Sélection des jeux de données : méthodologie

4.1.1 Les différents types d’événements pluie-débit . . . 71 4.1.2 Une sélection sur les pluies . . . 73 4.1.3 Une sélection sur les débits . . . 74 4.1.4 Finaliser la sélection . . . 74 4.2 Analyse des jeux de données sélectionnés . . . 76 Synthèse du chapitre . . . 81 Conclusions de la partie I . . . 83 Introduction à la partie II . . . 87

Introduction

Des données « rares » Les périodes de crues ou de fortes pluies ne représentent qu’une faible partie des enregistrements de pluie ou de débit. Comme le montrent la figure FIG.4.1 ou le tableau TAB.3.2 (page 67), un très faible nombre de pas de temps correspond réellement aux crues, c’est- à-dire aux événements intéressants dans le cadre de cette étude (moins de 1% de l’ensemble des pas de temps).

Une analyse spécifique Il convient donc de définir plus particulièrement les parties des chro- niques de précipitations et de débits qui correspondent à des événements pouvant concerner cette étude1. Notamment, il a été vu dans le chapitre 2 que les événements de pluie et de crue étaient très variables dans le temps et dans l’espace. Dans le présent chapitre, on s’interroge sur la relation pluie-débit, c’est-à-dire identifier quelles en sont les caractéristiques et comment celles-ci varient.

4.1 Sélection des jeux de données : méthodologie

4.1.1 Les différents types d’événements pluie-débit

Tous les événements intenses de pluie n’ont pas pour conséquence des réactions remarquables des débits, et réciproquement toutes les crues ne sont pas provoquées par des épisodes de pluie

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

janv 1996 mars 1996 mai 1996 juil 1996 sept 1996 nov 1996 janv 1997

Débit (m3/s) 0 5 10 15 20 25 30 35

Pluie moyenne spatiale (mm)

FIG. 4.1 – Illustration de la sous-représentation des événements de crues par rapport à l’ensemble de la chronique ; deux exemples : à gauche, la distribution des débits observés à Rieutord sur l’ensemble de la chronique (1983-2002) ; à droite, pluies et débits de l’année 1996 à Bas-en-Basset.

intenses. C’est d’ailleurs cette particularité qui, sur le cas particulier de la prévision des crues, permet la valorisation des modèles pluie-débit par rapport aux outils météorologiques. Il est possible de sélectionner des événements d’étude selon différents critères, par exemple selon l’intensité ou le cumul de précipitations ou selon la réactivité des bassins et l’ampleur (ou non) de la crue. Plusieurs cas, peuvent être identifiés :

1. les événements de pluies intenses avec une montée significative des débits. Ces événe- ments sont ceux qui sont le plus intéressants : il a été vu dans la présentation des bassins que ce sont les événements les plus forts et les plus violents du point de vue des débits.

2. les événements de pluies faibles avec une montée significative des débits. Ces événements sont également intéressants car ils exploitent les aspects hydrologiques de transformation des précipitations en débits. Cependant ces événements ne sont pas en général les plus forts. De plus, il faut noter qu’un certain nombre d’entre eux correspondent à une fusion d’un manteau neigeux, processus qui ne sera pas étudié ou pris en compte dans notre travail. 3. les événements de pluies intenses n’entraînant pas de réaction significative des débits.

Ces événements pourraient être écartés. Cependant, il semble important que les outils utili- sés puissent également reproduire ces événements-là afin de ne pas être biaisés (notamment lors du calage) et de pouvoir représenter des processus qui expliquent cette non réactivité (infiltration par le bassin essentiellement)1.

4. les événements de pluies faibles entraînant peu de réaction au niveau des débits. On aimerait bien sûr que les modèles puissent simuler ou prévoir tous les types d’épisodes, et en cas de succès, cela rassurerait sur la bonne représentativité des principaux processus caractéristiques de fonctionnement des bassins versants. Néanmoins, ces événements-là sont moins cruciaux à bien représenter dans une perspective de prévision des crues.

5. enfin les cas de pluies nulles sans réaction de débit ne sont pas intéressants lorsque l’objet d’étude est la prévision des crues, à part éventuellement pour vérifier que les modélisations ne sont pas aberrantes2.

