PREVISIONS HYDROLOGIQUES D’ENSEMBLE ADAPTEES AUX BASSINS A CRUES RAPIDES Renaud MARTY Ateliers...

PREVISIONS HYDROLOGIQUES D’ENSEMBLEPREVISIONS HYDROLOGIQUES D’ENSEMBLEADAPTEES AUX BASSINS A CRUES RAPIDESADAPTEES AUX BASSINS A CRUES RAPIDES

Renaud MARTY

Ateliers SCHAPI, Toulouse, 29 juin 2010

Directeur de thèse Charles OBLED Co-direction Isabella ZIN

SCHAPI OHM-CV

Atelier SCHAPI 2010Atelier SCHAPI 2010Prévisions de

précip.

Où les trouver ?

modèles météo ?

en les adaptant ?

Quelles échéances ?

Analogie :

ΔtM = 24h

échéance 7-8 jours

ΔtM = 6 / 12h

échéance ≥ 3-4 jours

Bassins versants

Modèle hydro.

Horloge interne ?

Pas de temps :

ΔtH = 24h

ΔtH = 1h

Prévisions de débits

Échéances visées ?

vigilance météo ?

alerte hydro ?

Échéances hydro. :

7-8 jours

48h

A. Ben Daoud : Seine, Saône (5 000 à 10 000 km²)

R. Marty : Loire amont, Cévennes (500 à 1 000 km²)

assimilation de données sur les débits :

cf. L. Berthet

Plan de la présentationPlan de la présentation

I. Résolutions spatio-temporelles et prévisions de précip. ?

II. Système de prévision adapté aux bassins à crues rapides

III. Prévisions hydrologiques probabilistes

IV. Conclusions et Perspectives

1. Échelle temporelle ?

2. Échelle spatiale ?

3. Prévisions de précipitations nécessaires ?

PLAN

Échelle temporelle ?Échelle temporelle ?Bassin versant● ~ filtre avec ses temps caractéristiques propres

TP : temps de montée au pic

TC : temps de concentration

● Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire

Impulsion de pluieTc

Tp

Discrétisation de l’hydrogramme unitaire instantané

Q /Qp [-]

t / Tp [-]

t / t p = 1 / 5

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

q /

qp [

-]

t / t p = 1 / 2,5

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

q /

qp [

-]

t / t p = 1 / 1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

q /

qp [

-]

t / t p = 3 / 1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

q /

qp [

-]

t / t p = 1 / 10

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

t / t p = 1 / 3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

q /

qp [

-]

t / t p = 2 / 3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

q /

qp [

-]

t / t p = 2 / 1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

q /

qp [

-]

t / t p = 1 / 4

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

t / t p = 1 / 2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

t / t p [-]

t / t p = 3 / 2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

0 1 2 43 0 1 2 43 0 1 2 430

1

.5

0

1

.5

0

1

.5

0

1

.5

Échelle temporelle ?Échelle temporelle ?

t 3TP 2

=

t 1TP 10=

t 3TP 1

= t 2TP 1

=

t 1TP 1

= t 2TP 3

= t 1TP 2

=

t 2TP 5

= t 1TP 3

= t 1TP 4

=

t 1TP 5

=

Échelle temporelle ?Échelle temporelle ?Bassin versant● ~ filtre avec ses temps caractéristiques propres

TP : temps de montée au pic

TC : temps de concentration

● Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire

Impulsion de pluieTc

Tp

Pour reproduire correctement la dynamique temporelle du bassin, la durée maximale d’échantillonnage doit être :

tH ≈ TP /3tH ≈ TC /10(Obled et al, 2009)

Pluie● Processus

d’autant plus homogène sur ΔS grande qu’elle est cumulée sur un temps ΔtH grand (cf.

Ramos et Obled)

étudier la structure spatiale de la pluie en fonction de ΔtH

● Approche géostatistique

t = 10 min S ~ 50 - 100 km2

t = 1 h S ~ 200 - 500 km2

t = 3 h S ~ 500 -1000 km2

Échelle spatiale ?Échelle spatiale ?

