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UNESCO
INTERNATIONAL HYDROLOGICAL PROGRAMME PROGRAMME HYDROLOGIQUE INTERNATIONAL
Statistical and Bayesian Methods in Hydrological Sciences
Méthodes Statistiques et Approches Ba @siennes en Hydrologie
Edited by / Sous la direction de :
Eric Parent, Pierre Hubert, Bernard Bobée, Jacques Miquel
Selected papers from the International Conference in honor of Professor Jacques Bernier, held at UNESCO, Paris, from 11 to 13 September 1995 Comptes-Rendus sélectionnés de la Con ference In terna tionale en l’honneur du Professeur Jacques Bernier, tenue à /*UNESCO, Paris, du 1 I au 13 septembre 1995
Prof. Jacques Bernier
Artwwk by/Dessin pur : Martial Guisnet
The designations employed and the presentation of material throughout the publication do not imply the expression of any opinion whatsoever on the part of UNESCO concerning the legal
status of any country, territory, city or of its authorities, or concerning the delimitation of its frontiers or boundaries.
Les appellations employées dans cette publication et la prhenta tion des donndes qui y figurent n’impliquent de la part de l’UNESCO aucune prise de position quant au statut juridique
des pays, territoires, villes ou zones, ou de leurs autorit&, ni quant au trac8 de leurs frontières ou limites.
Table des matières Contents
PREFACE
REMERCIEMENTS / ACKNOWLEDGMENTS ORGANISATION / ORGANIZATION
LISTE DES AUTEURS / ADDRESS LIST OF AUTHORS
1 - INTRODUCTION . . . , . . . ,.. 1 1. HOMMAGE A JACQUES BERNIER / HOMAGE TO JACQUES BERNIER ,... 3-22
J. Jacquet, B. Bobée, J. Miquel, E. Parent
2. INFORMATION, MODeLES, RISQUES ET HYDROLOGIE STATISTIQUE /
INFORMATION, MODELS, RISKS AND STATISTICAL HYDROLOGY . . . 23-38 J. Bernier
II - MODÉLISATION STATISTIOUE / STATISTICAL MODELING . . . 39 3. RECENT DEVELOPMENTS IN BAYESIAN INFERENCE WITH
APPLICATION IN HYDROLOGY / DEVELOPPEMENTS RECENTS POUR
L’INFERENCE BAYÉSIENNE AVEC APPLICATIONS A L’ HYDROLOGIE.. . . . .43-62 J. 0. Berger, D. Rios Insua
4. ESTIMATION DE L’INTENSITÉ D’UN PROCESSUS DE POISSON INHOMOGÈNE PAR UNE MÉTHODE BAYÉSIENNE / BAYESIAN
ESTIMATION OF INHOMOGENEOUS POISSON PROCESS INTENSITY . . . 63-78 1. Abi-Zeid
5. BAYESIAN APPROACH TO RAINFALL MODELLING / UNE APPROCHE
BAYÉSIENNE DE LA MODÉLISATION DE LA PLUIE . . . 79-86 E. Todini, M. Di Bacco
6. MODÉLISATION DE DONNÉES HYDROLOGIQUES EXTRÊMES DE CRUES
À
L’AIDE DES LOIS DE HALPHEN / FLOOD EXTREME HYDROLOGICALDATA MODELING USING HALPHEN DISTRIBUTIONS . . . ..a ,... . . . 87-106 L. Perreault. B. Bobée
7. DEALING WITH UNCERTAINTY IN SIMPLE SCALING MODELING OF FLOOD PROCESSES / LE TRAITEMENT DES INCERTITUDES POUR UN
MODÈLE SIMPLE DE SIMILITUDE D’ÉCHELLE DE PROCESSUS DE CRUES . . 107-116 J. Ribeiro, S. Birikundavyi, J. Rousselle
III - MÉTHODES D’HYDROLOGIE STOCHASTIOUE / STOCHASTIC
HYDROLOGY METHODS . . . 117-120 8. SUR LA PRISE EN COMPTE DES CRUES HISTORIQUES / DEALING WITH
HISTORICAL FLOODS . . . 121-146 C. Thirriot
9. COMPARAISON DES MODES D’ÉCHANTILLONNAGES PAR SÉLECTION DU MAXIMUM ANNUEL ET DES VALEURS SUPÉRIEURES
À
UN SEUIL / COMPARISON OF SOME SAMPLING TECHNIQUES BY PEAK OVER THRESHOLD AND MAXIMUM ANNUAL VALUE SELECTION . . .M. Lang
10 DIFFERENCES ET COMPLÉMENTARITÉS DE TROIS METHODES D’ESTIMATION DES RISQUES DE CRUES : RENOUVELLEMENT,
GRADEX, AGREGEE / DIFFERENCES AND COMPLEMENTARITIES OF SOME FLOOD RISK ESTIMATION TECHNIQUES . . . ...<
J. Miquel
11. UTILISATION DE L’ANALYSE STATISTIQUE MULTIDIMENSIONNELLE DANS LE CALCUL DES CARACTÉRISTIQUES HYDROLOGIQUES CONJUGUÉES ET DANS LES PRÉVISIONS HYDROLOGIQUES / MULTIDIMENSIONAL STATISTICAL ANALYSIS FOR ASSESSING
147-180
181-200
CONJUGATE CHARACTERISTICS IN HYDROLOGICAL FORECASTING . . . 201-214 V. S tanescu
IV - ANALYSE DES SÉRIES TEMPORELLES / TIME SERIES ANALYSIS . . . 215218 12. STATISTICAL PERSISTENCE IN HYDROCLIMATOLOGICAL SERIES /
PERSISTANCE STATISTIQUE DES SERIES HYDROCLIMATIQUES . . . 219-234 A. Bardossy
13. A STOCHASTIC MODEL FOR SIMULATING OF DAILY FLOWS IN HIGHGLY DEVELOPED BASIN / UN MODÈLE STOCHASTIQUE POUR SIMULER LES APPORTS JOURNALIERS DANS UN BASSIN TRÈS
DÉVELOPPÉ . . . 235-250 L. Kottegoda, L. Natale, E. Raiteri, 1. Saccardo
14. RIVER POLLUTION FROM URBAN STORMWATER RUNOFF / LA
POLLUTION DES RIVIÈRES DUE AUX ORAGES EN MILIEU URBAIN . . . 251-262 P. Schmitt-Heiderich. E. Plate
15. INDEPENDANCE D’ECHELLE DE LA DISTRIBUTION STATISTIQUE DES PRECIPITATIONS EXTRÊMES / SCALE INDEPENDENCE OF EXTREME
RAINFALL PROBABILITY DISTRIBUTION . . . 263-268 P. Hubert, H. Bendjoudi, D. Schertzer
V - REGIONALISATION / REGIONALIZATION ,...,...,... 269-272 16. REGIONALIZATION AND MULTIVARIATE ANALYSIS : THE
CANONICAL CORRELATION APPROACH / ANALYSE MULTIVARIÉE ET
RÉGIONALISATION : APPROCHE PAR CORRELATIONS CANONIQUES . . . .273-284 G. Cavadias
17. REGIONAL FLOOD FREQUENCY ANALYSIS : SOME LESS FREQUENTED CORNERS / ANALYSE FRÉQUENTIELLE RÉGIONALE DES CRUES : UNE
VISITE DE QUELQUES ENDROITS PEU FRÉQUENTÉS . . . 285-298 M. Beran
18. TOTAL PROBABILITY METHODS FOR PROBLEMS IN FLOOD FREQUENCY ESTIMATION / LES METHODES DE PROBABILITÉS
TOTALES POUR L’ESTIMATION DES FRÉQUENCES DE CRUES . . . 299-326 R. Durrans
19. A REGIONAL BAYESIAN METHOD FOR ESTIMATION OF EXTREME STREAMFLOW DROUGHTS / UNE MÉTHODE BAYESIENNE
D’ESTIMATION RÉGIONALE POUR LE CALCUL DES DÉBITS EXTREMES
EN PÉRIODE DE SÉCHERESSE . . . 327-340 H. Madsen, D. Rosbjerg
