation entre les débits observés à l’exutoire du bassin versant aux instants t et t+Δt, Δt étant le décalage temporel considéré.

C’est un indice qui permet de caractériser la réponse « lente » ou « rapide » des bassins ver-sants. Une autocorrélation forte indique une réponse lente d’un bassin qui lisse les précipi-tations. Au contraire, une autocorrélation faible indique une réponse rapide d’un bassin lis-sant peu les précipitations dans le temps.

• BFI : c’est l’indice d’écoulement de base ou « Base Flow Index » défini comme le rapport entre l’écoulement de base et le volume d’écoulement total. Le volume de base et le BFI sont calculés selon la procédure détaillée par Gustard et al. (1992). Un BFI élevé indique un débit de base important et reflète généralement l’importance de l’écoulement souterrain (contribution des nappes et aquifères souterrains) qui assure les écoulements pendant les basses eaux et étiages.

Les caractéristiques morphologiques renseignent sur la nature du bassin versant tandis que les ca-ractéristiques hydro-climatiques permettent de définir le climat auquel il est exposé et son compor-tement hydrologique. Des fiches de synthèse qui résument l’ensemble des caractéristiques des

Chapitre 3 : Présentation de la base de données des bassins versants

77 4436 bassins versants de la Banque HYDRO peuvent être consultées en ligne à l’adresse suivante : http://webgr.irstea.fr/activites/base-de-donnees/.

3.1.2 Traitement des données hydro-climatiques 3.1.2.1 Les données de précipitation

La base de données de précipitation utilisée au cours de cette thèse est la réanalyse des lames d’eau présentée dans le chapitre précédent. C’est une base de données sans lacunes, horaire, spa-tialisée à la résolution kilométrique, établie sur 10 ans (1997-2006) et sur l’ensemble du territoire métropolitain français.

Nous disposons aussi de la base de données SAFRAN au pas de temps journalier (Vidal et al. 2010).

Il s’agit d’une analyse des observations de surface combinées à des données d’analyse de modèles météorologiques pour estimer les variables climatiques (température, humidité, vent, précipita-tions solides et liquides, rayonnement solaire et infrarouge incident) sur une grille régulière de 8 x 8 km. Ces données journalières disponibles sur une période de plus de 50 ans (de 1958 jusqu’à nos jours) seront utilisées comme référence pour évaluer la réanalyse des lames d’eau au pas de temps journalier et pour l’initialisation des modèles hydrologiques pluie-débit.

3.1.2.2 Les données d’évapotranspiration potentielle

Nous ne disposons pas de données d’évapotranspiration au pas de temps horaire. Par contre, les données météorologiques nécessaires pour le calcul des évapotranspirations potentielles (ETP) sont disponibles au pas de temps journalier grâce à la base de données SAFRAN de Météo-France.

L’évapotranspiration potentielle (ETP) est calculée par la formule d’Oudin et al. (2005) au pas de temps journalier. Il s’agit d’une formule simple d’utilisation puisqu’elle ne nécessite que la connais-sance de la température journalière de l’air et le jour julien de l’année :

@3 = 6

. A B3 + 5

100 D ^{Eq. 10}

avec ETP l’évapotranspiration journalière (m/j), Re le rayonnement extraterrestre (MJ/m²/j) qui dépend seulement de la latitude et du jour julien, Ta la température de l’air (°C), λ la chaleur la-tente de vaporisation de l’eau (MJ/kg) et ρ la masse volumique de l’eau (kg/m³).

Il existe de nombreuses formules d’ETP plus complexes, basées sur un plus grand nombre de don-nées climatiques, qui pourraient être utilisées. Cependant, dans le cadre de notre thèse, nous nous appuierons sur les travaux d’Oudin et al. (2005) qui ont montré d’une part que les modèles pluie-débit s’accommodent assez facilement des différences entre ces formules, et que d’autre part leur formule semble présenter le meilleur ratio efficacité/complexité pour la modélisation hydrologique

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(conclusion fondée sur une comparaison entre 27 formules d’ETP, dont la formule de référence de Penman-Monteith, sur un large échantillon de 308 bassins versants français, australiens et améri-cains représentatifs d’une grande diversité hydro-climatique).

Figure 8: Désagrégation de l'ETP journalière au pas de temps horaire

Les données de température moyenne journalière sont issues de la base de données SAFRAN sur une grille régulière de résolution 64 km². L’ETP journalière est calculée sur cette grille régulière de 64 km², puis une ETP uniforme sur le bassin est calculée en pondérant la valeur estimée sur chaque maille de 64 km² par le pourcentage de la maille inclus dans le bassin versant. L’ETP journalière est ensuite désagrégée au pas de temps horaire selon une parabole : elle est nulle entre 19:00 et 06:00 et maximale entre 12:00 et 13:00 (Figure 8). Compte tenu de la sensibilité limitée des modèles à cette variable, notamment sur les événements de crue qui nous intéressent tout particulièrement, ces approximations ne génèrent a priori pas d'erreurs significatives en simulation des débits.

3.1.2.3 Les données de débit

Les données hydrométriques à pas de temps variable, mesurées à l’exutoire des bassins versants, sont issues de la Banque HYDRO du MEEDE gérée par le Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations (SCHAPI). Elles ont été ensuite agrégées au pas de temps horaire.

Une méthode analogue à celle présentée par Le Moine (2008) a été utilisée pour le passage au pas de temps horaire. Les données de débits horaires sont générées par interpolation linéaire du pas de temps variable et intégration sur chaque heure. Les données pour lesquelles la qualité des mesures (renseignée par le code qualité de la Banque HYDRO) est inconnue (code qualité 'I' ou 'S') sont

con-Chapitre 3 : Présentation de la base de données des bassins versants

79 sidérées comme des données lacunaires. Par contre, contrairement au traitement opéré par Le Moine (2008), qui ne traitait que les données de bonne qualité (code qualité '9'), nous avons con-servé toutes les données qu'elles soient bonnes (code qualité '9'), reconstituées (code qualité '8') ou estimées (code qualité '5'). Ce traitement permet d'éviter l'écrêtement des hydrogrammes au-dessus d'un seuil sur certains bassins, du fait de données jugées peu fiables par les services hydro-métriques au-delà du dernier point jaugé de la courbe de tarage. Si une donnée nécessaire au cu-mul horaire est lacunaire, la donnée horaire n’est pas calculée, elle est considérée lacunaire.

Figure 9 : Base de données des bassins versants avec données hydrométriques au pas de temps variable.

Au final, les données de débit au pas de temps horaire ont été traitées pour 1948 bassins versants repartis sur le territoire métropolitain français (Figure 9). Toutes les données des stations hydromé-triques utilisées dans notre étude ont subi le même traitement pour la constitution de la base de données des débits au pas de temps horaire. Cependant, malgré nos efforts pour uniformiser la qualité de données sur l’ensemble des bassins versants étudiés, des erreurs peuvent persister no-tamment à cause du référentiel temporel qui n’est pas précisé pour les mesures des stations hy-drométriques (heure UTC ou décalage heure d’été/heure d’hiver).

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