Modèles distribués 83

MIKE-SHE (MIKE - Système Hydrologique Européen)

MIKE-SHE est le modèle dérivé du système hydrologique européen, SHE, développé par l‘Institut Hydraulique Danois, SOGREAH (France) et l‘Institut d‘Hydrologie (RU). Modèle hydrologique distribué à base physique, il a été mis en place afin d'étudier l‘évolution de la ressource en eau et les problèmes environnementaux.

Le modèle MIKE-SHE permet une modélisation aussi bien sur du long terme que sur des pas de temps fins (événementiel) et se décompose en deux fonctions : la fonction de production qui utilise des données météorologiques et des paramètres de végétation afin de simuler l‘évapotranspiration, l‘infiltration et la pluie nette. La fonction de transfert qui décrit le cheminement de l‘eau de surface, est basée sur les équations de continuité ou de saint Venant (ruissellement diffus ou concentré) en s‘appuyant sur la topographie, la forme de chenaux et les paramètres de résistance au flux. La hauteur d‘eau susceptible de s‘écouler est définie en fonction de la pluie nette et de la part d‘eau évapotranspirée et infiltrée (Company 1995).

Ce modèle a été largement utilisé sous des régimes hydrologiques et climatiques variés (McMichael et al. 2006) et principalement pour les zones humide telles que l'Angleterre (Thompson et al. 2004) ou le nord de la Chine soumis à la mousson continentale (Zhang et al. 2008). Pour le projet ALMIP, MIKE- SHE a été appliqué en zone semi-aride sahélienne (Boone et al. 2009). McMichael et al. (2006) ont

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également appliqué une version modifiée du modèle MIKE-SHE (MIKE_m) en région semi-aride de Californie, version plus souple en ce qui concerne les données de forçage.

ANSWERS (Areal Nonpoint Source Watershed Environmental Response Simulation)

Modèle développé par Beasley et al (1980) à l‘université de Purdue, Indiana, ANSWERS est un modèle distribué et événementiel conçu pour simuler la variabilité spatiale des écoulements, de l‘infiltration, du drainage souterrain et de l‘érosion. Le modèle comporte deux composantes principales : un module de réponse hydrologique du bassin et un module d‘érosion du sol. Pour cela, il a notamment besoin d‘un modèle numérique de terrain à haute résolution, de la pluie, du type de sol et de la couverture végétale.

ANSWERS travaille spatialement en mailles carrées, chacune définie par des caractéristiques hydrologiques et géométriques uniformes (pente, capacité d‘infiltration, porosité, rugosité, teneur en eau, couverture végétale etc.).

L‘infiltration est définie en chaque point en fonction des caractéristiques du sol et des conditions d‘humidité de ce dernier. Concernant le ruissellement, ANSWERS, utilise les équations de continuité pour le routage de l‘écoulement Hortonien en fonction de la pente, du coefficient de rugosité, de l‘interception et de la capacité de rétention du sol. Toutefois, il n‘inclut pas les écoulements latéraux. Adapté à des sites peu instrumentés, ANSWERS a été utilisé sur de nombreuses zones aride à semi- arides tel qu‘en Afrique de l‘Ouest (Sénégal; Perez et al., 1997), en Australie (Connolly & Silburn 1995), en Inde (Beasley et al. 1980) ou encore en Argentine (Migliaccio & Srivastava 2007). Préférentiellement, il est utilisé pour analyser l‘impact de l‘activité agricole sur l‘hydrologie et sur la qualité des eaux souterraines.

DiCaSM (Distributed Catchment Scale Model)

Modèle distribué à base physique, DiCasSM a été développé afin d‘estimer le bilan hydrique d‘un bassin versant en tenant compte de l‘impact de la variabilité climatique et d 'usage des terres sur les flux d‘eau (Bromley et al. 1997; Ragab & Bromley 2010).