20. FLOOD FREQUENCY STUDIES USING REGIONAL METHODS / LES
MÉTHODES RÉGIONALES POUR L’ÉTUDE DES FRÉQUENCES DE CRUES . . . . 341-356 J. Stutcliffe, F.A.K. Farquharson
VI - THÉORIE STATISTIOUE DE LA DÉCISION ET PRÉVISION /
STATISTICAL DECISION THEORY AND FORECASTING . . . 357-360 2 1. LE DÉVELOPPEMENT RÉCENT DES SCIENCES DE LA DÉCISION : UN
REGARD CRITIQUE SUR LA STATISTIQUE DÉCISIONNELLE
BAYESIENNE / THE RECENT ADVANCE OF DECISION SCIENCES : A
CRITICAL VIEW AT BAYESIAN STATISTICAL DECISION THEORY . . . 361-398 B. Munier, E. Parent
22. UTILISATION DES TECHNIQUES D’ANALOGUES POUR LA PREVISION QUANTITATIVE DES PRÉCIPITATIONS JOURNALIERES / QUANTITATIVE FORECASTING OF DAILY PRECIPITATIONS USING ANALOG
TECHNIQUES . . . 399-414 S. Guilbaud, J.Y. Rodriguez, C. Obled
23.RAINFALL FORECASTS FOR FLOOD MANAGEMENT IN RIVER BASINS /
LA PRÉVISION DES PLUIES POUR LA GESTION DES CRUES . . . 415-436 H. Muster, A. Bardossy
24. PONDÉRATION BAYÉSIENNE DE PRÉVISIONS : UNE APPLICATION OPÉRATIONNELLE
À
LA PREVISION DES CRUES / BAYESIANWEIGHTING OF FORECASTS : AN OPERATIONAL APPLICATION TO
FLOOD FORECASTING . . . ,. . . .._... 437-446
VII - MÉTHODES NOUVELLES D’ÉVALUATION ET DE GESTION DU RISQUE / NEW DEVELOPMENTS FOR RISK ASSESMENT AND
MANAGEMENT . . . 447-450 25. BAYES AND FUZZY LOGIC MODELING OF ENGINEERING RISK UNDER
DYNAMIC CHANGE / MODÉLISATIONS FLOUE ET BAYÉSIENNE DU
RISQUE EN SITUATION DE CHANGEMENT DYNAMIQUE . . . 451-464 L. Duckstein
26. NON-PRECISE INFORMATION IN BAYESIAN INFERENCE /
L’INFORMATION IMPRÉCISE POUR L’INFÉRENCE BAYÉSIENNE... . . . 465-478 R. 3ertl
27. RÉGIONALISATION FLOUE DES DÉBITS DE CRUE
À
L’AIDE DE LA MÉTHODE ISODATA / FLOOD STREAMFLOW FUZZY REGIONALIZATIONUSING ISODATA . . . 479-490 V. Fortin, Z. Bargaoui, B. Bobée, L. Duckstein
PREFACE
CC livre comprend une sélection d’articles révisés après leur présentation à la Conférence Internationale en l’honneur du Professeur Jacques Bernier qui s’est tenue à Paris, à 1’Unesco du l l au 13 Septembre 1995. Le thème de la conférence, les méthodes statistiques et upproches bayLsiennes en hydrologie, avait pour objet de souligner les avancées récentes en sciences de l’eau, reliées aux activités de recherches principales du Professeur J. Bernier, c’est à dire :
a) les approches bayésiennes, l’esprit et les méthodes en hydrologie (la prise de décision en avenir incertain et risqué, la théorie de la décision statistique)
b) la modélisation statistique en hydrologie (les modèles de dépassement, les distributions statistiques, les modèles multivariés)
c) l’estimation régionale et le transfert d’information pour les variables hydrométéorologiques (sécheresse, pluie, précipitation)
d) la théorie de la décision statistique appliquée aux systèmes hydriques
e) l’évaluation et la gestion du risque en hydrologie.
Plus de deux cents participants ont suivi les cinq sessions. Chaque session était composée d’une séance plénière dressant l’état de l’art et de nombreuses communications orales ou démonstrations de logiciels et présentations de posters.
Sous les hospices de l’UNESCO, les objectifs de cette conférence étaient :
1. de centrer l’attention des participants sur les cinq thèmes de recherches précédents qui avaient été développés par Jacques Bernier et d’autres statisticiens appliqués et hydrologues,
2. de mettre en lumière les études récentes et les techniques novatrices en hydrologie statistique et tout spécialement la prise de décision en avenir risqué pour la gestion des ressources en eau ainsi que l’évaluation statistique des variables hydrologiques.
3. de mettre sur pied un forum d’échange d’idées et de transfert de techniques pour les scientifiques de la communauté hydrologique.
This book is composed of refereed, sclectcd.
rewritten, and edited contributions presented at the International Conference in honor of Profcssoi Jacques Bernier, held at UNESCO headquarters in Paris from 1 I to 13 September, 1995. Thc Conference theme : Stutistical and bo~~esirm methods in hydrological sciences, was meant to point out recent advances of water sciences related to the main research activities of Professor J.
Bernier :
a) Bayesian approaches: philosophy and methods in hydrology (uncertainty and risk based decision making, statistical decision theory)
b) Statistical modeling in hydrology (Mode1 of’
exceedances, statistical distributions, multivariate models)
c) regional estimation and transfer of information of hydrometeorological variables (droughts, floods, precipitation....)
4 statistical decision theory applied 10 hydrosystems
e) assessment and management of risk in hydrology.
More than two hundred participants attended the five sessions. Each session was composed OI‘ a plenary conference on the state of the art, as well as many oral communications, software and poste]
exhibitions.
Under the patronage of UNESCO, the objectives of this conference were :
1. to focus on the previous five themes developed by J. Bernier and other statistical hydrologists,
2. to highlight recent studies of the challenging techniques in statistical hydrology, especially risk- based decision making in water resources management and statistical estimation OI’
hydrological variables,
3. to provide a forum for the exchange of ideas and transfer of techniques among the scientists of the hydrological community.
