Influence de la variabilité spatiale des champs pluvieux pour la modélisation pluie-débit de petits bassins versants: une approche par simulation

Influence of rainfall spatial variability for the hydrological modelling of small catchments: a simulation approach

¹ PRES L'UNAM, IFSTTAR, Département GERS et IRSTV, FR CNRS 248, Bouguenais, France,
e-mail: isabelle.emmanuel@ifsttar.fr et herve.andrieu@ifsttar.fr
² IRSTEA, Unité hydrologique-hydraulique, Lyon, France
e-mail: etienne.leblois@irstea.fr
³ Université de Franche-Comté, Département Informatique, UFR ST, Besançon, France
e-mail: nicolas.janey@univ-fcomte.fr

Résumé

Cette étude vise à évaluer l'influence la variabilité spatiale de la pluie sur la modélisation pluie-débit, à l'exutoire de petits bassins versants ayant une surface comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de km² (de type urbains ou péri-urbains) et, ceci, en procédant par simulation. Afin de limiter les erreurs de modélisation et de mesure, de contrôler la variabilité de la pluie ainsi que les caractéristiques et le fonctionnement hydrologique des bassins versants, une chaîne de simulation, comprenant un modèle de réseau hydrographique, un simulateur de pluie et un modèle pluie-débit distribué a été utilisée. Nous avons délibérément choisi de ne pas être exhaustifs mais d'étudier des situations contrastées. Les résultats illustrent la difficulté d'obtenir des conclusions générales à partir d'une étude limitée à quelques événements et contribuent ainsi à expliquer les différentes conclusions données par la littérature. De plus, la méthodologie proposée a mis en évidence plusieurs tendances. Quelle que soit la configuration de la pluie étudiée, il apparaît que le fait de négliger sa variabilité spatiale devient significatif lorsque des contrastes de pluie sont créés et maintenus sur le bassin. Ces contrastes ont été identifiés quand : 1) le rapport adimensionnel « vitesse du champ pluvieux sur célérité du bassin » est proche de 1 ; 2) le sens de déplacement de la pluie est perpendiculaire au sens principal d'écoulement ; pour 3) une fonction de production de Horton ou de SCS.

Abstract

The present work aims to quantify the effects of neglecting rainfall spatial variability for runoff modelling at the outlet of catchments ranging from ten to several hundred km² (of urban or peri-urban type). We have proceeded by simulation in order both to overcome modelling and measurement errors, in addition to controlling rainfall variability and the characteristics and hydrological behavior of catchments. For this purpose, it has been used a simulation chain including a stream network model, a rainfall simulator and a distributed hydrological model (with four production functions and a distributed transfer based on the Hayami model). It has also been decided not to conduct an exhaustive investigation but instead a study of contrasting situations. Results showed the difficulty to obtain general conclusions from studying just a few events and thus contribute to explain the divergent conclusions drawn in the literature. Moreover, the proposed methodology revealed a number of trends. For the different studied rainfall configurations, the effects of neglecting rainfall spatial variability appear to be significant in situations where rainfall contrasts are created and maintained over the catchments. Such situations were identified for three scenarios: 1) the dimensionless "rainfall field velocity to catchment flow celerity" ratio is close to 1; 2) the rainfall field direction is perpendicular to the main catchment flow direction; and for 3) a Horton or SCS production function. At last, in order to verify that simulation results are close to reality, all results will have to be confronted to those obtained on real catchments with some real rainfall measurements.