(Obled et al, 2009)

Prévisions de précip. nécessaires ?Prévisions de précip. nécessaires ?Bassin versant● Réponse synthétisée par Hydrogramme Unitaire

Impulsion(s) de pluie

Réponse du bassin

Tp


Impulsion(s) de pluie

Réponse du bassin

Pluie obs. au temps t

~majoritaire dans Q t → t +TP

Tp

TP ≈ échéance « hydrologique »


Tp

… pour mieux s’en convaincre

Pluie obs. au temps t

~majoritaire dans Q t → t +TP TP ≈ échéance « hydrologique »

Gardon à Anduze, novembre 2007


TP : échéance « hydrologique »

● Enjeux et anticipation

Protection des personnes, PCS, services de sécurité 12-24 h Mise en vigilance/alerte des services opérationnels 2-3 jours Gestion des ouvrages hydrauliques 4-6 jours

SPC Alpes Nord

(DDT Isère, Grenoble)

www.vigicrues.ecologie.gouv.fr/

Cévennes

08-09/09/2002

Villerest (Loire)

01/11/2008

anticipation requise < TP

précipitations obs. suffisent

anticipation requise > TP

prévisions de précipitations indispensables

1. Présentation des bassins versants

2. Caractéristiques d’un système de prévision hydrologique

3. Prévisions de précipitations disponibles

4. Désagrégation temporelle





Bassins versantsBassins versantsBassins à crues rapides● Cévennes-Vivarais, Loire amont

Fortes précipitations en automne... P = 150 à 300 mm en 24h

Episodes parfois sur 2/3 jours ... génératrices de crues rapides

Q = 10 à 3000 m3/s en qq. heures

● L’Ardèche à Vogüé

635 km2,

● Le Gardon à Anduze

545 km2,

● La Loire à Chadrac

1310 km2, TP (HU) ≈ 6h

TP (HU) ≈ 5h

TP (HU) ≈ 5h ΔtH = 1h

lame d’eau

besoin PQPF

Chaîne de prévision hydrologique : deux grandes approches

● Le « tout-en-un »

couplage météo - météo e.g. modèle global modèle à aire limitée

couplage météo - hydro e.g. humidité sol, végétation, évaporation, ...

couplage hydro - hydrau e.g. propagation, apports latéraux, confluence...

hydrau

hydro

Point de vue de l’hydrologue

outil figé modifier 1 module modifier tt le système

tributaire d’un seul fournisseur vulnérabilité

responsabilités : identification des sources d’erreur,

incertitudes et propagation

mise à jour opérationnelle intégration difficile des pluies obs. informations qualitatives complémentaires

météo : synop

météo : méso

« tout-en-un »

Système de prévision hydrologiqueSystème de prévision hydrologique

Chaîne de prévision hydrologique : deux approches● Le « tout modulaire »

évaluation correction



Info qual.

hydrau

h y d r o

Échelles météo hydro.

m é t é o

Point de vue de l’hydrologue

outil souplemodif. 1 module pas/peu d’interaction avec les autres

multi-fournisseur (radar, PQPF)sécurité,

utile quand divergence entre modèles

évaluation/correction possible par moduleidentification des sources d’incertitudes, estimation, correction

mise à jour régulière par module infos météo et hydro indépendantes

Notre choix approche

modulaire


Prévisions Météorologiques

modèle global

modèle à aire limitée

sorties brutes de modèles météo.

● Prévision d’ensemble

plusieurs fournisseurs : EPS (CEPMMT), PEARP (MF), …

ΔxM ≈ 20 à 100 km, ΔtM ≈ 3 à 24h

● Prévisions sur des échelles plus fines

modèle à aire limitée : COSMO-LEPS, …

ΔxM ≈ 2 à 20 km, ΔtM ≈ 3 à 24h


Prévisions Météorologiques

sorties adaptées de modèles météo.