Remerciements Acknowledgments
Mise en place par Ics sections fran@sc, canadienne et hongroise du pt-ogramme hydt-ologiquc international.
cette coiil’%cncc ii rc~u l’appui de nombreux collC;gucs dc la communaut6 internationale; elle s’inscrit dans le cadre des activilCs scientifiques soutenues par la clt\,tsion des scicnccs de l’eau de l’UNESCO cl a ~OUI
ob.jct dc rcconnaîtrc l’émincntc contribution du PI-ofesseLtt Jacques Bet-nicr 3 la slatistiquc hydrologiquc.
Lc comit6 d’organisation (Bernard Bob&, Pierre Hubert, Jacques Miqucl. Éric Parent. Andras Szollosi- Nagy. Istvan Zsuffa) tient ;I souligner que rendre ccl hommage solennel à l’UNESCO, organisme dédié aux sciences, à l’éducation et à la culture, est sans aucun doute justifiée puisque ces trois domaines ont 8té illustrés par toute la carrière scientifique de Jacques Bcrnicr.
Initiatcd by the Frcnch, Canadian and Hunga~~at~
sections of rhc IHP, and with thc support of’ m;~n>’
coIIca(Tues 5 os thc’ international s~~ciitili~
community, this UNESCO Watcr Sc~cncc Division confcrence intends to rccogniLc LIK cminent contribution of Professor Jacques Bct-nict to statistical hydrolopy.
The organizing committee (Bernard Bobéc. Pict-t-e Hubet-t, Jacques Miquel, Éric Parent. Istv5n Zsul.l:t.
Andras Szollosi-Nagy) wants 10 undcrlinc ~II:I~
rcndcring thts soletnn homagc at UNESCO dedicatcd to Scicnccs, Education and Culture. IS undoubtcdly right since these threc domains ha\.~
becn illustrated hy all thc scientific carccr 01
Jacques Bcrnicr.
Les sponsors que nous retnercions iivcment pour Icur appui financier ou tnalériel, sont, dans l’ordre alphabétique :
Sponsors whose fïnancial and tnatcrial help IS gratefully acknowledged, werc. in alphahctic order :
Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et des Forêts (France)
Ecole Nationale des Mines de Paris (France)
Electricité de France : DER et DTG (France)
Hydro-Québec et le groupement E7 (Canada)
Institut National de Recherche Scientifique Eau (Canada)
Sections Françaises, Canadiennes et Hongroises du programme hydrologique international
UNESCO (Division Ressources en Eau)
Institute of Forestry, Agricultural and Environmental Engineering (France) Institute of Mines from Paris (France)
French Electric Utility : DER et DTG (France)
Hydro-Québec and group E7 (Canada)
National Institut of Scientific Research in Water Science (Canada)
French, Canadian and Hungarian Sections of the International Hydrological Programme
UNESCO Water Resources Division
De nombreuses personnes ont aidé à la préparation de ce livre; nous sommes spécialement reconnaissants à : - Nicole Boileau, qui a géré toute la correspondance relative aux contributions et qui a tenu le fichier des auteurs,
- Françoise Million, qui a refrappé nombre de papiers et reformaté les autres de façon à préparer un exemplaire esthétique prêt à la photocopie,
- Martial Guisnet, qui a imaginé le graphisme en page de couverture, qui nous a aidé à améliorer la présentation générale et a réalisé de nombreuses photocopies d’essais de l’ouvrage.
Nous voulons aussi remercier en particulier les responsables de sessions et les conférenciers principaux (J. Berger, A. Bardossy, G. Cavadias, B.
Munier, L. Duckstein) qui, après la conférence inaugurale de J.Bernier, ont mené avec enthousiasme la discussion sur les approches innovantes en hydrologie statistique.
Nous sommes également redevables de l’aide importante qui a été fournie sur la base du volontariat par les membres du comité de publication ainsi que par un groupe de relecteurs composé d’un échantillon de participants allant du jeune docteur jusqu’au professeur confirmé. Cette relecture et sélection a été accomplie selon les instructions que la Revue des Sciences de l’Eau utilise lors de la soumission d’un article.
Que Janos Bogardi et Andras Szollosi-Nagy acceptent ici l’expression de notre reconnaissance pour leur aide et leur encouragements.
Sans la participation active de toutes les personnes citées , la qualité de cet ouvrage ne pouvait être garantie.
Nous regrettons que quelques articles présentés, au demeurant excellents, n’aient pas pu être inclus dans cet ouvrage. Cela ne met pas en cause la qualité du travail de leurs auteurs, c’est seulement une conséquence des limitations en temps et en place imposées aux responsables de la réalisation de cet ouvrage.
Among the many individuals who have helped us prepare this book, we are especially indebted to : - Nicole Boileau, who handled the correspondence relative to the papers and organized the authors’
files,
- Françoise Million, who retyped many of thc papers and reformatted the others SO as to preparc an aesthetically pleasing camera-rendy copy.
- Martial Guisnet, who designed the caver I’ront page, helped to improve the general presentation and xeroxcopied many drafts of the book.
We also thank in particular the chairmen/ kcynotc speakers of the sessions (J Berger, A. Bardossy. G.
Cavadias, B. Munier, L. Duckstein) that , after thc inaugural conference of J. Bernier, enthusiastically led the discussion on innovative techniques in statistical hydrology.
We also acknowledge with thanks the great help provided on a volunteer basis by the members OI‘
the publication committee, and then by the group 01‘
paper referees composed of a cross-spectrum OI‘
participants, from Young graduate students to senior professors. The revisions have been performed according to the “Revue des Sciences de I’Euu” instructions for submitting a paper.
May Janos Bogardi and Andras Szollosi-Nagy also accept our grateful thanks for their constant help and stimulating encouragements.
Without the active participation of all thcsc individuals we could not even have pretended to control the quality of this volume.
We regret that a few excellent lecturers’ papcrs could not be included into this book. This is certainly not a retlection on the intrinsic quality OI‘
their work, but only a consequence of the space and time limitation requirements that were given to the editors.
Organisation Organization
Les 27 chapitres de cc livre proviennent de la The 27 chapters of ,his book consist 01‘ sclected and rcécriture d’une sélection des contributions de la rcwritten papers ti-om the Coni’crence ICCILIITS.
conférence. Ils ont été regroupés en sept parties de la They have heen grouped into sevcn intcrrclatcd
facon suivante : parts as follows:
1.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
Introduction
Modélisation statistique
Méthodes stochastiques en hydrologie Analyse des séries temporelles Régionalisation
Théorie de la décision statistique
Développements nouveaux pour l’évaluation du risque et la gestion.
Chacune de ces parties peut être lue de l’ac;on séparée et donne un point de vue unifié sur un sujet donné. Ce livre peut être utilisé par des étudiants de niveau maîtrise ou de jeunes docteurs afin de comprendre les avancées récentes en matière d’hydrologie statistique ou d’ingénierie des systèmes de ressources en eau. Il peut Cgalcment servir d’ouvrage d’introduction à l’usage des scientifiques du monde académique et industriel OLI dc professionnels confirmés avec une l’orte motivation pour discuter des divers points de théorie ou d’applications en matière de prise de décision en avenir risqué, puisqu’il met l’accent sur l’approche bayésienne pour traiter des aspects stochastiques et incertains rencontrés dans le champ des sciences de l’eau.
