Le modèle pluie-débit Cinecar n’a pas fait l’objet d’amélioration au cours de ces travaux de thèse. Toutefois, ses principes de fonctionnement, son application sur la zone d’étude et sa validation seront évoqués dans le cadre de cette partie.
3.4.1 Principes
Cinecar est un modèle hydrologique pluie-débit distribué, développé spécifiquement pour simuler les crues-éclair sur les petits cours d’eau non instrumentés. Il a déjà été utilisé à plusieurs reprises dans le Gard, initialement pour l’étude des crues de septembre 2002, puis plus récemment dans le cadre des travaux de Jean-Philippe Naulin : celui-ci a implémenté et évalué le modèle sur l’ensemble du département, avec des performances comparables voire supérieures à celles d’autres modèles pluie-débit (Naulin, 2012, Naulin et al., 2013).
Le modèle considère un bassin versant comme étant un réseau segmenté de biefs de cours d’eau, auxquels sont rattachés un ou deux versants de forme rectangulaire (Cf. §2.1.2). Le calcul est effectué en deux étapes ? Tout d’abord la transformation de la pluie en pluie efficace est effectuée par une fonction de production appliquée sur chaque versant, puis la propagation de ces pluies efficaces vers l’aval est représentée par une fonction de transfert appliquée sur chaque versant et chaque bief.
La fonction de production retenue est le modèle conceptuel du Soil Conservation Service – Curve Number (SCS-CN). Ce modèle décrit la capacité d’infiltration du sol et son aptitude à générer des écoulements. Il permet de connaître la quantité d’eau rendue disponible pour les écoulements (pluie efficace), en fonction de la valeur du CN attribuée et du cumul de pluie (figure3.39). Typiquement, les valeurs suggérées de CN sont de 70 à 90 pour des sols cultivés,
peu drainants ou partiellement végétalisés, et de 30 pour des sols couverts de végétation et plus drainants.
Figure 3.39 –Attribution des valeurs de Curve Number moyen sur les différents bassins versants de la Base Nationale des Bassins Versants du SCHAPI
Les avantages et les limites de la méthode SCS-CN ont fait l’objet de plusieurs articles (Ponce and Hawkins,1996,Michel et al., 2005). L’un des avantages de la méthode est qu’elle se base sur un paramètre, le Curve Number. L’un des inconvénients du modèle SCS est qu’il est plus adapté aux cours d’eau pour lesquels le débit de base est négligeable ou à la simulation de crues significatives. Certains ouvrages proposent des estimations des valeurs du Curve Number en fonction de la nature des sols, de leur couverture et de l’antériorité pluviométrique. Ces valeurs ne sont cependant à considérer que comme des premières estimations. Le CN est avant tout à considérer comme un paramètre de calage dans le modèle Cinecar.
Le transfert de la pluie efficace, au sein des versants puis de bief en bief, est assuré par le modèle de l’onde cinématique. Ces écoulements sont exprimés par une valeur de débit (m3/s) à chaque pas de temps "t". Pour les biefs situés les plus à l’aval et dont la pente est inférieure à 5‰, le modèle de l’onde cinématique peut être remplacé par celui de l’onde diffusive de façon à mieux reproduire l’effet de laminage des ondes de crue. Le laminage est assimilable à un effet de stockage temporaire de l’eau (lit majeur, barrage, . . . ) qui entraîne une diminution du débit de pointe et un étalement dans le temps de l’hydrogramme.
3.4.2 Découpage et application du modèle sur le territoire d’étude
Afin d’utiliser le modèle Cinecar, il est nécessaire de réaliser un découpage en biefs et en versants du bassin versant à étudier. Cette étape peut être réalisée à partir d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT) et par l’utilisation des outils de traitements d’un logiciel de Système d’Information Géographique (SIG). Ce type de découpage a déjà été mené sur le territoire d’étude (Naulin,2012) ; il a été renouvelé dans le cadre de la thèse de façon à obtenir une représentation du réseau hydrographique cohérente avec la Base Nationale des Bassins Versants du SCHAPI (Cf figure 3.18). De plus, le découpage élaboré est cohérent avec les contraintes de modélisation existantes pour les crues-éclair citées par Defrance(2014). Ce travail de découpage a permis d’obtenir l’ensemble des informations nécessaires au para-métrage de la fonction de transfert dont la pente moyenne et la longueur des biefs, et la pente, la longueur et la largeur des versants. Le paramétrage de la fonction de production, le Curve Number de chaque versant, ont également été définis à partir des données d’occupation et de la nature des sols (Cf. §3.2.3), en reprenant la méthode de Naulin (2012) qui s’est avérée satisfaisante dans le cas du Gard.
3.4.3 Validation du modèle
La simulation des débits par modélisation pluie-débit est inévitablement entachée d’in-certitudes, tout particulièrement liées au choix du CN (Rozalis et al.,2010), aux incertitudes d’estimation des pluies. Des tests de validation permettant d’évaluer la qualité des simula-tions s’avèrent donc indispensables. En général, on cherche à qualifier globalement le niveau des incertitudes liées au modèle, voire même parfois la distribution statistique des erreurs. Des critères d’évaluation globaux, comme le critère de Nash (3.1), sont souvent utilisés pour comparer les résultats de la simulation aux observations.
Critère de Nash = 1 − Pni=1(Qobs,i− Qsim,i)2 Pn
i=1(Qobs,i− Qobs)2 (3.1) où Qobs est le vecteur des débits observés et Qsim le vecteur des débits simulés. La valeur du critère de Nash est comprise entre "−∞" et "1", cette dernière étant la valeur optimale (Moriasi et al., 2007). Pour ce qui concerne le modèle Cinecar, des tests de validation ont été conduits parNaulin(2012), pour 10 événements et à l’échelle du département du Gard. Outre l’évaluation absolue des performances de modèle à partir du critère de Nash, les résultats ob-tenus ont été comparés avec ceux produits par le modèle GR4J spécifiquement calé sur les bassins versants test (figure 3.40), modèle conceptuel similaire à celui utilisé par la méthode AIGA (Cf. §2.1.2). Le modèle GR4J est un modèle conceptuel global très couramment utilisé en hydrologie. Il nécessite un jeu de données relativement lourd (plusieurs années d’enregis-trements) pour l’estimation de ses paramètres (calage), et ne peut donc être appliqué que sur des bassins instrumentés. Les résultats montrent que la performance du modèle Cinecar est assez proche de celle de GR4. Une comparaison plus détaillée montre que le modèle Cinecar s’avère plus performant pour les fortes crues, et moins performant pour les faibles crues.
Figure 3.40 – Comparaison des valeurs de Nash calculées pour 10 événements par le modèle Cinecar et GR4J au niveau de la commune d’Anduze. La partie supérieure de la figure décrit les débits de pointe observés de ces événements, d’après Naulin (2012)