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Réduction du modèle
L’ensemble des programmes Topog tels qu’on les a reçus peuvent être regroupés en trois parties :
• tout ce qui est interface graphique, que nous ne détaillerons pas ici, écrit essentiellement en langage C, qui assure une visualisation des résultats agréable. La construction des fichiers de données est, quant à elle, beaucoup plus laborieuse,
• la partie analyse de terrain, qui est la partie de Topog la plus achevée, et est en fait issue du logiciel TAPES-C (Topographical Analysis Program for the Environmental Sciences) de traitement de modèle numérique de terrain (Moore 1988). Elle a dans un premier temps été écrite en Fortran 77, puis partiellement réécrite en C,
Partie III : Modèle hydrologique Topog. Couplage avec le réseau anthropique.
• le modèle hydrologique à proprement parler, écrit entièrement en Fortran 77 et qui, comme on l’a signalé plus haut, comportait de nombreuses options, permettant de représenter le même processus avec des degrés de complexité divers.
Il s’agit d’un modèle de recherche, encore en évolution, sans réelle notice, qui demande un peu d’attention, notamment pour la mise en œuvre de la partie topographique. Sous sa forme complète, Topog est relativement lourd, et difficilement maniable, les combinaisons des différentes options aboutissant à un grand nombre de cas particuliers et diverticules dans le programme. Comme nombre de ces options ne semblaient pas strictement nécessaires au type d’application que l’on projetait de faire de Topog, on a décidé de « l’alléger » :
• compte tenu de la superficie modérée des bassins sur lesquels on pense appliquer le modèle, et le fait qu’il s’agira dans un premier temps de zones au climat tempéré, on ne permet plus la variabilité spatiale des entrées climatiques. De surcroît, comme on travaillera a priori essentiellement au pas de temps horaire (Cf. Partie I), seul un des formats possibles pour les chroniques climatiques, correspondant à l’utilisation de grandeurs instantanées, a été conservé,
• le travail concerne essentiellement les écoulements rapides et est destiné à être appliqué dans un premier temps surtout à des bassins versants où on suppose une influence restreinte de la nappe profonde : la composante souterraine profonde du modèle a été supprimée, d’autant que ce module ne semblait pas « consolidé » et qu’il n’était nulle part fait mention de son application,
• seul le module d’écoulement subsurfacique basé sur l’équation de Richards a été conservé : les autres ne semblaient pas avoir été déjà utilisés - et donc encore moins validés -, et seul ce module peut donner accès à des profils d’humidité dans le sol, qui permettrait une validation du modèle autre que par le seul débit à l’exutoire. De plus, c’est ce schéma qui est apparu le plus adapté à un couplage avec la représentation du rôle du réseau anthropique sur les écoulements, sans doute parce que le plus « physique »,
• seul un schéma d’évapotranspiration a été conservé, correspondant à celui usuellement utilisé dans les applications de Topog citées dans le paragraphe précédent, qui est également celui pour lequel on peut espérer trouver le plus facilement des paramètres dans la littérature ; il s’agit du schéma de Choudhury et Monteith (1988), s’appuyant sur une évaluation de l’ETP par l’équation de Penman-Monteith,
• la possibilité qu’avait le modèle d’exporter systématiquement le ruissellement à l’exutoire d’un pas de temps à l’autre a été supprimée : ceci n’a aucun sens à un pas de temps horaire, et empêche de surcroît toute réinfiltration alors que celles-ci sont soupçonnées être importantes sur le bassin étudié,
• les modules d’érosion et de transfert de soluté, inutiles dans un proche avenir, ont également été enlevés,
• on ne représente plus qu’une couche de végétation : il est en effet superflu de représenter litière, couche herbacée et couche arborée dans le cas de terres cultivées,
• enfin, le module concernant les macropores a été conservé, bien que la représentation qui en soit faite n’ait rien de physique, et que ce module n’ait apparemment jamais été utilisé. Nous ne le détaillerons donc pas ici ; notons simplement que le modèle considère que les macropores occupent une certaine proportion du volume du sol, sur une certaine profondeur de sol (ces caractéristiques étant variables spatialement si on le désire). En cas de saturation de la surface, l’eau peut remplir les macropores, puis, d’une part s’infiltrer dans la matrice de sol de la maille sur laquelle on est en train de résoudre le bilan en eau, suivant le déficit en eau dans cette maille et la conductivité hydraulique des horizons pédologiques qui constituent son profil de sol, d’autre part transférer l’eau qu’ils contiennent vers les macropores de la ou des mailles aval.
Partie III : Modèle hydrologique Topog. Couplage avec le réseau anthropique. Figure 1 : Composantes de l'écoulement représentées par Topog
Une fois la modification du programme terminée, on a comparé les résultats du modèle « allégé » avec les résultats de la version complète en utilisant les options correspondantes aux modules gardés. Cette comparaison a été effectuée pour un versant amont du sous bassin de Kervidy, pour les années 1994-95 : les résultats sont rigoureusement les mêmes, prouvant que la modification n’a pas altéré le modèle. La version finale ne comporte « plus que » 9 000 lignes au lieu de 27 000, et une structure nettement moins arborescente que la version initiale, ce qui rend le modèle plus lisible.
Les divergences entre la notice dont on disposait et les capacités réelles du programme, le fait que celui-ci n’était pas surchargé par les commentaires et les noms de variables peu explicites ont transformé le décorticage du programme en un exercice de patience tout à fait bénéfique quoique relativement fastidieux. Il était pourtant nécessaire :
• d’une part, comme on vient de l’exposer, le programme est ainsi plus maniable. De surcroît, on imaginait difficilement de programmer un couplage (Topog / réseau anthropique) pour chacune des options possibles, notamment au niveau du type de représentation choisi pour les écoulements dans la zone subsurfacique.
• d’autre part, quelques incohérences sont apparues, notamment au niveau de la lecture des données climatiques et de la gestion du pas de temps, dès que l’on utilisait un pas de temps autre que quotidien, qui est celui pour lequel Topog a été écrit à l’origine. Il semblait donc sage de vérifier la démarche suivie par Topog dans ses calculs, d’autant qu’il « raisonne » parfois en flux, parfois en volumes et parfois en lames d’eau équivalentes sur la maille, et que la cohérence des traitements effectués avec le pas de temps utilisé n’est pas toujours triviale.
Le choix des modules conservés peut paraître assez arbitraire. Dans l’ensemble, on a cherché à conserver les modules qui avaient déjà été utilisés, d’une part parce que cela leur assurait une certaine « consolidation » du point de vue informatique, d’autre part parce que l’on disposait ainsi dans la littérature d’ordres de grandeurs des paramètres à utiliser pour les différents phénomènes tels que modélisés par Topog ... Enfin, ce choix correspondait le plus souvent à l’approche la plus physique et nous avons considéré, peut-être à tort (Grayson et Nathan, 1993), - nous y reviendrons dans la dernière partie -, qu’il était plus facile de dégrader la représentation faite d’un processus si cela s’avérait nécessaire que de la complexifier.
⇒ A partir de maintenant, le terme de Topog désignera la version allégée du modèle hydrologique dont nous disposons et sur laquelle est basée le reste du travail.
Partie III : Modèle hydrologique Topog. Couplage avec le réseau anthropique.