L’anglais et le francais ont été utilisés sans distinction comme langues of’ficielles de la conférence (une traduction simultanée a été fournie par l’UNESCO). Ce livre en deux langues de contributions sélectionnées rel‘lete aussi l’esprit bilingue qui a prévalu durant ces trois jours de conférence où les échanges au sein de la communauté internationale en hydrologie statistique furent nombreux et fructueux.
1. Introduction II. Statistical modeling
III. Stochastic methods in hydrology IV. Time series analysis
V. Regionalization
VI. Statistical decision theory
VII. New developments for risk asaessment and management.
Each of the seven parts cari be read separately and provides a unifying view on a given topic. It cari be used as background material for advanced graduatc students and recent PhD’s to understand the recent advances in stochastic hydrology and engineering in water resources management. It cari also bc considered as an introductory book l’or academic an d industrial scientists or cxperienccd professionals to discuss the various topics OI’
theoretical and applied decision making under risk.
stochasticity and uncertainty conditions in the Iïelcl of water sciences, with emphasis on Bayesiaii approaches.
Both English and French have been used as conference languages (with simultancous translation provided by UNESCO) and this book OI‘
selected papers in any of the two languages rei‘lccts the bilingual spirits that prevails during these thrcc days of many fruitt’ul exchanges among thc international scientifïc community in statistical hydrology.
Nous espérons que le lecteur aura autant de plaisir à consulter ces divers chapitres que nous cn avons rencontré lors de l’élaboration de cet ouvrage!
We hope that the reader Will enjoy studying thc vorious chapters as much as we did when we were gathering all of them!
Eric Parent, Pierre Hubert, Bernard Bobée, Jacques Miquel.
LISTE DES AUTEURS ADDRESS LIST OF’ AUTHORS
4BI-ZEID, Ir&ne. Defense Scientist. Software Engineering, 2459 BI.
‘te XI Nord, CP 8800, - VAL BELAIR. GOA 1 RO CANADA.
3ARGAOUI. Zoubeida, ENIT TUNIS, Laboratoire hydrauhque.
3.P.37. Le Belvédère, 1002 - TUNIS, TUNISIE.
SERAN, Max. TIGER Programme manager, Institute d’hydrologie, Irowmarsh Gifford, Wallingford, 0X10 8BB - OXFORDSHIRE, 4NGLETERRE.
BERNIER. Jacques Le Pech de Binud, 24250 - ST MARTIAL de VABIRAT, FRANCE.
BOBEE, Bernard, INRS EAU, Chaire Hydro-Québec/CRSNG, Hydrologie statistique, 2800 rue Einstein, STE FOY (Québec).
3 IV 4C7 CANADA.
OI BACO, Mario, Università di Bologna, Dipartlmento di Science Statistiche, Via delle Belle arti 41.40126 BOLOGNA, ITALIE.
DURRANS, Rocky, University of Alabama, Civil environmental, Box 870205, TuscaIoosa, 35487.0205 ALABAMA, USA.
FORTIN, Vincent, INRS EAU, Chaire Hydro-Québec/CRSNG, 2800 rue Einstem, CP 7500 STE FOY (Québéc), CANADA.
HUBERT, Piere, Ecole des Mines de Paris, UMR CNRS Sisyphe, 152 rue de Charenton, 77300 - FONTAINEBLEAU, FRANCE.
KOTTEGODA. Luigi, Universita di Pavia, Hydraulic &
Environmental Engineering, Via Ferrata 1. 27 100 PAVIA, ITALIE.
MADSEN, Henrik, University of Danemark, Hydrodynamlcs &
hydraulic eng., Building 115, Technical University, DK 2800 LYNGBY, DANEMARK.
MUNIER, Bertrand, Ecole Normale Supérieur-e, GRID - URA CNRS 1419,61 avenue du Pdt. Wilson, 94230 - CACHAN. FRANCE.
NATALE, Luigl, Universtta di Pnvia, Hydraulic & Enviromnental Engineering, Via Ferrata 1, 27100 _ PAVIA, ITALIE.
PARENT, Eric, ENGREF, L.aboratorte GRESE, 19 avenue du Maine. 75732 - PARIS CEDEX 15. FRANCE.
PLATE, Erich J.. Universltat Karlsruhe, Instltute fur Hydrologie und Wasserwirtschaft, Kaiserstr. 12, D 7612X - KARLSRUHE, ALLEMAGNE.
RIBEIRO. Joseph, Ecole Polytechnique of Montreal, Dpt. of Clvil Engineering,, P.O.BOX 6079, Station Downtown, - MONTREAL Québec, H3C 3A7 CANADA.
ROCHE, Pierre Alain, Ministère Equipement, Logement, Transport Tourisme, EquIpement de Picard]e, Cité administrative. 56, rue Jules Bal-ni, 80040 - AMIENS, FRANCE.
ROSBJERG. Henrik. University of Danemark, Hydrodynamics &
hydraulic eng.. Building 115, Technical University, DK 2800 LYNGBY. DANEMARK.
SAC?$RDO. Ionel, ENEL - CRIS UIGI , SO del Pop010 245, 3017;
MESTRE. ITALIE.
SCHMITT-HEIDERICH, Erich, Universitat Karlsruhe, Institute fül Hydrologie und Wnsserwirtschaft, Kalserstr. 12, D 76 128 KARLSRUHE. ALLEMAGNE.
SUTCLIFFE. John, HEATH BARTON Manor road, Gorlng or thames, RC8 YEH - NEAR READING. ANGLETERRE.
TODINI, Ezo, Umversith dl Bologna. Dipartimento di Scienze dell:
Terra Via Zamboni 67. 40126 BOLOGNA, ITALIE.
1 1
;
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1 1 I 1 c I l
1 I 1 , ,
1
3ARDOSSY, Andras, University of Stuttgart, Hydraulic zngmeering, Pfaffenwaldring 61, D 70550 STUTTGART.
4LLEMAGNE.
3ENJOUDI. Hocine, Université Pierre et Mane Curie, Laboratoire Je giologie appliquée, 4 Place Jussieu, 7.5252 PARIS CEDEX 05, çRANCE.
BERGER, James O., Purdue University, Departement of Statistlcb IND 47907 - WEST LAFAYETTE, USA.
BIRIKUNDAVYI, Salvator, Ecole Polytechnique of Montreal. Dpt If Civil Engineering, P.O.BOX 6079, Station Downtown, MONTREAL, Québec, H3C 3A7 CANADA.
ZAVADIAS. George 21 Alopekis, 10675 ATHENES, GRECE.
DUCKSTEIN, Lucien, University of Arizona, System, Ind. Eng.
Dpt., College Eng.Mines, 85721 - TUCSON, USA.
FARQUHARSON, F.A.K, Institute of Hydrology, 0X10 8BB WALLINGFORD, UK.
JULLBAUD, Sophie, LTHE-UMR, SS64 BP 51 38041 SRENOBLE CED-EX, FRANCE.
JACQUET, Joseph, 18 rue Rameau, 63000 CLERMONT- FERRAND, FRANCE.
LANG, Michel, CEMAGREF LYON, Division Hydrolofle hydraulique, 3 bis quai Chauveau, 69.136 LYON CEDEX 09.
FRANCE.
MIQUEL, Jacques, EDF - DEPT DTG, Service Ressource en Eau, 37 rue Diderot, 38040 _ GRENOBLE CEDEX, FRANCE.