L‘avantage de ce modèle est la flexibilité dans ses exigences de données de forçage grâce à une base de données intégrée qui définie des valeurs par défaut des paramètres inconnus, et grâce à des fonctions de pédotransfert qui permettent de générer les paramètres hydrauliques du sol qui manquent. Son approche distribuée, lui permet de travailler à des échelles variables pour des grilles carrées de 1km par défaut. Il traite les paramètres d‘entrée à l‘échelle de la sous maille se qui lui permet de travailler sur des bassins hétérogènes. Le modèle DiCaSM permet de calculer au pas de temps journalier, les composantes du bilan hydrique (évapotranspiration, interception, ruissellement, infiltration) y compris du sol, l'humidité, les flux des cours d'eau et la recharge des nappes pour chaque maille (Ragab & Bromley 2010). La mise en place du ruissellement de surface se fait aussi bien par sursaturation du sol que par ruissellement Hortonien.

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POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental an socio-

economic Responses)

POWER (Reggiani et al. 1998) est un modèle continu, semi distribué et à base physique.

Le modèle s‘appuie sur une discrétisation du bassin versant en sous bassins élémentaires obtenus grâce à l‘analyse d‘un MNT et du réseau hydrographique qui en découle. Ces sous bassins sont considérés comme hydrologiquement homogène. Il permet de modéliser à des pas de temps horaires à sous horaires, les différentes composantes du bilan d‘eau (interception, infiltration, humidité du sol, évapotranspiration, écoulements de surface et souterrain). Pour cela, le modèle nécessite des séries de pluie et d‘évapotranspiration potentielle, mais également des informations sur les propriétés hydrauliques du sol, l‘occupation du sol ou encore la végétation. La fonction d‘écoulement peut traiter aussi bien les écoulements de type Hortonien que des écoulements par saturation du sol.

Après validation sur un bassin semi-aride d'Arizona (Reggiani et al. 1998), une première version du modèle a été appliqué sur le bassin de la Donga (Bénin) où il a donné des résultats encourageants (Braud et al. 2001).

STREAM (Sealing and Transfert by Runoff an Erosion taking into account Agriculture

Management)

Le modèle STREAM a été mis en place par l‘institut national de recherche agronomique (INRA), afin d‘étudier les phénomènes d‘érosion et de ruissellement Hortonien sur les sols limoneux agricoles. Le modèle s‘appui sur les mécanismes élémentaires du ruissellement, à savoir : le couvert végétal, la rugosité et le facies structural (Desprats et al. 2003) pour des sorties à une échelle parcellaire (5-10 m²) ou à l‘échelle du bassin au pas de temps journalier. Le modèle est structuré en quatre modules : 1) la pluie, 2) les antécédents pluvieux, 3) l‘occupation du sol, définie par le facies (croute de battance), la rugosité du sol et la couverture végétale, et 4) le type de sol. Cette structuration associé aux paramètres du réseau de circulation (pente, sens de labour des sols, motifs agraires) permet de partitionner les eaux entre ruissellement et infiltration (King et al. 2005). Par ailleurs, le modèle est incorporé dans un SIG afin de tenir compte de la variabilité spatiale des processus d'érosion et de ruissellement.

Calé et validé en Normandie, il n'a été utilisé que sur des bassins versant Français (Cerdan et al. 2002; Souchere et al. 2001)

CASC2D (CASCade of planes in 2-Dimensions)

Modèle distribué à base physique, CASC2D a été développé pour simuler la réponse hydrologique de petits bassins versants caractérisés par une distribution des pluies variable dans le temps et l'espace.

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Les composantes majeures en sortie du modèle CASC2D sont la distribution des pluies, l'interception, l'infiltration et le ruissellement. Modèle 2D, il subdivise le bassin en grilles (30-300m) afin de tenir compte de l'hétérogénéité spatiale des caractéristiques du bassin (pente, rugosité, conductivité hydraulique, pression capillaire etc.). Le ruissellement par sursaturation du sol ou par dépassement de la capacité d'infiltration est résolu numériquement par la technique des différences finies (Molnar & Julien 2000). Les précipitations non interceptées par la végétation sont soumises à la rétention de surface et à l‘infiltration.

