3.1.1 Le choix de travailler sur 11 bassins versants
Un bassin Historiquement, la plupart des études hydrologiques sont menées sur un, voire par- fois deux bassins versants. Ceci correspond en partie à la limite de nos connaissances : lors d’une unique étude, il est difficile de développer une bonne connaissance sur plusieurs bassins versants. Cela correspond également à la limite des instrumentations : pour résoudre un problème donné, dans une région donnée, très souvent, peu de bassins sont suffisamment instrumentés pour per- mettre des études et finalement, le choix est très limité. Cette démarche, d’une hydrologie ap- pliquée au cas particulier d’un bassin versant donné, est très courante mais est parfois critiquée, notamment parce qu’une étude sur un cas particulier rend difficile à justifier toute généralisation sur les comportements des bassins, sur l’efficacité des modèles. Les questions qui se posent alors sont les suivantes : les conclusions ne seront-elles pas différentes sur un autre bassin ? et sous des conditions climatiques différentes ?
Des bassins Pour palier cette difficulté, une attitude possible est de travailler sur un grand nombre de bassins. Cette démarche est adoptée notamment par Xu & Vandewiele (1995), Perrin et al.(2001), Mathevet (2005) ou par le programme de recherche international MOPEX (Schaake et al.(2006)). Il est alors possible de tirer des conclusions plus généralisables, même si le choix des éléments composants l’échantillon peut parfois orienter les résultats (Oudin, 2004). De plus, à l’opposé des travaux sur un bassin unique, ce type d’approche sur un nombre important de bassins ne permet pas d’exploiter ou d’obtenir une connaissance approfondie des bassins versants.
Un compromis : quelques bassins Bien sûr, les hydrologues aimeraient pouvoir généraliser à un ensemble de situations, des conclusions sur le fonctionnement des bassins, sur les outils de modélisation ou même sur les observations directes. Mais, de façon très pragmatique, on n’est confronté réellement - et de manière approfondie - qu’à un très petit nombre de bassins versants. Ainsi, un compromis semble pouvoir être exploré entre le potentiel de connaissance et le potentiel de généralisation. Cette étude propose donc une solution intermédiaire entre les situations pré- cédentes : il s’agit ici de travailler sur onze bassins versants. Ceux-ci ont la particularité d’être proches ou emboîtés, ce qui permet de les appréhender dans leur ensemble, comme ce serait le cas pour une étude traditionnelle sur un seul grand bassin. L’intérêt de ce jeu de 11 bassins est que cela permet, sur une même région d’étudier des bassins de tailles variées (20 à 3 200 km2), et soumis à des conditions climatiques variables.
3.1.2 Origine des données disponibles
3.1.2.1 Les réseaux à l’origine de ces données
Les données sont fournies par différents organismes. La principale source de données est le réseau CRISTAL1(Moulin & Thepot, 1999) appartenant à la DIREN Centre et à l’Etablissement Public
Loire (EPLoire). Il fournit des données de débit pour quatre (en 1977)1à neuf stations limnimé- triques (à partir de 1998) ; des données de pluies pour 6 (en 1977) à 25 postes pluviographiques (en 2003) ; des données de températures quotidiennes (Tmin, Tmoy, Tmax) pour 2 (en 1977) à 7 stations (à partir de 1992). Le réseau de Météo France a permis de compléter la base de données de précipitations par 11 pluviographes horaires sur une période de 10 ans (1994-2003) et par 25 pluviomètres journaliers (1954-2004). Enfin, EDF-DTG a fourni sur une période de 20 ans, les données suivantes : deux séries de mesures de débit sur des petits bassins versants non influencés et des séries de précipitations horaires en trois stations de mesures. Parmi ces données, seules les données CRISTAL sont disponibles en temps réel pour le service de prévision des crues (SPC).
3.1.2.2 État du jeu de données initial et apports de ce travail
Les données issues du travail de doctorat de Grelat (2002) Au début de cette recherche étaient disponibles des données archivées par le centre de gestion de crues et des étiages (Di- ren Centre / EPLoire). Ces données sont stockées sous forme papier ou numérique mais ne sont pas toujours contrôlées, vérifiées, critiquées. Néanmoins, sur les bassins de la Loire amont, le tra- vail de doctorat de Grelat (2002) a permis de consacrer un effort important à améliorer ce jeu de données : dépouillement de données papier pluviométriques au pas de temps bi-horaire entre 1977 et mai 1995 ; critique générale de la qualité des données pour sept des neuf postes limnimétriques et 14 des 25 postes pluviographiques du réseau CRISTAL.