1. De plus, dans une optique de prévision, il est capital de ne pas avoir « trop » de fausses alertes.

2. et également quand des modèles fonctionnant en continu sont utilisés, pour vérifier que l’état du bassin (réces- sions, étiages, etc) est correctement simulé.

Pour prendre en compte les événements de type 1 ou 2, un critère de sélection sur les débits sera suffisant. Cependant, il ne permet pas de prendre en compte les événements de type 3 qui sont également intéressants : il faut donc compléter cette sélection par un critère sur les pluies. De plus, un événement de crue peut avoir une extension spatiale plus ou moins importante selon l’extension spatiale de la pluie qui le génère et selon les différences de caractéristiques influençant la réactivité des bassins versants. Un événement peut donc se produire :

(a) sur l’ensemble des bassins versants d’une région ; (b) sur une partie des bassins versants ;

Cette extension spatiale des événements va donc également être prise en compte lors de la sélection et de la classification des épisodes.

4.1.2 Une sélection sur les pluies

Dans une optique d’utilisation des modèles hydrologiques en prévision, il est important de pouvoir partir d’une information pluviométrique. De plus, si les modèles hydrologiques ne sont calés que sur des épisodes pluie-débit pour lesquels les débits ont réagi, certains processus tels que l’infiltration de la pluie dans le sol (par exemple dans le cas des orages estivaux qui n’entraînent pas de réaction majeure des débits) ne vont pas bien être représentés et, à une pluie d’entrée donnée, les modélisations simuleront toujours une réaction du débit ce qui n’est pas réaliste. Il faut donc partir d’une sélection sur les pluies. Pour réaliser cette sélection, la méthodologie proposée par Datin (1998) a été suivie et modifiée (passage d’une pluie de bassin à une pluie ponctuelle et changement des seuils et des durées de cumuls).

Durée de cumul (h) 1 4 12 24

Seuil (mm) 20 30 60 100

TAB. 4.1 – Seuils de sélection des événements sur les pluies ponctuelles.

Par rapport à Datin (1998)1, les valeurs de seuils ont été adaptées aux bassins de la Loire supérieure et les durées de cumul représentatives raccourcies : des durées de 1 h, 4 h, 12 h et 24 h ont été choisies.

Pour calculer les valeurs de seuils sur ces durées, pour chaque durée de cumul, les valeurs correspondant à une trentaine d’épisodes les plus forts en débits ont été calculées. La condition que doivent remplir les seuils sur les pluies est la suivante : toute crue d’origine pluviale appartenant au jeu des 30 crues fortes sélectionnées doit pouvoir également être sélectionnée à partir d’un des seuils sur les pluies pour au moins un pluviomètre. Les seuils sur les pluies, issus de cette sélection sont rassemblés dans le tableau TAB.4.1 et peuvent être comparés aux seuils de la littéra-

ture2. Les seuils choisis au cours de cette étude sont volontairement un peu élevés : car il s’agit de pouvoir ajouter à notre sélection les épisodes pluvieux intenses n’ayant pas engendré de variation significative des débits.

1. Pour fixer les idées, on peut rappeler les valeurs utilisées par l’étude de Datin (1998) sur le bassin de l’Ardèche qui lui ont permis de sélectionner 53 épisodes sur une période de 12 ans (1984-1995) : 60 mm en 24h; 110 mm en 48h et 150 mm en 72h.

2. Météo-France (Deblaère, 1998) prend les seuils suivants : sur un seul pluviomètre 190 mm pour l’Ardèche et 100 mm pour la Haute-Loire en une journée ; tandis que les seuils standards de Météo-France sont : 26 mm en une journée, 36 mm en deux jours et 48 mm en quatre jours. Enfin, sur le bassin du Lignon, Brun (2001) utilise les seuils suivants sur les pluies de bassin : 20 mm en 2 heures, 50 mm en 12 heures.