MLJSTER, Holger, Universitat Karlsruhe, Instltute für Hydrologie und Wasserwirtschaft, Kaiserstr. 12, D 76128 - KARLSRUHE.
ALLEMAGNE.
OBLED, Charles, LTHE-UMR 5564, BP 53, 38041 GRENOBLE CEDEX, FRANCE.
PERREAULT, Luc, INRS EAU, Chaire Hydro-Quibuc/CRSNG.
Hydrologie statistique, 2800 rue Einstrm, --STE FOY (Quebec).
GlV 4C7 CANADA.
RAITERI, E, Universita dl Pavia, Hydraulic & Env]i-omnental Engineering, Via Ferrata, 1, 27 100 PAVIA, ITALIE.
RIOS-INSUA, David, Umversidad Politecnica Madrid , Spain and CNR-]AMI, - MADRID, ITALIE.
RODRIGUEZ. Javter Yves, EDF-DTG, Ressource en eau. BP 53 38041 GRENOBLE CEDEX, FRANCE.
ROUSSELLE, Jean, Ecole Polytechnique of Montreul, Dpt. of Cl\11 Engineermg, P.O.BOX 6079, Station Downtown, MONTREAL.
Quibec, H3C I(A7 CANADA.
SCHERTZER, Daniel, Université Pierre et Marx Curie, Laboratoit-e de géologie appliquée, 4 Place Jussleu, 7.5252 PARIS CEDEX OS.
FRANCE.
STANESCU, Viorel, Institut national météorology-hydrologie SCCIOI 1, Sos.bucuresti-ploiesti Y7. 71.552 BUCARESTI. ROUMANIE THIRRIOT, Claude, CNRS/ENSEEIHT, Laboratoire 005, 2, rut C.
Camichel, 31071 -TOULOUSE CEDEX, FRANCE.
VIERTL, Reinhard, Technische Universitat Wien , Wledner Haupstrasse X-lO/lO7, A.1040 WIEN, AUTRICHE.
PARTIE 1 PART 1
INTRODUCTION
1. HOMMAGE A JACQUES BERNIER / HOMAGE TO JACQUES BERNIER ._...,... 3-22 J. Jacquet, B. Bobée, J. Miquel, E. Parent
2. INFORMATION, MODÈLES, RISQUES ET HYDROLOGIE STATISTIQUE /
INFORMATION, MODELS, RISKS AND STATISTICAL HYDROLOGY . . . 23-38 J. Bernier
1. HOMMAGE A JACQUES BERNIER
Joseph JACQUET
Ancien Conseiller Scientifique d’Electricité de France Professeur Honoraire d’Hydrologie à 1’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées
Bernard BOBEE
Titulaire de la Chaire d’Hydrologie Statistique HYDRO- QUEBECKRSNG établie à l’INRS-EAU
Jacques MIQUEL
Chef du Service Ressources en Eau
Electricité de France - Division Technique Générale Eric PARENT
Directeur du laboratoire de Gestion des Risques En
Sciences de l’Eau de 1’Ecole Nationale du Génie Rural, des Eaux et des Forêts
Résumé
A l’ouverture de la conférence internationale “ Méthodes Statistiques et Bayésiennes en Hydrologie “, qui s’est tenue à l’UNESCO les 11, 12 et 13 septembre 1995 en l’honneur du professeur J.
BERNIER, nombre de ses collègues, disciples et amis se félicitent de voir ses travaux enfin reconnus par la communauté scientifique internationale. Après une évocation du creuset scientifique où s’est formé le jeune statisticien hydrologue, sont ici retracés les parcours du chercheur, de l’ingénieur et de l’homme.
Abstract
The international conference “Statistical and Bayesian Methods in Hydrological Sciences ” was held in Unesco headquarters from September 11 to September 13, 1995 in honor of Prof. Jacques BERNIER. Several of his friends and colleagues took the opportunity to express their sincere happiness to see that his important work was finally recognized by the international scientific community. After briefly recalling how Jacques Bernier came to hydrology, the traits of the researcher, the engineer and the man are sketched in this paper.
1.1. Au commencement de la carrière de J. Bernier, un entourage scientifique exceptionnel
En septembre 1955, frais émoulu de la Faculté des Sciences et de l’Institut de Statistique de l’Université de PARIS (I.S.U.P.), Jacques BERNIER est entré au Service des Etudes Hydrauliques (S.E.H.) de la Direction des Etudes et Recherches (D.E.R.) d’Electricité de France (E.D.F.). EDF a alors 9 ans... La loi de nationalisation de 1946 a confié au nouveau Service National la mission de subvenir aux besoins en électricité de la collectivité nationale en assurant la garantie de la fourniture “aux meilleurs conditions de coût et de qualité de service”. Cette obligation implique la recherche permanente d’un optimum en matière d’équipement et de gestion des moyens de production d’électricité d’origine hydraulique et thermique afin de faire face aux fluctuations de la demande présente et future. Au sein de la nouvelle Direction des Etudes et Recherches (D.E.R.), sont regroupés plusieurs équipes et laboratoires dont ceux:
- de la Société Hydrotechnique de France (S.H.F.) chargée de la mise au point des outils intellectuels et techniques nécessaires à la conception, à la réalisation et à l’exploitation des aménagements hydroélectriques
- et du Laboratoire National d’Hydraulique (L.N.H.), créé dans l’île de CHATOU quelques années auparavant sous l’égide de la Direction des Ports et des Voies Navigables du Ministère des Travaux Publics et de la Reconstruction, pour l’étude sur modèles physiques, des aménagements hydrauliques de toute nature.
L’originalité du S.E.H. réside dans sa composition. Cet organisme regroupe en effet à la fois
- une équipe d’ingénieurs et de techniciens hydrologues étudiant les mécanismes de génération de l’écoulement à partir des précipitations à l’échelle du bassin versant en vue de la prévision des apports dans les retenues, et se préoccupant de toutes les questions d’hydrométéorologie connexes,
- et une équipe de mathématiciens, universitaires de formation, constituant un Bureau d’Etudes Statistiques (B.E.S), dont la qualité des travaux en Hydrologie Statistique associée à l’économie de l’électricité a déjà attiré l’attention de Pierre MASSÉ, premier Directeur de 1’Equipement d’EDF et futur Commissaire au Plan.
C’est naturellement dans l’équipe du B.E.S., animée alors par Georges MORLAT, que Jacques BERNIER va prendre place au coté d’hydrométéorologues de terrain, tels que Joseph JACQUET, qui animera sucessivement la future Division Hydrologie, puis le Département Environnement Aquatique et Atmosphérique.
1.1.1. Halphen
Etienne HALPHEN est présent dans les esprits des chercheurs du B.E.S. Normalien de la Promotion 1925, trop tôt disparu en 1954, il a donné à 1’Hydrologie Statistique ses lettres de noblesse et un essor inégalé, en puisant dans la nature même des variables à traiter l’inspiration créatrice d’outils adaptés, faisant appel aux ressources d’une culture et d’une intuition mathématique incomparables.