Le travail complémentaire réalisé Nous avons donc bénéficié de ce travail très important qui a été réalisé sur les données. Néanmoins, l’effort qui y a été consacré s’est finalement davantage centré sur les données pouvant intéresser un des bassins (le Lignon au Chambon sur Lignon) sur lequel a finalement porté cette thèse. Il nous a donc été nécessaire de consacrer, à notre tour, du temps et de l’énergie à compléter et à critiquer ce jeu de données.
Ce jeu de données a tout d’abord été complété au niveau de la période d’étude passant de juin 1999 à décembre 2003. Ceci a permis d’intégrer deux stations limnimétriques supplémentaires (la Loire à Coubon et la Gagne aux Pandraux). Neuf stations pluviographiques mises en service au cours du travail de doctorat de Grelat (2002) ont également été ajoutées à notre jeu de données. Suite aux difficultés liées à l’information pluviographique rencontrées par Grelat (2002), par Valdes (2002) sur les bassins du Lignon et de la Gazeille et par les participants au projet RIO2 (2004) sur différents bassins de la Loire amont, nous avons également choisi de renforcer ce jeu de données opérationnelles par des stations pluviographiques supplémentaires et des séries de données critiquées : onze pluviographes horaires de Météo France ont été ajoutés.
Enfin, ce jeu de données a été complété par l’ajout de deux bassins particulièrement intéressants et de trois postes pluviographiques issus des données d’EDF-DTG.
3.1.3 Les données météorologiques
3.1.3.1 Les données de précipitation
La quantité d’eau précipitée peut être mesurée ponctuellement à partir de pluviographes et de pluviomètres2. Cette information peut être complétée par des données radar, plus qualitatives,
1. En réalité le réseau CRISTAL1 ne débute qu’en 1984. Avant, il s’agit de dépouillements papiers. Pour simplifier, cette période 1977-1983 a été assimilée à celle qui a suivi.
2. Les pluviographes permettent un enregistrement continu des précipitations et donc des données horaires peuvent en être extraites. Les pluviomètres ne sont relevés qu’une fois par jour par un observateur humain, déterminant ainsi la résolution temporelle minimale des données (résolution journalière).
fournissant des informations sur la dynamique de l’événement orageux et sur sa répartition spa- tiale.
Le réseau de mesure au sol Sur le bassin de la Loire supérieure, il existe plusieurs types de réseaux sol. Un réseau « climatologique » appartenant à Météo France est constitué de pluvio- mètres relevés chaque jour à 6h TU1 par des observateurs et transmis en temps différé. Un autre réseau appartenant à Météo France est constitué de pluviographes interrogeables à distance et dont les mesures sont enregistrées automatiquement à pas de temps fixe. Le réseau opérationnel CRISTAL22, utilisé par la DIREN CENTRE et l’EPLoire, a progressivement été mis en place au cours des années 1980-2000 afin d’obtenir un réseau de pluviographes cohérent et interrogeable en temps réel. Un second réseau opérationnel existe sur ces bassins : celui d’EDF, interrogeable en temps réel, mais non accessible pour l’instant aux services de prévisions des crues extérieurs à EDF. Des informations sur les stations de mesures sont données en annexe A.3.2.1 dans les tableaux TAB.A.2, TAB.A.3 et TAB.A.4 (pages 350 à 351).
Comme cela avait été le cas pour le projet du programme RIO2 (2004), la faible densité3 des postes du réseau CRISTAL et la forte variabilité des pluies sur ces bassins apparaissent comme un potentiel obstacle à une bonne simulation puis à une bonne prévision des débits. Les partici- pants de RIO2 (2004) avaient également cité les problèmes liés aux données opérationnelles (pas de temps de 2 heures, incohérence parfois avec des pluies du réseau horaire de Météo France) et pour l’ensemble de ces raisons, avaient décidé de n’utiliser que les pluies horaires du réseau pluviographique Météo France.