4.1.3 Une sélection sur les débits

Une méthode alternative pour sélectionner des épisodes peut consister à garder les épisodes de crues (et donc ceux de pluie correspondants) dont le pic a dépassé la valeur d’un certain seuil. Le choix du seuil est important car il détermine la gamme de crues à laquelle on s’intéresse et pour lesquelles vont être calés ensuite les modèles hydrologiques : avec un seuil trop haut, peu de crues vont être isolées et notre analyse risque de dépendre fortement de certains événements avec leurs particularités propres (voire même avec leurs erreurs de mesures propres); avec un seuil trop faible, le risque est de prendre en compte un nombre de crues trop important et de ne plus donner autant de poids aux crues les plus fortes en les « noyant » dans un jeu d’événements trop large. La sensibilité de la sélection des jeux d’événements de crues au choix du seuil a donc été étudiée. Dans les services opérationnels de prévision des crues, des seuils existent déjà, correspondant aux phases de « vigilance », « pré-alerte » et « alerte ». Parmi les valeurs seuils existantes, il existe également celles correspondant aux périodes de retour des débits de crues (par exemple débit décennal, trentennal, centennal). Enfin, il est également possible de choisir ce seuil comme le multiple du débit horaire moyen(k ∗ Qmoy) sur le bassin. Ce multiple peut également exprimer,

s’il est correctement choisi, les seuils évoqués précédemment (seuils de la chaîne d’alerte ou seuils de période de retour), comme cela est montré dans le tableau TAB.4.2. Pour fixer les idées, sur la figure FIG.4.2, a été représentée, en fonction de la valeur du coefficient k, l’évolution du nombre

d’événements de crues sélectionnés. L’analyse de cette courbe montre que pour les plus petits bassins la variabilité des débits est plus importante1: pour un seuil donné, le nombre d’événements sélectionnés est supérieur pour ces bassins. D’après cette figure, une valeur seuil de 15 fois le débit horaire moyen semble un bon compromis pour une pré-sélection des épisodes : le nombre d’événements sur les petits bassins très réactifs n’est pas trop élevé et celui sur les grands bassins moins réactifs n’est pas trop faible. Par ailleurs, d’après le tableau TAB.4.2 des valeurs de 15 à 20

pour k, correspondent à peu près à la phase de pré-alerte pour les bassins à enjeux2.

4.1.4 Finaliser la sélection

Enfin, on ajoute à cette sélection, s’ils n’en font pas déjà partie, les épisodes identifiés par les services opérationnels (SAC 43 et/ou DIREN Centre) et lors des études précédentes (Casteill et al., 1988; Grelat, 2002; Brun, 2001; Valdes, 2002).

Ainsi un épisode est sélectionné et jugé potentiellement intéressant pour les onze bassins soit, – si un des cumuls sur au moins un pluviomètre dépasse les seuils indiqués

– si un des débits dépasse le seuil de 15 fois le débit moyen (pour les petits bassins amont (surface < 200 km2) et 10 fois pour les plus grands bassins (surface > 200 km2)

– s’il a déjà été répertorié dans une liste d’épisodes pluie-débit

Cette sélection a permis d’obtenir un jeu de 199 épisodes présentant un caractère intéressant pour au moins un bassin. Parmi ces épisodes, une trentaine correspondent à des crues importantes se produisant sur au moins deux bassins versants; et trois épisodes correspondent à des événements particulièrement intenses sur la quasi-totalité des bassins : il s’agit des crues de septembre 1980, de novembre 1996 et de décembre 2003.

1. Exception faite de la Loire à Coubon et la Gagne aux Pandreaux dont l’historique des données est trop court pour être véritablement comparé aux autres.

2. A titre de comparaison, Brun (2001) utilise les seuils suivants sur les pluies de bassin : 20 mm en 2 heures, 50 mm en 12 heures tandis que sur les débits, un premier seuil à été pris à 50 m3.s−1et un second seuil à 100 m3.s−1, c’est-à-dire à peu près 15 et 30 fois le débit moyen du Lignon au Chambon sur Lignon.