Il est surtout connu dans la Communauté Scientifique par la classe complète de fonctions de distribution à 3 paramètres - les lois de HALPHEN - qu’il a imaginée face à l’insuffisance des lois statistiques classiques pour représenter convenablement les caractéristiques fondamentales des distributions de débits des cours d’eau. Bien que les difficultés rencontrées pour la tabulation précise de ces lois avant l’ère des ordinateurs aient freiné leurs applications, il est intéressant de mentionner ici, qu’à l’instigation de Jacques BERNIER,elles ont été utilisées pour la modélisation des débits extrêmes de crues au Canada, et ont été introduites dans un logiciel pour en faciliter l’utilisation (PERREAULT et BOBEE,
1997).
Ces lois ne représentent toutefois qu’une petite partie des travaux d’HALPHEN : ses réflexions sur les fondements du calcul des probabilités et de la statistique mathématique, en approfondissant la notion de vraisemblance, mériteraient en particulier que l’on s’y arrête:
Georges MORLAT et Jacques BERNIER ont été les dépositaires et continuateurs de cette entreprise...
1.1.2. Morlat
Georges MORLAT est la seconde personnalité atypique du B.E.S. de la Division Hydrologie, formé à 1’Hydrologie à l’école d’Etienne HALPHEN. Il s’est engagé à fond dans la mise au point de modèles adaptés à la représentation des aléas hydrologiques aux diverses échelles de temps et d’espace; elles sont nécessaires à la résolution des problèmes économiques qui concernent l’équipement des moyens de production d’énergie électrique, et à la définition de stratégies de gestion des réserves hydrauliques. Les travaux de MORLAT, à forte connotation économique, l’ont naturellement conduit à s’orienter résolument vers les applications du calcul des probabilités à l’économie.
L¶I.S.U.P. a bénéficié de ses talents de professeur et d’organisateur des études, tandis qu’EDF et le CEA ont fait appel à lui pour prendre la mesure des risques liés à l’énergie nucléaire et introduire une certaine forme de rationalité .économique en matière de radioprotection. Dans les années 70, il s’intéressera à la compréhension des mécanismes de la contestation en animant un Groupe de Recherches “Energie, Technologie et Société”, qui poursuivra ensuite ses travaux sur la prise en compte des facteurs humains dans l’évaluation des risques de l’industrie nucléaire...
1.1.3. Le Cam
Le troisième homme de la triade des statisticiens hydrologues du B.E.S. vers 1950 est Lucien LE CAM, chez qui se conjuguent la Statistique Mathématique et I’Hydrologie Analytique. Pour l’étude de la structure fine des séries chronologiques de débits, il s’intéresse à l’opérateur de convolution reliant les processus de précipitation et d’écoulement et par là, tout naturellement, à la connaissance des mécanismes physiques qui régissent cette transformation. Il va prendre en compte l’aspect aléatoire des phénomènes pour représenter les processus stochastiques des débits à partir de ceux caractérisant l’évolution de l’intensité des pluies dans le temps.
Avant de rompre les amarres avec le vieux Continent en devenant chercheur et professeur à l’Université de BERKELEY, ses travaux sur les sécheresses contiennent des aperçus originaux sur les successions de ces phénomènes qui ont conduit HALPHEN à proposer son schéma de “vaches maigres” pour décrire les probabilités de sécheresses en faisant intervenir deux lois, l’une pour les années “normales”, l’autre pour l’occurrence en série d’évènements exceptionnels tels que ceux de la décennie 1940-1950... En ce sens, LE CAM et HALPHEN sont les précurseurs des travaux de Benoît MANDELBROT.
Sous le titre “Problèmes et Méthodes de I’Hydrologie Statistiques”, Jacques BERNIER a dressé en 1963 un tableau remarquable des travaux effectués par le trio HALPHEN- MORLAT-LE CAM en les replaçant dans le contexte opérationnel où ils se sont développés.
1.1.4. Mandelbrot
Benoît MANDELBROT a profondément marqué une génération de chercheurs du L.N.H. à Chatou. Sa démarche intellectuelle allant du complexe au simple, montre comment la prise en compte des phénomènes géophysiques les plus complexes, dans tous leurs états et leur dynamique, peut être féconde pour la création de nouvelles représentations de la réalité en mobilisant des entités mathématiques développées indépendamment et qui se révèlent adaptées à leur utilisation inattendue. Sa recherche obstinée de la réduction de l’écart entre l’objet et sa.représentation est le moteur même de la quête de vérité si l’on admet que cette dernière se définit comme “adaequatio rei et intellectus”, d’après le vieil adage aristotélicien qui assure que l’esprit humain est fait pour comprendre la réalité du monde extérieur à lui.
Ainsi exposait-il ses recherches en 1967 dans une petite salle située dans les combles des grands halls d’essais du L.N.H. , expliquant en particulier comment la considération des successions de longue durée d’évènements hydrologiques rares, qu’il désignait de façon parlante par”Effet Noé” et “Effet Joseph”, le conduisait à une révision radicale des processus statistiques “classiques”, dérivés de l’approche gaussienne, et de la notion même de hasard qui leur était appliquée. Il recherchait alors les plus longues séries disponibles de données hydrologiques pour tester le caractère opérationnel des nouveaux modèles, dits “à homothétie interne”, qu’il proposait en substitution aux modèles markoviens après avoir découvert les travaux de HURST décrivant, à l’aide d’un coefficient d’échelle les dépendances entre débits successifs du NIL... Jacques BERNIER fera exécuter par un jeune ingénieur des Ponts et Chaussées, Henri BONAQUE, un travail remarquable, resté inédit, sur le coefficient de HURST et le Modèle de MANDELBROT appliqué à La LOIRE où la question posée par l’occurrence de la succession des 3 crues historiques de 1846 - 1856 - 1866 reste encore entière.
1. 2. Du S.E.H à 1’INRS Eau au Québec, en passant par le LNH : quarante années très riches.. .
1.2.1. Du Services des études hydrologiques . . .
A son arrivée en 1955 à I’EDF les premiers travaux de Jacques BERNIER portent sur l’analyse des crues de la DURANCE pour le dimensionnement des évacuateurs de crues du réservoir de SERRE-PONÇON. L’enjeu socio-économique était de taille en raison de l’irrégularité du régime de la rivière, des données fragmentaires sur les plus importantes crues historiques et de la première mondiale que constituait l’implantation d’une digue en terre de telles dimensions dans un lit constitué d’alluvions. D’emblée, il est confronté à la notion de risque dans la prise de décision dans le cadre de l’estimation des crues de très faible probabilité, à partir de l’ajustement de lois de distribution à des échantillons de données limitées à la fois en qualité et en durée d’observation. On retrouve dans ses publications de l’époque, déjà précisées, la plupart des grands thèmes qui vont guider sa réflexion ultérieure et, esquissées, certaines des approches originales qu’il médite déjà.
1958 a été marqué par la dissolution du B.E.S. Jacques BERNIER fait alors un bref séjour à Gaz de France où il se consacre pendant trois années au traitement de problèmes technico-économiques.
