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REFONDATION DU CONCEPT DE RÉGIME HYDROLOGIQUE HYDRO LOG IC AL REG I M E C ONC E PT REF UN D AT1 O N G. OBERLIN’, P. HUBERP.

HHLY Cemagref, Lyon UMR Sisyphe, ENSMP, Fontainebleau

ABSTRACT

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Considering the quite poor welcome made to recent progresses in synthesis modelization and representation of available knowledges in hydrological regimes, it can be derived that the actual

lanced. I t appears like if the present efforts made to stick again and closer to the physical processes, indeed compulsory and in addition quite satisfacto- ry, and also the corresponding progresses made in analytical modelization, had restrained the hydrological field, and the hydrologist’s views, to this only narrow target of only analytical physically based approaches at small grid sizes. But the synthesis views, representations, and models, the interfaces with other sciences, also the linkages with an actual use of hydrological knowedges, or the efforts to build a display of our knowledges which can actual- ly be used and understood, and also not be misused, etc., appear as forgotten, or unusefull, or out of the scientifical domain. To try to overcome this lack, considered as potentially very dangerous for hydrology (if our knowledge is no more really exploited, our science will progressively disappear...), a basic research was launched, around the hydrological regime concepts, and illustrated by some of the mentionned recent progresses made in that field, in particular under the so-called FRIEND project (Unesco IHP). This effort was encouraging, becau- se arised then, inside several synthesis models or concepts, some consistent properties, allowing regional transfers, or large scale (timè and space) validation ranges, and several other interesting fea- tures, all of them very rare and precious in our too complex hydrological systems. I t is hoped that these initial successes will allow these synthesis approaches, and particularly the regime ones, to enter again in the normal field of scientific hydrology, a t a place which could be modest in means but essential in meanings. The best way would be to have a global collaboration of all hydrologists to such synthesis modelizations, as everyone brings a part of the whole knowledge. But it must be considered that create, develop and validate some synthesis models is a plenty scientifical research task: so, to botch up it like f o r a secundary task, while underestimating its importance, is a wrong answer. Perhaps a better structuration of the different levels

I researches programmes could be somewhat unba-

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of modelization in hydrology, especially along an axis going f rom the more analytical ones until the more synthetical ones, could be an healthy task for hydrology, allowing a more adequate place f o r each level. Where it has been attempted, it allowed not only a better balance inside hydrology tasks, but also a better building of interfaces, and also of plu- ridisciplinary models, like those devoted to ecohy- drology, or to integrated water management.

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1. LA‘SITUATION ACTUELLE

Le Programme National de Recherches en Hydrologie (PNRH) ayant décidé de redonner en France une place aux approches de synthèse, sous réserve d’un débat national entre les hydrologues concernés, les rares chercheurs travaillant dans cette voie ont pu définir un projet que la participation active à des programmes internationaux, tels que le FRIEND (Flow Regimes from International Expe- rimental and Network Data) du PHI de l’UNESCO, avait permis d’initier.

2. ANALYSES ET SYNTHÈSES EN HYDROLOGIE

Les progrès récents de l’analyse et de la modélisation des processus hydrologiques ont renforcé la prise de conscience de l’extrême complexité de ces processus, qui résulte de la variabilité dans le temps et dans l’espace des variables hydrologiques et des paramètres des milieux comme de multiples interactions entre échelles de temps et d’espace mais aussi entre phénomènes. Ceci plaide en faveur des synthèses, seules capables de permettre aux hydrologues de garder la maîtrise de leurs connaissances, aux sciences connexes de se les approprier, et aux usages opérationnels de s’en servir.

I1 semble bien que les divers niveaux de synthèse soient utiles, voire indispensables (Figure n’l). Ces approches synthétiques devraient à la fois nécessiter et autoriser le développement en hydrologie de démarches inductives dont l’épistémologie nous apprend qu’elles sont le signe de la maturité d’une science. Elles équili- breraient ainsi les démarches actuelles, excessivement déductives et étroitement liées aux seules observations. Les seules références à la mécanique et à la thermodyna- mique ne peuvent permettre à l’hydrologie de gagner son indépendance en tant que discipline, car il y aurait alors pour elle un risque important de resteddevenir un simple chapitre de ces sciences.