● Adaptation statistique

méthodes régressives entre sorties brutes et précip. observées

mais fréquentes évolutions des modèles météo

nouvelle possibilité : « Reforecasts »

● Adaptation statistico-dynamique

analogie, type de temps : cf. A. Ben Daoud

ΔxM ≈ BV, ΔtM ≈ 12 à 24h


Respect des échelles hydro-météorologiques

● Approche simple

Thiessen sur mailles

● Approche plus complexes

fractale,

krigeage, …

échelle spatiale : pour modélisation hydro. globale

sorties brutes : ΔxM ~ 2 à 50 km sorties adaptées : ΔxM ~ BV

ΔtM ~ 3 à 24h ΔxH ~ BV


● Approches simples

moyenne, triangle

● Approches plus complexes

fractale

générateur stochastique

ΔtH ~ 1h ΔxH ~ BV

échelle temporelle : spécifique aux bassins à crues rapides

Respect des échelles hydro-météorologiques


Modélisation hydrologique

● Elaboration de prévisions hydrologiques probabilistes

Modèle(s) hydrologique(s)

scénarios horaires de

précipitations

« traces » hydrologiques (en débits)

Gestion du fonctionnement opérationnel : rafraîchissement journalier des prévisions, collecte horaire des précipitations obs.

Conditionnement par le passé : pluies obs.

Conditionnement par le futur : prévi de précipitations ( + prévi immédiate ?)

+ Possibilité de prendre en compte toute information qualitative complémentaire : début, arrêt des pluies, intermittence

● Choix du/des modèle(s) hydrologique(s)

simple, parcimonieux, robuste

prévis. hydro. robustes à partir de 500 à 1000 scénarios

● Approche probabiliste

plusieurs modèles

plusieurs jeux de paramètres

Hydrologie


Modélisation hydrologique

● Elaboration de prévisions hydrologiques probabilistes

Modèle(s) hydrologique(s)

scénarios horaires de

précipitations

« traces » hydrologiques (en débits)

« traces » hydrologiques

synthèse par quantile

synthèse par dépassement de seuil

Hydrologie

Q90

Q60

Q35

Pobs

Pobs à venir

QobsQsim(Pobs) trace


● Continuité dans la « lignée » des développements menés au LTHE

prévisions par analogie Guilbaud 96, Bontron 04, Thévenot 04

prévisions d’ensemble EPS Marty 10

générateur stochastique Tourasse 81, Lebel 84

+ conditionnement par le passé Lardet 92

+ conditionnement par le futur Datin 98, Djerboua 04

+ application sur l’Ardèche Datin 98

+ application sur la Loire Supérieure Moulin 07

+ application sur le Gardon Marty 06

modèle hydrologique (TOPSIMPL) Saulnier 95, Datin 98, Zin 02


Prévisions de précipitations disponiblesPrévisions de précipitations disponiblesPrévisions de précipitations disponibles

Prévisions d’ensemble EPS du CEPMMT 51 « traces »

Δt = 6h, utilisées à 6, 12 et/ou 24h,

produites 2 fois par jour 0 et 12 hTU et reçues à 6 et 18 hTU,

échéance = 10 jours, limitée ici à 3 jours,

grille de résolution 0.70°(2000-2006) puis 0.45° (2006-2009)

échelle : BV polygone de Thiessen

Prévisions de précipitations disponibles

Prévisions / Adaptation par analogie ANA24 et ANA12 30 « analogues »

« temps réel » au LTHE, à partir des sorties du modèle GFS (NOAA)

ANA24 : ΔtM = 24h, produites 1 fois par jour (06 hTU),

ANA12 : ΔtM = 12h, produites 2 fois par jour (06 et 18 hTU),

échéance = 7 et 3 jours

échelle : BV

N0 N1 N2

Prévisions de précipitations disponiblesPrévisions de précipitations disponibles

Désagrégation temporelleDésagrégation temporelleGénérateur stochastique de scénarios horaires de précip.● Adaptation temporelle

du pas de temps météorologique ΔtM (12, 24h)au pas de temps hydrologique ΔtH (1h)

● Paramètres

NA nombre d’averses par épisode

DA durée de l’averse

ITEA durée de la période sèche

entre averses

HPA volume de l’averse

HPMX maximum de pluie horaire

HEMA position de ce maximum

Générateur stochastique de scénarios horaires de précip.