1.2.2. En passant par le LNH de Chatou...
Les liens avec ce qui reste de la Division Hydrologie sont trop forts: Jacques BERNER
y succombe et arrive fin 1962 à Chatou où il participe et met un point d’orgue aux expérimentations de pluie provoquée commencées par EDF en 1954. 11 en a d’ailleurs tiré la matière de sa thèse : “Sur le contrôle des opérations de pluie provoquée”, présentée à 1’I.S.U.P. en 1963 et une communication faite à BERKELEY en 1965, dans laquelle sont évalués les divers plans d’expérience, avec ou sans tirage au sort pour les inséminations de nuages, avec les tests de contrôle associés. Ce travail demeure une référence sûre que l’on peut encore consulter avec profit dès que l’on s’interroge sur les moyens à mettre en œ uvre pour conjurer la sécheresse. Ce sera aussi pour lui l’occasion d’approfondir la notion de robustesse des tests statistiques d’hypothèses, selon leur sensibilité à un mauvais choix des lois de distribution des observations, et de s’intéresser à la théorie des tests, en particulier à celle des tests non paramétriques plus “robustes” pour la comparaison de séries de valeurs voisines. Dans une de ses publications de 1963, faite à propos du contrôle statistique des opérations de pluie provoquée, apparaît la première mention de l’utilisation du principe de BAYES dans le choix de probabilités a priori pour les hypothèses d’un test de comparaison, choix permettant de minimiser l’espérance mathématique du coût a posteriori. Dans son esprit, les méthodes bayésiennes sont en route ! Deux autres sujets génériques dominent cette période (1963-67): l’estimation des probabilités des débits de crue (méthodes bayesiennes, cas d’information incomplète,...), et les problèmes d’exploitation des réserves hydrauliques : la gestion optimale des réservoirs à buts multiples, la garantie assurée par des réservoirs de régulation saisonnière, les règles de gestion des réservoirs de protection contre les crues, etc...
En 1967 Jacques BERNIER est directement attaché au Chef du Laboratoire National d’Hydraulique. A ce titre il participe à une aventure originale : la création d’une structure de recherche hydrologique mixte EDF - Université, dirigée par Yves CORMARY à MONTPELLIER. Il est chargé d’un rôle de conseil en statistique auprès de l’équipe montpelliéraine dont les travaux, orientés vers les synthèses hydrologiques régionales, mettent en œ uvre un ensemble très élaboré de modèles statistiques à variables multiples dont il est l’inspirateur : l’Atlas Hydrologique de l’Allier en sera la réalisation la plus achevée qui sera utilisé avec profit par toute une génération d’hydrologues.
Parallèlement il développe de nombreux modèles de processus stochastiques, à une ou plusieurs dimensions, pour la représentation des crues comme des sécheresses. Il introduit en France le modèle de “ Renouvellement ” qui, sera appliqué d’abord aux pluies puis aux débits, et rendra de nombreux services. A cette époque également apparaissent plusieurs travaux sur le calage des modèles, sur les erreurs d’échantillonnage, sur le traitement de l’information incomplète: thème omniprésent dans la suite de sa carrière.
A partir de 1970, ses contributions originales à l’élaboration de modèles de pollution en rivière, prenant en compte la capacité auto-épuratrice du cours d’eau, ont permis d’introduire le point de vue stochastique dans la modélisation de la qualité des eaux. Il découvre aussi dans ce nouveau domaine de l’environnement un champ particulièrement adapté à l’analyse bayésienne qui ne considère plus la probabilité comme une notion “objective”, figée, mais bien plutôt évolutive avec la prise en compte de nouvelles informations.
A partir de 1973, le choc pétrolier, puis les besoins d’études liés à l’équipement nucléaire ouvrent encore de nouvelles perspectives aussi bien en hydrologie fluviale que maritime. Jacques BERNIER est chargé d’animer une petite équipe d’ingénieurs qui participera à l’évaluation des risques liés aux événements naturels pour les centrales en bordure de rivière ou en bordure de mer: calage des plates-formes par rapport aux niveaux atteints par les crues, risque de perte de la source froide en période d’étiage, risques liés aux
séismes, risques de houles ou de surcotes de marée extrêmes pour les centrales en bord de mer.
Pour répondre à ces questions les modèles d’évaluation du risque, combinant le
“ renouvellement ” et l’analyse bayésienne, sont parvenus à leur maturité et trouvent tout naturellement leur emploi naturel, aussi bien pour les crues, les séismes que les surcotes de marée. En étiage, les modèles proposés analysent conjointement l’amplitude des débits et leur durée sous un seuil fixé. Pour la houle, la vérification du modèle gaussien des amplitudes permettra une approche fiable et une modélisation rigoureuse des événements extrêmes.
Cette activité liée au nucléaire ne doit pas masquer la poursuite des travaux concernant le dimensionnement et la gestion des ouvrages hydrauliques en collaboration avec Jacques MIQUEL: le cas du projet de barrage aux Angles sur la Vézère est l’occasion d’introduire de manière explicite la valeur de l’information hydrologique dans un processus de dimensionnement optimal d’un réservoir, dans le cadre de la théorie de la décision en avenir incertain. L’optimisation de la gestion d’un réservoir, également en avenir incertain, en présence d’incertitudes sur les apports et la propagation des lachures, a fait l’objet d’une thèse et d’un développement de modèles d’optimisation par programmation dynamique appliquée à des scénarios de prévision de débits.
D’autres organismes comme le Service des Phares et Balises (prévision du pied de pilote pour les pétroliers entrant au Havre, dimensionnement des digues, des plates-formes pétrolières,...) ou encore le Ministère de l’Environnement (modèles de simulation et de prévisions hydrologiques), et de nombreux laboratoires de recherches français et étrangers ont aussi utilisé les résultats de ses travaux.
1.2.3. Jusqu’à I’INRS Eau au Québec....
Lorsqu’en 1991 Jacques BERNIER quitte EDF après 36 années de bons et loyaux services, curieusement fort peu célébrés, ce n’est pas pour se retirer dans quelque thébaîde, c’est pour mieux se consacrer aux collaborations externes qu’il avait initiées depuis quelques années : d’abord avec l’Institut National de la Recherche Scientifique de l’Université du Québec qui lui a spontanément proposé de participer à des programmes de recherche (étude des lois de Halphen, régionalisation des crues,... ). Cette collaboration se poursuit aujourd’hui dans le cadre de la chaire en hydrologie statistique financée par Hydro-Québec et le CRSNG.
L’ équipe de Gestion du Risque en Sciences de l’Eau (à 1’Ecole nationale du Génie Rural et des Eaux et Forêts), ou encore celle de la Surveillance de l’Environnement de Jean-Jacques BOREUX (Fondation Universitaire Luxembourgeoise) bénéficient également de l’appui d’un conseiller scientifique bénévole et enthousiaste...
1.3. La complicité du chercheur et de l’ingénieur
Pour notre collègue, les problèmes techniques de l’ingénieur sont le terreau, savamment fertilisé, du chercheur ! Là où l’ingénieur questionne “ risques de crues “, le chercheur répond Renouvellement, Analyse Bayésienne, Information Historique....
1.3.1. L’ ingénieur...
Le caractère opérationnel de ses travaux s’impose: sa réflexion n’est pas un jeu de l’esprit gratuit. La liste des publications, présentée en annexe de cet article, n’est que la partie émergée des centaines de notes, rapports internes, conférences et cours inédits, et l’on est immédiatement frappé par la variété des problèmes techniques auxquels il a imprimé un sceau
personnel, élaborant à chaque occasion des outils souvent novateurs et adaptés à leur résolution.