Dans la présente étude, un choix intermédiaire a été réalisé en décidant de conserver les données du réseau CRISTAL mais en les complétant par d’autres sources de données. Utiliser les don- nées CRISTAL permet notamment d’utiliser des données issues d’un mode de fonctionnement opérationnel. De plus, ce sont les seules données actuellement disponibles en temps réel pour le service de prévision des crues sur ces bassins (SPC Loire-Cher-Indre). Utiliser l’ensemble des stations de mesure de précipitations (i.e. en ajoutant les données disponibles, issues des réseaux Météo France et EDF) permet d’avoir le maximum d’information sur les lames d’eau. Malgré ce choix, au cours des premières années, le réseau est très lâche : en 1977, seuls 6 postes (CRIS- TAL) mesurant la pluie à des pas de temps infra-journaliers sont disponibles sur le bassin de la Loire à Bas-en-Basset. Au final, en 2002, 40 postes pluviographiques sont utilisés4. L’évolution
du nombre de postes montre qu’à partir d’environ 1995, la densité moyenne des postes horaires, devient suffisante pour bien représenter les pluies horaires5.
La question des données radar
« For a small basin, the use of real-time radar data in a hydrological model is very effective, because the river response time is of order 1-3h. »Sun et al. (2000)
Cette remarque de Sun et al. (2000) reflète l’enthousiasme qui a permis le développement de cette technologie : les petits bassins versants ayant de très courts temps de réponse sont un exemple de
1. TU : temps universel.
2. Faisant suite au réseau CRISTAL1.
3. Un effort important ayant été réalisé sur le renforcement du réseau pluviographique, cette densité n’est en fait pas si faible depuis quelques années (1 poste pluviographique pour 130 km2). Néanmoins, l’amélioration de ce réseau est relativement récente et ne concerne donc pas les épisodes plus anciens. De plus, les événements pluvieux sont, comme cela va être vu, très variables dans l’espace ce qui rend nécessaire une densité plus élevée de pluviographes pour bien capter les précipitations.
4. Pour information, on peut noter que Dacharry (1974) compte que pour la Loire à Bas-en-Basset, en 1974, on dispose de 1 pluviomètre (journalier) pour 85 km2, soit 39 pluviomètres (journaliers) pour 3230 km2.
A
St Jeures
Montfaucon en Velay
Le Puy Chadrac
Mortessagne
Fay sur Lignon Machabert Bas en Basset Monastier La Chaise Dieu Cayres St Genest Malifaux Lac d'Issarlès Naussac barrage Langogne 2 Lanarce Pas de Riot Viverols Valcivières Rogleton Tence St-Paulien St-Julien Chapteuil St-Maurice de Lignon St-Agrève Tiranges Chomelix Allegre
Le Bouchet St Nicolas Alleyrac
St-Pal de Chalençon Issanlas St-Paul de Tartras Mazan l'Abbaye Chambon Vaubarlet Chadrac Espaly Pandraux Coubon Besseyre Goudet Cros de Géorand Rieutord Sainte Eulalie Mazet St Voy Le Pertuis Yssingeaux Chaspuzac Monistrol / Loire Fix St Geneys Félines Les Estables Landos Radar de Sembadel
Données pluviométriques Météo-France Données pluviographiques Météo-France Données pluviographiques EDF Réseau CRISTAL pluviographique Données Hydrométriques 30 20 10 0 Kilometres
FIG. 3.1 – Carte des stations de mesures de la pluie au sol. Les postes pluviographiques sont les postes permettant de suivre en continu la pluviométrie (augets basculeurs et enregistrement papier ou électronique), les postes pluviométriques sont des réceptacles dont la hauteur de pluie contenue est relevée tous les jours par un observateur.
1980 1985 1990 1995 2000 0 10 20 30 40 Temps Nombre de pluviographes
FIG. 3.2 – Évolution du nombre de pluviographes disponibles pour cette étude sur le bassin de la Loire à Bas-en-Basset de 1977 à 2003. Un ordre de grandeur de la densité moyenne minimale pour réprésenter les pluies horaires a été représenté par un trait continu (en rouge) – c’est le nombre de postes minimal pour permettre de capter ou d’expliquer un peu plus d’un tiers de la variance ponctuelle du champ pluvieux horaire.