Modèle développé pour les bassins arides et semi-arides dominés par un ruissellement de type Hortonien, le modèle CASC2D a été appliqué avec succès sur des bassins versants du Colorado (Downer et al. 2002; Molnar & Julien 2000), en milieu semi-aride, dont la superficie était inférieure à 50 km² (Molnar & Julien 2000; Ogden & Julien 1993). Le couplage avec l'interface graphique WMS (Watershed Modeling System) a par ailleurs permis de simplifier la mise en place des données de forçage nécessaire au modèle.

PRMS (Precipitation Runoff Modelling System)

PRMS (Leavesley et al. 1983) est un modèle pluie-débit déterministe et distribué développé par l‘ US Geological Survey (USGC) (USGS; 1983) afin d‘évaluer les impacts des précipitations, du climat et du changement d‘occupation du sol sur les écoulements et le transport des sédiments d'un bassin versant.

Le modèle travaille au pas de temps journalier et subdivise le bassin en HRU d‘une superficie moyenne de 40m², pour lesquelles la physiographie (pente, altitude), la couverture végétale, le type de sol (deux couches) et la distribution des pluies doivent être renseignés. Chaque composante majeure du cycle hydrologique est exprimée par des lois physiques ou des relations empiriques utilisant les caractéristiques du bassin versant. Le ruissellement est résolu par l'approximation de l'onde cinématique, fonction des propriétés du sol et de la pluie. Les données d'entrées nécessaires sont les précipitations journalières, la température maximale et minimale quotidienne de l'air, le rayonnement solaire tous les jours et les débits par jour (pour l'étalonnage).

Peu utilisé jusqu'à présent, la seule application répertoriée a été effectuée sur un bassin à Chypre (Mazi et al. 2004).

DHSVM (Distributed Hydrology Soils and Vegetation Model)

Modèle hydrologique couplé à un SVAT, DHSVM (Wigmosta et al. 1994) est un modèle distribué développé par l‘université de Washington permettant la représentation des écoulements de surface et de sub-surface.

Ce modèle est généralement appliqué pour des larges échelles spatiales (de 100 à 200000 km²) et pour des pas de temps fins (journaliers ou horaires). DHSVM subdivise le bassin en cellules uniformes afin de prendre en compte la variabilité spatiale des caractéristiques physiques du bassin. Pour chaque cellule, l‘occupation du sol et le type de sol doivent être renseignés. Le modèle représente

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Ce modèle est principalement appliqué en région montagneuse, mais a également été appliqué sur quelques bassins semi-arides en Chine (Zhao et al. 2009) et plus récemment sur un bassin tropical au Bénin (Gascon et al. 2015; Leroux et al. 2016)

MARINE (Modélisation de l’Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des

évéNements Extrêmes)

MARINE est un modèle distribué et à base physique dédié à la prévision des crues éclairs sur de petits bassins versants (quelques centaines de km²; Estupina Borrell, 2004) développé au sein de l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT).

Son approche distribuée permet de mieux représenter l'hétérogénéité de la pluie ainsi que celle du bassin versant pour des sorties au pas de temps journalier. Les données requises sont les suivantes : modèle numérique de terrain, occupation et nature du sol et précipitations (provenant du RADAR météorologique). Les paramètres d'infiltration ainsi que les coefficients de rugosité sont évalués à partir de la nature du sol et de l'occupation du sol respectivement. Le ruissellement est généré par dépassement de la capacité d‘infiltration (Horton) étant donné le caractère généralement prépondérant de ce processus en condition de crues. Dans MARINE, seule l‘infiltration dans la zone non-saturée est prise en compte, les processus d‘interception et d‘évapotranspiration sont supposés négligeables. Son application est spécialement dédiée aux crues éclairs typiques du sud de la France (Estupina Borrell et al. 2005; Bessière et al. 2008).

KINEROS-2 (KINematic runoff and EROSion - 2)

KINEROS2 (Smith et al. 1995; Semmens et al. 2008; Goodrich et al. 2011a) est un modèle événementiel, distribué et à base physique permettant de simuler et de décrire les processus d‘interception de la pluie par la canopée, d‘infiltration, de ruissellement de surface et d‘érosion sur des petits bassins versants.