Il est bon de souligner combien EDF, mais aussi les Ministères de l’Environnement, des Transports, de I’Equipement, des Agences de l’Eau, et bien d’autres organismes, ont concrètement bénéficié des solutions apportées par l’ingénieur-chercheur.
On a déjà parlé de sa contribution au dimensionnement et à la gestion des réservoirs, de son expertise en matière de pluie provoquée, de son apport en matière de modélisation stochastique de phénomènes d’environnement aquatique. Mais ses études de risques, aussi bien pour les crues, les étiages, les séismes, les surcotes de marée, les houles extrêmes auront été des outils indispensables aux calages de plates-formes des centrales nucléaires, aux dimensionnements de digues fluviales et maritimes, aux projets autoroutiers, aux aides à la navigation par faibles pieds de pilote,...
Ses travaux concernant la modélisation hydrologique à des fin de simulation ou de prévision aura permis de répondre à des questions aussi diverses que la conception d’un canal à houle aléatoire, l’analyse des efforts subies par les plates-formes pétrolières, la corrélation spectrale de plusieurs variables comme vent et courant marin, la définition du dispositif de mesures de la houle par le Service des Phares et Balises, le calage de modèles hydrologiques et hydrauliques, la comparaison de modèles de prévision de crues, etc...
La multiplicité de ces applications témoigne d’un sens profond du concret qui se traduit dans la formulation de chaque problème de façon à pouvoir lui apporter la réponse statistique optimale, mais elle souligne aussi la généralité des méthodologies employées. C’est même avec une sorte d’intempÈrance statistique que Jacques BERNIER traque sans relâche l’aléa dans chaque problème, débusque la moindre faille pour y glisser au moins une distribution, et trouve parfois, ô bonheur, un terrain expérimental pour une analyse de processus et un nouveau modèle stochastique!. . .
1.3.2. Le chercheur...
La diversité d’applications ne masque pas ce qui fait l’unité profonde de ses recherches:
le triptyque Temps, Information et Décision.
Les trois sont évidemment intimement liés: l’information est incomplète parce que limitée dans le temps; cette information incomplète affecte profondément l’appréciation que nous pouvons avoir de phénomènes dont la structure temporelle peut pourtant nous permettre parfois, de prévoir et décider, de façon dynamique, à défaut de tout comprendre; la décision elle même très dépendante de cette information incomplète, dont la valeur devient une notion tangible, souvent même économique.
Ces trois volets et leurs interactions constituent pour Jacques BERNIER, une préoccupation permanente .
- l’étude des processus, et le mélange d’imagination et de rigueur pour les modéliser de façon pertinente par rapport au problème technique posé, qu’il s’agisse de prédétermination, de prévision ou de simulation de phénomènes hydrologiques est une clé de voûte de sa contribution. Un des premiers en 1956 à proposer l’utilisation des loi de Gumbel et Fréchet pour la prédétermination des débits de crue, l’intérêt qu’il porte à la distribution des événements dans le temps le conduit rapidement de l’étude des liaisons entre débits successifs à celle de la répartition des intervalles de temps séparant deux crues de probabilité donnée par les méthodes dites de Renouvellement, dont il sera le promoteur en France dès 1967, en complément de l’approche classique basée sur les lois de probabilité des crues maximales annuelles.
P~US tard il élargit son champ d’étude aux modèles multivaries, qu’il s’agisse de
Renouvellement à plusieurs dimensions, d’analyse spectrale croisée, ou de régionalisation.
- l’évaluation des incertitudes, jugée aussi importante que l’estimation elle même, est un leitmotiv. Il est particulièrement vigilant a la critique de l’information, voire a sa reconstitution ou son extension, pour toujours en tirer le meilleur parti.
Mais la constatation triviale que l’information hydrologique se présente toujours sous forme de séries chronologiques d’observations relatives à un intervalle de temps donné et que le déroulement du temps, donc l’occurrence des phénomènes, se poursuit, ne laisse pas de lui poser la question de fond : comment prendre en compte rationnellement l’information supplémentaire qui devient ainsi disponible ? Ceci explique que sa pensée ait très tôt adhéré à la théorie selon laquelle le concept de probabilité doit être dynamique et réévalué en fonction du caractère lui-même évolutif de l’information dont on dispose, même s’il s’agit d’information “hétérogène” par rapport à l’échantillon initial. Dans une telle perspective, l’analyse bayésienne s’impose rapidement. A partir de 1967 il en est un promoteur convaincu, et l’un des scientifiques qui aura le plus contribué à la diffusion et à la démonstration du potentiel de l’approche bayésienne en hydrologie..
La prise en compte des informations historiques isolées a été chez lui un souci constant depuis ses premiers travaux sur les crues de la DURANCE : là encore le point de vue bayésien a apporté la réponse à cette question insoluble dans un contexte de probabilités
“objectives”.
C’est aussi cette perception dynamique de l’arrivée d’information qui le conduit à explorer l’intérêt du traitement des erreurs, notamment par filtrage de Kalman, pour renforcer les performances des modèles de prévision.
- l’analyse de la décision: si les outils de la recherche opérationnelle, à commencer par la programmation dynamique, lui sont familiers, il ne cache pas que “ se poser la question de savoir si l’on prend la bonne décision est vain, l’important est de savoir si l’on prend la bonne décision compte tenu de l’information disponible “. Et d’adapter les principes de l’analyse de la décision à l’hydrologie, aussi bien au dimensionnement qu’à la gestion de réservoirs. La valeur de l’information, qui prend bien en compte conjointement enjeux et aléa, est un de ses chevaux de bataille: montrer à quel point la pauvreté de l’information hydrologique pèse sur la décision est riche pour le projeteur, le gestionnaire, et l’hydrologue. Le premier peut se déterminer en tenant compte dans son dimensionnement de cette pauvreté, le second dispose d’une aide à la décision qu’il appellera au début “ Tableau de Bord “, et le troisième, en affichant le surcoût consenti par le projeteur, peut renforcer son message sur l’utilité de cette information. si difficile et coûteuse à recueillir...
1.3.3. Le professeur...
Les écrits de Jacques BERNIER révèlent un style, toujours dense et précis, dépourvu de jargon ésotérique et fallacieux, et un souci permanent de pédagogie sans pédantisme, s’appuyant sur le concret pour faire pénétrer les nuances les plus subtiles de ses argumentations, même s’il faut consentir un effort certain pour y accéder ! Car si la concision extrême de sa pensée, qu’il faut interpréter, certains diront décrypter, a pu décourager quelques uns, mais quel plaisir pour les autres!
L’ouvrage, intitulé : “Eléments de décision statistique” (1973) rédigé avec Jeanine ULMO, constitue sans doute une référence à laquelle il faut se reporter pour saisir ce qui constitue la toile de fond de ses recherches en Hydrologie Statistique : la poursuite obstinée de la réduction rationnelle des incertitudes variées qui affectent toute prise de décision en situation de risque et qui l’a amené pour cela à promouvoir, entre autres techniques, l’utilisation de l’analyse bayésienne.