cas pour lequel l’utilisation du radar serait très profitable, l’extrapolation du déplacement des cel- lules permettant en théorie de prévoir à très court terme les précipitations futures (à venir dans les prochaines heures). Un autre domaine de valorisation de l’information radar pour l’hydrologie est la connaissance spatiale des champs de précipitations. Si en théorie l’utilisation de données radar semble donc particulièrement intéressante pour la prévision opérationnelle des crues, néanmoins la réalité a fait apparaître des limitations à cette utilisation, tant dans la connaissance quantitative des précipitations déjà observées que dans le domaine de la prévision à très court terme des pré- cipitations (Garçon, 2002). Le radar reste donc un outil au potentiel important qui, pour l’instant, est essentiellement exploré dans des travaux de recherche ; son utilisation en opérationnel restant davantage limitée au suivi qualitatif des systèmes précipitants : formation et développement des dépressions, vitesse et direction des fronts, etc.
De plus, dans le cas particulier de la zone d’étude de la Loire amont, l’expérience montre que le radar disponible, celui de Sembadel, reste d’un apport modéré1. D’après divers interlocuteurs, le radar de Sembadel semble être peu efficace pour la zone d’étude considérée. Et ce, pour plusieurs raisons2. La première est que le radar a été implanté (FIG.3.1) en limite des bassins de la Loire
amont et de l’Allier amont – entre la Chaise-Dieu et Sembadel-Gare – permettant ainsi d’observer en théorie les précipitations touchant ces deux bassins : la difficulté qui apparaît est que le radar se trouve ainsi très éloigné de la zone située au sud-est (Monts du Vivarais) où les précipitations les plus intenses et les plus violentes sont généralement observées. De plus, comme il est situé sur
1. cf. retours d’expérience RHEA sur les dernières crues. Se référer également, pour la crue de novembre 2002, au rapport du SAC43 : « Calamar a fourni des images erronées jusqu’à après le maximum de la crue (absence de pluie sur le sud du département) ».
2. En plus des défauts habituellement relevés lors de l’utilisation de données radar : masques, échos fixes, atténua- tion avec la distance ou par des précipitations intenses, bande brillante, défauts liés à l’électronique, hétérogénéités verticales des caractéristiques de la pluie, etc.
une crête en limite de ces deux bassins, le radar se trouve déjà lui-même à une altitude importante (1108 m), rendant difficile l’observation des précipitations pouvant affecter le bassin. Enfin, il a été implanté à proximité d’une zone boisée (zone des Rivaudelles) dont les arbres ont poussé et masquent une grande partie de la moitié basse du faisceau (75% dans certaines zones (Grelat, 2002)). Pour éviter les cîmes des arbres, l’angle de site du radar doit donc être surélevé et celui-ci vise ainsi souvent dans la bande brillante1. Ainsi, si l’utilité du radar semble a prioriévidente dès que l’on parle de prévision des crues rapides, la question de l’utilisation quantitative des données issues du radar se pose donc – de manière générale au prévisionniste ; et encore un peu plus, au prévisionniste situé sur la Loire amont et devant utilisé le radar de Sembadel.
Exemple de problèmes constatés dans les données Pour chaque événement pluviométrique important, les cumuls de pluies ont été tracés. Puis quatre zones ont été définies permettant de mieux visualiser la répartition spatiale et temporelle de l’événement. Ces zones correspondent à peu près à :
– L.Sup : le bassin de la Loire à Goudet (sud du bassin de la Loire à Bas-en-Basset)
– L.Hte : le bassin de la Loire à Chadrac moins le bassin de la Borne (centre du bassin de la Loire à Bas-en-Basset)
– L.moy : les bassins de la Borne, de l’Arzon, de l’Ance, et le bassin aval de la Loire (ouest et nord du bassin de la Loire à Bas-en-Basset)
– Lignon : le bassin du Lignon en entier (est du bassin de la Loire à Bas-en-Basset)
Les pluies ponctuelles cumulées et les pluies moyennes par zone cumulées sont ensuite tracées (FIG.3.3). Cet exemple illustre que le fait de tracer les pluies cumulées peut permettre à la fois de détecter des problèmes sur un poste donné, mais en même temps d’apprécier la répartition spatiale et temporelle de l’événement pluvieux – vu à travers les données. Ces figures ont donc été tracées et analysées pour l’ensemble des événements pluie-débit intéressants.