KINEROS 2 est la seconde génération de la version initiale de KINEROS (Woolhiser et al. 1990). Le bassin versant réel est schématisé par une cascade de plans et de chenaux en fonction de la morpho- pédologie du bassin. Le passage entre le bassin réel et le bassin schématisé conserve le plus possible dans un premier temps, les caractéristiques géométriques du terrain et dans un second temps, l'homogénéité des caractéristiques hydrodynamiques de chaque plan (pente, porosité, rugosité, conductivité hydraulique à saturation, couverture végétale etc.).

Les équations qui décrivent le ruissellement sur les plans et son transfert dans les chenaux, l‘érosion et le transport des solides sont résolues par la technique des différences finies. Les différents processus tiennent compte de la variabilité spatiale de la pluie, de l‘infiltration et des paramètres d‘érosion.

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Applicable pour des précipitations de forte intensité et de courte durée, la modèle a la capacité de simuler aussi bien des écoulements par dépassement de la capacité d‘infiltration (Horton) que des écoulements par saturation du sol (Dunne) au travers d‘un profil de sol à deux couches.

Ce modèle a été conçu pour satisfaire les conditions hydrologiques particulières des milieux arides à semi-arides. Il a par conséquent été largement utilisé au Mexique (San Pedro) et en Arizona où il est développé et validé (Woolhiser & Goodrich 1988; Hernandez et al. 2005; Kepner et al. 2008; Miller et al. 2002). Il a par ailleurs été appliqué en méditerranée (Mansouri et al. 2001) ainsi qu'en Afrique où la Tunisie (Lajili-Ghezal 2004; Maktar et al. 2008; Afef 2014) et le Burkina-Faso ont été privilégiés (Karambiri & Ribolzi 2005; Karambiri 2003).

Le Tableau 2 permet de comparer les différents modèles hydrologiques que nous avons identifiés et décrits précédemment, en fonction des critères et des objectifs que nous nous sommes fixés pour cette étude (Chapitre 2, section II.2.2). Pour les résumer, le modèle doit pouvoir traiter le bassin versant en HRU, tenir compte de la variabilité spatiale des propriétés du sol et du couvert, faire du ruissellement Hortonien, tenir compte des précipitations intenses et courtes et enfin avoir un accès libre à son code source. Une expérience préalable en zone semi-aride (ZSA) est souhaitée également.

Modèles Horton Sub-Horaire HRU Sol et Couvert Utilisé en ZSA Accès au code

ORCHIDEE X X X ISBA-TRIP X* X X X X GR2M X X WBM X X IBIS X X X SWAT X X X X X VIC X* X X X TOPMODEL X X X ABC-rwf X X X X X X WASA X X X X X MIKE-SHE X X X X X* ANSWERS X X X DiCaSM X X X X POWER X X X X X X STREAM X X CASCA2D X X X X X PRMS X X* X X X DHSVM (X) X X X MARINE X X X KINEROS-2 X X X X X X

Tableau 2: Comparaison des modèles selon les critères de sélection, fonctions des objectifs et du contexte de l'étude.*Implémentation par des utilisateurs d'un nouveau module sur la version originale pour tenter de répondre à de nouvelles contraintes.

- 89 - données disponibles sont peu nombreuses.

Le modèle ABC-rwf impose une pente minimale de 5 % pour chacune de ses unités, ce qui en fait un choix inadéquat pour cette étude. Concernant le modèle POWER, celui-ci est particulièrement demandeur en données d‘entrées telles que des séries d‘évapotranspiration ou encore des informations sur les propriétés hydrauliques des différents types de sol. Si le modèle KINEROS-2 est aussi exigeant, il est plus flexible grâce à son interface SIG qui permet de déduire toutes ces informations à partir de cartes de typologie des sols et de couvert associées à des abaques issues de la littérature et de l'expérimentation.

En fonction de tous les critères énumérés ici, le modèle KINEROS-2 semble le plus adéquat pour répondre aux exigences fixées pour cette étude et a été par conséquent appliqué au bassin d'Agoufou.

Dans le document Modélisation de l'évolution paradoxale de l'hydrologie sahélienne : application au bassin d'Agoufou (Mali) (Page 83-89)