Bassin Cros Rieu Goud Bess Coub Pand Espa Chad Cham Vaub Basb Q moy 0.7 2.7 5.0 1.3 8.1 1.6 3.1 14.8 3.2 3.4 37.3 Q vigilance 50 36 135 48 40 260 k 10 11 9 15 12 7 Q préalerte 125 51 165 69 55 316 k 25 16 11 22 16 8 Q alerte 165 70 200 85 70 444 k 33 23 13 26 20 12 Q décennal 280a ₅₀₀ ₁₇₀a ₁₄₀ ₇₅₀ ₁₉₀ ₁₀₀ ₁₉₀₀ k 104 100 105 45 50 60 30 50 Q trentennal 1000 260 1300 370 170 3040 k 200 83 88 115 50 81 Q centennal 675b 1600 350a 400 2000 750 255 4500 k 250 320 220 130 135 235 75 120

(a) Source Banque HYDRO ; Alvarez (2000) utilise une valeur de 375 correspondant à k=140 (b) Source Alvarez (2000)

TAB. 4.2 – Valeurs des coefficients k correspondant à chacun des seuils de débits existants déjà. Sauf men- tion contraire, les valeurs des seuils de vigilance, pré-alerte, alerte et celles des crues de période de retour 10, 30 et 100 ans sont issues des données du SAC 43 (i.e. d’après les documents de travail de J.-P. Perdrizet). (Note : les débits sont présumés être des débits instantanés, exprimés en m3.s−1). 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 cros rieu goud bass coub pand espa chad cham vaub basb

FIG. 4.2 – Évolution du nombre d’événements sélectionnés par bassin selon la valeur du multiple du débit horaire moyen. Par exemple, si on choisit pour le bassin du Lignon au Chambon sur Lignon, une valeur de 15 pour k, correspondant à un seuil de 15 fois le débit horaire moyen, c’est-à-dire environ15 · 3.2 m3.s−1≈ 48 m3_.s−1_{, alors le nombre d’épisodes sélectionnés est légèrement} supérieur à 50. On comprend bien, à travers cette figure que le seuil devra être choisi comme un compromis entre la prise en compte d’événements intéressants (notamment les plus rares) et leur nombre qui ne doit pas être trop élevé pour permettre une étude raisonable.

A partir de ce jeu de 199 épisodes, ont été retirés, par bassin :

– les épisodes situés hors de la période d’étude (par exemple la crue de septembre 1980 pour le bassin de la Gazeille à Besseyre dont la période d’étude est 1990-2003)

Even Bassin Origine Intensité P Max P (24h) Réaction des Q Qpic Vol

19800920 Tous Cévenole exceptionnelle 400 mm Issarlès très forte 3500 170

19961111 Tous Cévenole très forte 270 mm Ste Eulalie forte 2000 100

20031201 Tous forte 200 mm Ste Eulalie forte 1700 350

TAB. 4.3 – Caractéristiques des trois principaux événements. Les débits maximaux (Qpic [m3.s−1]) et les volumes écoulés (Vol [106· m3_{]) sont exprimés à Bas-en-Basset.}

– les épisodes pour lesquels les données ne sont pas suffisantes (typiquement lorsque les don- nées de débits sont issues de débits moyens journaliers (QMJ) plutôt que des débits instan- tannés)

– enfin des épisodes pour lesquelles les données de débits sont manquantes ou très douteuses. A l’issue de cette sélection, un nombre variable (45 à 163) d’épisodes a été retenu pour chaque bassin. Vu le mode de sélection réalisé, pour un bassin donné, l’épisode peut appartenir à n’importe lequel des cinq types d’événements identifiés plus haut (cf. 4.1.1 page 72).

Enfin, une dernière étape consiste à choisir les dates de début et les dates de fin d’épisode. Celles- ci doivent permettre de prendre en compte à la fois les pluies qui ont généré la crue et la crue elle-même. On choisit pour des raisons pratiques de faire débuter tous les épisodes à minuit (0:00) et de les faire finir à 23:00. Pour le choix du début de l’événement et la prise en compte des pluies antérieures, on se limite, comme le font Carpenter & Georgakakos (2004) au maximum à deux jours avant la montée des débits. Pour la fin de l’événement, on choisit dans la récession, la fin de journée la plus proche de la transition entre la décrue et le tarissement.

Dans le document Prévision des crues rapides avec des modèles hydrologiques globaux. Applications aux bassins opérationnels de la Loire supérieure : évaluation des modélisations, prise en compte des incertitudes sur les précipitations moyennes spatiales et utilisation de (Page 84-89)