3.1.3.2 Les données d’évapotranspiration
L’évapotranspiration potentielle (ETP) peut être estimée à partir de différentes formules. En ce qui concerne la prévision des crues, l’ETP n’a un rôle que pour l’estimation de l’état d’humidité initial du bassin et aura ensuite peu d’impact sur le déroulement de la crue. De plus, la thèse de Oudin (2004) a montré au pas de temps journalier la très faible sensibilité des modèles hydrologiques pluie-débit à la formule d’estimation de l’ETP. Cette thèse a également montré que l’utilisation d’une ETP à partir de valeurs décadaires interannuelles est satisfaisante. Nous avons donc utilisé une solution perfectible consistant à un calcul de l’ETP horaire selon une formule de Penman et à partir des valeurs décadaires interannuelles à la station météorologique du Puy-en-Velay (les autres stations environnantes étant celles de Clermont-Ferrand, Millau, Montélimar, Nîmes, Ta- rare, Vichy). Cette solution peut très probablement être améliorée, cependant, les résultats obtenus sont assez proches de ceux obtenus à l’aide d’autres techniques (cf. annexe A.3.3.1 page 379).
1. Zone constituée de neige ou de neige fondue, dont la température est inférieure à 0◦C et donc la réflectivité est très forte.
0 50 100 150 0 50 100 150 200 250 19930921 heures Cumul en mm K010991 K011991 K040991 K055991 K204991 K226991 K025991 EDF3009P EDF3018P K010002 K021991 K201082 K207082 EDF3002P 0 50 100 150 0 50 100 150 200 250 19930921 heures Cumul en mm K010991 K011991 K040991 K055991 K204991 K226991 K025991 EDF3009P EDF3018P K010002 K021991 K201082 K207082 EDF3002P L.Sup L.Hte L.Moy Lignon
FIG. 3.3 – Événement de septembre 1993 : à gauche, pluies ponctuelles cumulées ; à droite : pluies ponc- tuelles cumulées et pluies par zones cumulées. Dans ce cas précis, les stations K010002 (Gou- det) et K201082 (Rogleton) ont des données suspectes. Les moyennes par zone indiquent que les cummuls les plus importants ont touché la partie des bassins les plus au sud (LSup) et que les bassins situés au nord-ouest (Lmoy) ont été beaucoup moins touchés. Il est également possible d’observer (entre 40 et 60 heures) qu’au début de l’événement le bassin du Lignon a moins été touché que le zone située au nord-est, alors que la tendance s’inverse ensuite.
3.1.4 Les données hydrométriques
3.1.4.1 Le réseau
Il existe plusieurs réseaux hydrométriques sur le bassin de la Loire amont. Sont présentés unique- ment ceux concernés par cette étude.
– Le réseau Cristal est dédié à la prévision des débits : acquisition des données en temps réel par télétransmission, stations de mesure «critiques» pour la prévision des crues. Neuf stations limnimétriques ont été choisies sur ce réseau.
– Le réseau EDF a été mis en place pour le contrôle et la gestion des ouvrages hydroélec- triques. Les deux bassins pour lesquels des données sont disponibles pour cette étude sont particulièrement intéressants pour deux raisons : (1) ce sont de petits bassins versants amont, situés dans une zone à forte pluviométrie et (2) leur régime n’est pas contrôlé par des ou- vrages : ils sont situés à l’amont des ouvrages et il est possible de considérer que leur com- portement est « naturel ».
Toutes ces stations de mesure limnimétriques sont présentées de manière plus détaillée en annexe A.3.4.1 à partir de la page 383.
Les courbes de tarage Le service opérationnel utilisant les données du réseau CRISTAL, cal- cule les valeurs de débits à partir de courbes de tarage qui évoluent au cours du temps : elles sont affinées ou actualisées à chaque nouveau jaugeage. La quantité de courbes de tarage utilisées est donc relativement importante (plusieurs courbes par an). Si elle permet de tenir compte de modifi- cations éventuelles dans la relation hauteur/débit – par exemple un changement de section (même parfois au cours de la crue) –, cette démarche présente également quelques inconvénients : comme les jaugeages sont entachés d’erreurs, il est possible de ne parfois s’ajuster que sur du bruit ; de plus, lorsqu’une ancienne courbe de tarage était utilisée en extrapolation pour les valeurs les plus fortes, que de nouvelles mesures sont réalisées en hautes eaux, permettant de compléter la courbe