Recommandations pour l’utilisation et le développement d’un modèle semi-distribué

tées à la réalité hydrologique (c’est-à-dire le débit observé), les conclusions restent liées au modèle étudié, à la résolution spatiale et temporelle utilisée ou à la méthode de calage appliquée (ou non) entre les changements d’échelle. De plus, ces études sont à chaque fois effectuées sur un petit nombre de bassins versants, différents entre chaque étude, pour des événements et des climats qui ne sont pas comparables. Il devient donc très difficile de conclure quant à l’intérêt de la prise en compte de la variabilité spatiale des précipitations dans les modèles pluie-débit.

Un consensus existe sur l’efficacité des modèles pluie-débit, mais les avis divergent sur les ap- proches choisies. Pour mieux appréhender la formation des écoulements, peut-on considérer le bassin comme une entité homogène avec des processus traités de façon globale, ou est-il néces- saire de considérer le bassin comme une entité hétérogène et prendre en compte explicitement la variabilité spatiale des processus en traitant ces processus de façon distribuée ? Est-ce que la prise en compte des hétérogénéités spatiales des phénomènes et notamment des précipitations se tra- duit effectivement par de meilleurs résultats en simulation des débits? Ces questions demeurent donc sans réponse claire et ouvrent de nombreuses pistes d’investigation dans le domaine de la modélisation hydrologique pluie-débit.

1.4.2 Recommandations pour l’utilisation et le développement d’un modèle semi- distribué

1.4.2.1 Pourquoi utiliser un modèle distribué ?

Pour analyser l’impact des hétérogénéités spatiales des précipitations sur la réponse des bassins versants, il est nécessaire d’utiliser un modèle. C’est évidemment la faiblesse de toute étude puisque le choix de la structure du modèle est subjectif et peut être inapproprié. Ce type de modèle doit être distribué (ou semi-distribué) pour représenter explicitement la variabilité spatiale des pré- cipitations et permettre une analyse de son impact (Obled et al. 1994).

Malheureusement, en ce qui concerne la modélisation pluie-débit distribuée, nous ne sommes toujours pas capables de développer un modèle « physique » au sens propre, ni de définir les limites de cette approche théorique (Singh et Woolhiser, 2002). De ce fait, une multitude de mo- dèles a été développée et le choix de la structure à utiliser peut s’avérer très difficile du fait de leur complexité, de la validation de leur structure, de la disponibilité des données nécessaires, de la multitude de paramètres en jeu aux différentes échelles spatiales de discrétisation et de l’équifinalité des jeux de paramètres à déterminer (Beven et Binley, 1992; Beven, 2001b, 1996, 1993).

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1.4.2.2 Développement d’un modèle distribué

Dans le but de limiter les problèmes d’utilisation du modèle distribué, de nombreuses recomman- dations ont été formulées par la communauté hydrologique pour son développement et son utilisa- tion (Beven, 2001a; Blöschl et Sivapalan, 1995; Refsgaard, 2000; Singh et Woolhiser, 2002) :

• Beven (1989) préconise l’utilisation de structures distribuées conceptuelles et conseille d’abandonner les approches « à base physique » parce que les équations physiques, établies dans un cadre théorique bien précis, ne sont plus valables aux échelles spatiales envisagées dans la modélisation hydrologique pluie-débit (Beven 1996; Refsgaard 2000) .

• La structure du modèle doit être parcimonieuse, aussi simple que possible, afin de limiter les problèmes d’équifinalité rencontrés lorsque le nombre de paramètres à déterminer est trop important (Obled et al. 1994; Beven 1996) .

• La structure du modèle doit être aussi simple que possible et adaptée à la disponibilité des données nécessaires pour son élaboration (Blöschl et Sivapalan, 1995; Singh et Woolhiser, 2002). La discrétisation spatiale du bassin versant et le choix des processus hydrologiques pris en compte doivent être adaptés à la résolution spatiale des données d’entrée du mo- dèle (Delrieu et al. 2009a) .

• Dans la mesure du possible, la structure du modèle distribué doit être équivalente pour les différentes échelles spatiales étudiées. En effet, les nombreuses études sur l’impact des va- riabilités spatiales ont montré que les résultats dépendent des modèles utilisés : ils peuvent être contrastés pour des modèles différents à cause d’un comportement plus ou moins sen- sible à la spatialisation des structures ou des données d’entrée (Andréassian et al. 2001; Vaze et al. 2011; Hunukumbura et al. 2012; Caracciolo et al. 2013) .

• Le modèle doit être calé pour chaque discrétisation spatiale (Bárdossy et Das, 2008; Finnerty et al., 1997; Koren et al., 1999) et à chaque changement de résolution spatiale des données d’entrée (Obled et al. 1994; Chaubey et al. 1999; Das et al. 2008), par rapport à des données historiques, pour ne pas biaiser les comparaisons aux différentes échelles spatiales étudiées. Enfin, une fois que le modèle distribué est construit, les simulations doivent être évaluées par rap- port aux observations de débit, en mode validation (et non pas en mode calage), sur une plage de données qui n’a pas servi à l'optimisation de ses paramètres. Cette étape d’évaluation est impor- tante afin de valider sa représentativité et justifier son utilisation.

Chapitre 1 : Variabilité spatiale des précipitations en modélisation hydrologique

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1.4.2.3 Comment évaluer un modèle semi-distribué ?

Le modèle distribué doit être validé par rapport aux données observées qu’il cherche à reproduire. L’un des avantages du modèle semi-distribué est la possibilité d’accéder aux simulations sur les points intérieurs du bassin versant (Koren et al., 2004; Michaud et Sorooshian, 1994b), ce qui per- met de tester la cohérence spatiale du modèle (Vieux et al. 2004; Lerat 2009).

Les simulations distribuées de débits devraient donc être évaluées par rapport aux don- nées de débit observées à l’exutoire du bassin versant et sur des points intérieurs jaugés quand ils existent.

Les comparaisons entre les simulations distribuées et globales ont donné des résultats contrastés sur des bassins et des types d’événements pluvieux différents. De nombreuses études s’accordent sur le fait que les modèles globaux produisent des simulations de débit équivalentes, voire meil- leures, pour des événements stratiformes (où la variabilité spatiale des précipitations est faible) que les modèles distribués. Pour des événements convectifs (à forte hétérogénéité spatiale), les modèles distribués sont légèrement meilleurs que les modèles globaux du fait de l’accroissement de la non-linéarité de la réponse hydrologique. Cet avantage tend à diminuer lorsque la taille des bassins augmente.

Le modèle distribué devrait être évalué sur une variété de bassins versants et sur des événements pluvieux contrastés.

Enfin, nous retiendrons qu’avant d’étudier l’impact de la variabilité spatiale des précipitations sur la réponse des bassins versants, il est important d’analyser la sensibilité de la structure du modèle à l’agrégation spatiale. En effet, certaines structures de modèle peuvent être plus adaptées à une approche (spatialisée) qu’à une approche (globale).

Les performances des modèles distribués ou globaux devraient être comparées pour dif- férentes échelles spatiales de discrétisation et pour des données d’entrée équivalentes, afin de quantifier l’impact de la spatialisation de la structure du modèle avant d’évaluer celle des données d’entrée de précipitations.

Ces différentes étapes sont importantes pour valider l’utilisation d’un modèle distribué et analyser les impacts des hétérogénéités spatiales des précipitations sur la réponse des bassins versants à travers la modélisation hydrologique pluie-débit.

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