● Conditionnement par les prévisions de précipitations

%

60%

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

100%

0%m m

m m

Total = 100%

Nombre total de scénarios

Souhaitésex. 500~1000

X

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

210

181

132120120

106

70 50

11

m m

N

Nombre de scénarios à retenir pour chaque classe

Cumul sur 24h à partir de 6h TU

Désagrégation temporelleDésagrégation temporelle

Générateur stochastique de scénarios horaires de précip.

● Conditionnement par les prévisions de précipitations

6hTU 6hTU

42mm en 24ht

6hTU 6hTU

Génération de scénarios marginaux

Censure: Retenir ce scénario généré pour la classe [40-45]

sauf si elle en contient déjà

120

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

210

181

132120120

106

70 50

11

m m

N

Rajout/rejetdu scénario


temps [hTU]6 3

054

18

42

Jour J Jour J+1 Jour J+2

prévision pour J prévision pour J+1

12

Or entre 6 et 12 hTU Pobs = 48.4mm

prévision pour J conditionnée par Pobs

Pluie observée

échéance

A 6 hTU

Nouvelles prévisions disponibles

18

Générateur + Cycle de fonctionnement● Rafraîchissement journalier (bi-journalier) des Prévisions météo (precip)● Mise à jour horaire des distributions avec les précipitations observées


temps [hTU]6 3

054

18

42


prévision pour J prévision pour J+1 prévision pour J+(J+1)

Or depuis 6 hTU Pobs = 54.1 mm prévision pour J + (J+1)

conditionnée par Pobs

Pluie observée

échéance

18 hTU combinaison des 2 distributions


temps [hTU]6 3

054

18

42


prévision pour J prévision pour J+1

Jour J Jour J+16 3

018

6 hTU : Nouvelles prévisions disponibles

échéance

Processus réinitialisé






1. Prévisions hydrologiques avec information quantitative à 24h

2. Prévisions hydrologiques avec information quantitative à 6/12h

3. Prévisions hydrologiques selon une approche mixte

Exemple : Gardon à Anduze - 6 sept. 2005 - 6 hTU

Nelles prévisions : distributions pour J

EPS24

ANA24

Prévisions hydro. avec info à 24hPrévisions hydro. avec info à 24h

06:00

Exemple : Gardon à Anduze - 6 sept. 2005 - 18 hTU


EPS24

ANA24

18:00

Combine J et J+1 + Pobs depuis 6hTU : 54.1 mm

Intérêt / nécessité ? d’une information complémentaire

sur la répartition infra-journalière des cumuls de précipitations

Prise en compte d’informations qualitatives complémentaires● Exemple 1 : Gardon à Anduze - 6 sept. 2005 - 18 hTU

sans avec

Le front froid devrait franchir les versants cévenols demain en début de matinée et

entraîner un arrêt des pluies entre 2 et

5hTU sur ces versants…

+


Prévisions quantitatives à 6/12hPrévisions quantitatives à 6/12hPrévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h

● Première méthode : utiliser directement les traces EPS à 6 h

Désagrégation légère 6 h 1 h (intensité moyenne)

Exemple : Ardèche à Vogüé - 16 nov. 2006 - 18 hTU

Bonne chronologie mais cumul fortement sous-estimé

Pobs

18:00

Prévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h● Seconde méthode :

utiliser les distributions prévues par EPS12 et ANA12

mais Δt = 12h, trop grossier pour le modèle hydro.

Désagrégation via le générateur stochastique :

- génération des N scénarios sur le 1er pas de 12 h

- puis génération supplémentaire sur le 2nd pas de 12 h après tirage du n° du scénario de la première

partie

Prévisions quantitatives à 6/12hPrévisions quantitatives à 6/12h

Bonne discrimination temporelle

des périodes « sèches » et « humides »

Mais toujours sous-estimation des cumuls par EPS


Prévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h● Seconde méthode : EPS12


06:00

discrimination périodes « sèches » et « humides » moins performante que EPS12


Prévisions hydrologiques avec info. quantitatives à 6 / 12h● Seconde méthode : ANA12


06:00

Principe de l’approche mixte

● Approche mixte : volume par ANA24 et chronologie par EPS à 6h

Information quantitative :