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Fonds Dscumentaiu e URS TOM

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Les recherches relancées ici autour des concepts et modèles de régimes sont donc une tentative d’aller vers plus d’induction et plus de synthèse. Pour des motifs pratiques, les premiers travaux ont été menés autour des seuls écoulements de surface, mais ils visent à terme toutes les variables hydrologiques.

3. NOTIONS DE RÉGIMES HYDROLOGIQUES

Etymologiquement, le mot régime a un sens contrai- gnant lié à la notion de pouvoir, et l’acception déjà ancienne du terme “ régime hydrologique ” n‘y échappe pas : on parle des “lois” que suivent les écoulements. Certes, l’ambition du projet Régimes est bien de trouver les lois que suivent les variables hydrologiques, et si possible les plus émergentes et les plus universelles, mais on parlera de lois de comportements, et non de lois causales définitivement réservées aux bases mécanistes et thermo- dynamiques des processus génériques

Depuis Pardé (l933), le concept de régime hydrologique a été concrétisé et formalisé par les variations sai- sonnières des moyennes inQM (interannuelles) des débits mensuels QM (volumes, en fait), avec une typologie basée SUT les dates (saisons) des mQM maximaux sur la base des régimes simples observés en France (du glaciaire aux divers régimes pluviaux). Des extensions ont ensuite introduit les quantiles de ces débits mensuels (médianes, valeurs faibles ou fortes), puis réalisé I’équivalent selon des pas de temps plus fins (décade, semaine, voire jour). Des applications à d’autres ensembles ont été réalisées : régimes tropicaux (Rodier, 1964) ou Scandinaves (Kra- sovskaia, et al,, 1994). On trouvera dans Maniguet (1997) une synthèse méthodologique succincte.

Ce n’est que plus récemment qu’une importante géné- ralisation a été proposée : représenter de manière synthé- tique l’ensemble des propriétés pertinentes des chroniques, grâce à des variables seuillées et intégrées pour toute durée d. Ces durées sont continues pour respecter au mieux la forme des chroniques originelles x(t), et ordonnées selon une métrique probabiliste T (période moyenne de retour), accompagnée de termes d’incertitudes et de dérive lorsque cela est possible. Les variables Caractéristiques xCd(t ou T) constituent des modèles de représentation des données disponibles : séries observées ou simulées. Les lois et pro- priétés émergentes de ces caractéristiques, si possible consolidées en modèles, permettent de donner une nouvel- le définition des régimes, incluant la définition classique en la généralisant considérablement.

La bibliographie relative à ces derniers développe- ments est encore relativement indigente (Maniguet, 1997), mis à part les travaux des pionniers e t quelques travaux concernant les débits classés, version ancienne et fruste de ces caractéristiques sur durées continues d. La typologie de ces nouveaux régimes, à supposer qu’elle soit encore nécessaire, reste à faire.

4. DIMENSIONS TEMPORELLES : LE SOCLE

Un régime est supposé fournir une synthèse des connaissances concernant une variable qui se présente le plus souvent sous la forme d’une chronique continue en temps courant x(t). S’il est évident que la dimension temporelle est fondamentale, il faut cependant que le mode de représentation mette bien l’accent sur les échelles temporelles les plus importantes, à commencer par celles carac- térisant les processus générant la chronique x(t) :

- Climat : Variabilité interannuelle, cycle saisonnier (men- suel, décadaire), épisodes pluvieux et/ou thermiques (jours), cycle diurnehocturne (horaire), averses (horaire) ... ;

- Bassin : temps de réponses (minute pour la parcelle, mois pour le très grand fleuve), cycleslévolutions des sols (du jour à l’interannuel), du couvert végétal (mois à l’interannuel), occupation des sols (interannuel) ...

L‘hydrogramme correspondant à un régime glaciaire est par exemple une remarquable illustration de l’imbri- cation de la quasi-totalité de toutes ces échelles temporelles (Figure 2, sauf I’interannuelle). A ces échelles génériques imposées par les processus hydrologiques, s’ajoutent celles nécessaires aux interfaçages avec les sciences connexes, et plus généralement celles induites par les demandes de connaissances hydrologiques de toutes origines. II y a là un choix délicat, mais plein d’avenir si on sait le maîtriser.

En corollaire, e t même en s’en tenant aux échelles génériques, il n’y a pas d’autres voies, en modélisation de synthèse des xCd(T), que de considérer toutes les durées d, de la seconde à la saison, sinon à l’année.

Le souci de synthétiser le passage de t en T avec des caractéristiques définies sur des durées d continues, rompt le séquencement qui représente cependant un Clément de connaissance intéressant. Diverses représentations de séquencement sont possibles, qu’il s’agisse des valeurs classées, peu prisées, ou des modèles stochastiques de séries chronologiques (Hipel et al., 1994).

Reste cependant une question de fond : la modélisa- tion d’un régime doit-elle systématiquement autoriser une éventuelle (re)simulation des séries d’origine ?

5. LES DIVERSES SIGNIFICATIONS DES FRÉQUENCES

L’application à l’hydrologie des théories probabilistes et statistiques, pourtant développées et connues de longue date, nécessite encore et toujours de nombreux rappels bibliographiques (Lubès et al., 1994) car les erreurs et abus d’interprétation sont toujours légions. Dy intéres- santes développements récents ont conforté l’intérêt du modèle dit de renouvellement comme outil statistique de base en régimes (Lang, 1995), surtout pour des variables en seuils.


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Fig. nol : Les différents niveaux de modélisations en hydrologie, en allant de l‘analyse à la synthèse, autorisant des validations niveau à l‘autre, qu‘ils soient ou non contigus.

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Les dérives et ruptures de stationnarités, depuis toujours présentes mais auxquelles on prête aujourd’hui plus d’attention, compliquent les métriques fréquentielles et en augmentent les incertitudes, mais sans réduire leur intérêt cognitif : en situation d’instabilité ou d’irrégularité, I’ap- port cognitif de synthèse est encore plus nécessaire, car il apporte toujours une vision filtrée, extrayant du sens de la série d’origine perturbée, même s’il y a une incertitude accrue et d’éventuels biais.

6 . DESCRIPTEURS GÉOMORPHOLOGIQUES

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Si l’on met à part leur aire, dont le rôle est si évident qu’il en devient trivial, les descripteurs géomorpholo- giques des bassins, traditionnellement présentés en tête des monographies hydrologiques, n’ont guère fait preuve

d’efficacité avant l’avènement récent de modèles à la fois suffisamment distribués et assez analytiques. L‘intéress- sante exception du concept d’ Hydrogramme Unitaire Géomorphologique est elle-même limitée par les hypo- thèses irréalistes propres à 1’Hydrogramme Unitaire. I1 est pressenti que les nouveaux concepts de variables et de modèles de régimes ne changeront pas grand chose à cette situation, sans doute parce qu’on ne sait pas (encore ?> définir des caractéristiques de bassin ayant des vertus de synthèse comparables à celles d’un régime en xC(d,T) pour une variable courante x(t). C’est la grosse lacune, peut-être provisoire mais apparaissant pour l’instant struc- turelle, des nouvelles approches des régimes.

Les récents progrès en modèles de régime ont cependant relativisé l’importance des liaisons entre basssins et régimes, en raison d’une certaine autonomie des modèles de référence. Ces derniers, qui sont le plus souvent adi-


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Fig. n”2 : Exemple d’hydrogramme(s) quasi-instantané(s) (résolution horaire fine) de régime glaciaire : Sarennes AMONT (données Cemagref Grenoble ENGR).

mensionnels, nécessitent pourtant, afin d’être adaptés à un site réel, soit des caractéristiques de bassin, (on vient de voir qu’elles sont encore peu efficaces), soit quelques données ‘locales, disponibles seulement lorsqu’existe un réseau hydrométrique secondaire, ce qui n’est malheureu- sement pas encore le cas général. En attendant, les progrès des modèles analytiques distribués peuvent toujours aider à débroussailler le maquis des caractéristiques hydrogéo- morphologiques (Weesakul, 1992), mais il faudra sans doute que les chercheurs spécialisés en régimes fassent preuve de beaucoup d’intuition et d’innovation, et sans doute d’une relative indépendance v,is-à-vis de l’analyse des processus, pour débusquer un jour les perles rares et définir une méthodologie reproductible.