ANA24 Δt = 24 h

rafraîchissement journalier à 6 hTU

Information complémentaire qualitative :

EPS Δt = 6 h

rafraîchissement 2 fois par jour, à 6 et 18 hTU

Désagrégation en 2 temps :

24 6 h : tirage du volume à désagréger dans la

distribution ANA24

+ tirage de la « trace » EPS utilisée comme indicatrice

6 1 h : désagrégation légère (intensité moyenne)

Approche mixteApproche mixte

ANA24 + EPS à 6h

ANA24 seule

Approche mixteApproche mixtePrévisions hydrologiques● Estimation du pic de crue

Exemple 1 : Ardèche à Vogüé - 16 nov. 2006 - 18 hTU

18:00

ANA24 + EPS à 6h

ANA24 seule

Approche mixteApproche mixtePrévisions hydrologiques● Estimation du pic de crue

Exemple 2 : Gardon à Anduze - 22 nov. 2007 - 6 hTU

06:00

ConclusionsConclusionsSystème de prévision hydrologique :● Bassin versant

définit le pas de temps hydrologique ΔtH

+ structure du processus « pluie » ΔxH

définit une échéance « hydro »

+ enjeux/anticipation besoin de prévisions de précip.

ΔtM ΔxM

● Système modulaire

faisabilité O.K.! outils « simples »

personnalisable par l’hydrologue en fonction du contexte hydrométéo.

ConclusionsConclusionsSystème de prévision hydrologique :● Désagrégation au pas de temps hydrologique horaire

générateur stochastique, si nécesssaire

– adapté au cycle de fonctionnement : rafraîchissement journalier et mise à jour

horaire (Pobs)

– conditionnements par le passé (Pobs) et par le futur (prévisions

météo)

ConclusionsConclusionsPrévisions hydrologiques probabilistes avec...● ... informations quantitatives à 24h

Performance du système : bonne+ prise en compte d’info. qualitatives : améliore les prévisions !

apport nécessaire d’information complémentaire sur la répartition infra-journalière (temporelle)

des cumuls prévus de précipitations

● ... informations quantitatives à 6/12h

Utilisation directe des traces EPS à 6h

bonne chronologie, volume sous-estimé

Utilisation sous forme de distribution EPS12 et ANA12

EPS12 : discrimination sec vs. humide

volume sous-estimé

ANA12 : volume mieux prévus

pb. discrimination sec vs. humide

ConclusionsConclusionsNotre meilleur choix (à ce jour) : Approche Mixte● Prévisions de précipitations

ANA à 24h : pour cumuls journaliers prévus

+ EPS à 6h : pour chronologies prévues des précipitations (1 par trace)

● Impacts sur le cycle de fonctionnement

rafraîchissement de l’info quantitative : 1 fois par jour

mais requiert double connexion à 2 modèles météo

1: pour le volume en 24h

2: pour chrono. en 6h

● Impacts sur la performance des prévisions hydrologiques

meilleure anticipation de la réaction du bassin

meilleure estimation du pic de crue

PerspectivesPerspectives

Prise en compte de l’incertitude de modélisation

approche multi-modèles : TOPSIMPL + GR3P, MORDOR, ...

plusieurs jeux de paramètres équifinaux (GLUE, ...)

F. Gottardi, 2009

Vers une couverture spatiale continue ? O.K. sur le tiers Sud-Est :

archive continue de précip. à 24h : Gottardi

possible découpage hydrologique

+ modélisation hydro. semi-distribuée associée

débiaisement des prévisions par analogie pondération en fonction de la « rareté » de la situation prévue

fenêtre glissante : P24 toutes les 6 / 12h ? selon la qualité de l’archive pluviométrique

L. Bonnifait500 km²

50 km²

L’EPISODE HYDROLOGIQUE DU 18 au 20 OCTOBRE 2006 DANS LA VALLEE OBSCURE (GARD)

Claude MARTIN, Jean-François DIDON-LESCOT, Joël JOLIVET, Jean-Marc DOMERGUE et Dominique RAY

MERCI DE VOTRE

ATTENTION !

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