7. CLIMATOLOGIE ET HYDROLOGIE

Malgré’les perturbations introduites par les hypothèses d’évolutions climatiques à long terme induites par un éventuel accroissement de l’effet de serre, et les observations en cours sur les ruptures de stationnarité (Hubert et al., 1989 ; Servat et al., 1997), nombre de caractéristiques climatiques classiques sont exploitables et exploitées dans les nouveaux modèles de régimes hydrologiques actuellement développés. On attend toutefois des progrès, parfois en cours, sur de nombreux points : épicentrage des pluies (probabilités de pluies locales fortes en n’importe quel point d’une surface), gradients d’intensité des pluies en régions accidentées (Desurosne et al., 1997), consolidation régionale de pluies extrêmes (Leblois et al., 1997),


cartographie (modélisée) plus fine des ETR et ETP, advections tenant compte du forçage de l’atmosphère par la structure hydrographique des écoulements (sens, et dis- tingos versants drainantdfond de vallées saturants, Leblois et al., 1994), etc.

8. EFFETS D’ÉCHELLE SPATIALE

L‘accent est mis sur les évolutions des régimes vers l’aval, et la modélisation de cet effet, grâce à Ia normalisa- tion des durées en fonction des temps de réponse ou aux débits pseudo-spécifiques. Les aspects secondaires des effets d’échelle sur l’état du système, sur les variables causales et sur les paramètres, sont aussi abordés, mais alors seulement en complément de ce qui est déjà réalisé pour définir les caractéristiques hydrogéomorphologiques, et climatiques, bien sûr différentes selon l’échelle considérée.

On s’aperçoit, et c’est une des propriétés émergeantes les plus remarquables des modèles de synthèse que, moyennant une certaine sophistication théorique, comme par exemple le passage en adimensionnel, le recours aux concepts fractals, ou plus simplement grâce à l’utilisation de valeurs pseudo-spécifiques, les plages de validité spatiale des modèles de synthèse en xC(d,T) deviennent remarquablement larges. Par exemple le modèle de QdF en crues dit de Florac (une des réf6rences habituellement citées) a été validé, bien sûr seulement en adimensionnel (Galéa, 1994), sur des bassins allant de 0.13 ha (BVRE de Draix) à des bassins de plusieurs milliers de km2 (zone AMHY de FRIEND),

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Plus généralement, dans la mesure où on souhaite vali- der, sinon relier, les modèles de synthèse en régime aux processus de base, il est important de prendre en compte les différences, au moins apparentes, de fonctionnement des systèmes hydrologiques lorsqu’on change d’échelle spatiale (Blöschl et al., 1995). Or il semble bien que certains modèles de synthèse transcendent ces différences de fonctionnement ... apparentes. Cette heureuse stabilité, que l’on peut considérer comme une émergence, pourrait trouver son origine dans le fait que les modèles de synthèse soignent tout particulièrement les échelles temporelles et bénéficieraient ainsi, au niveau spatial, des liaisons, très réelles bien qu’imparfaitement élucidées, entre échelles

Toujours en donnant la priorité aux variables dont le régime est à modéliser, le problème particulier à la cartographie de l’écoulements des cours d’eau constitue un objet de recherche à part entière. Parmi les questions actuellement posées :

- Ia pertinence toute relative du concept de bassin intermédiaire ;

- la confusion entre processus de versants (bassin) et de réseaux (vallées), et les éventuelles désagrégations nécessaires : effets dit RESEDA et alter (Leblois et al., 1994) ;

- la cartographie selon des mailles de modèles qui n’ont pas de signification hydrologique ;

- l’épicentrage en écoulement, car il permet d’aborder le problème de la forte augmentation de la probabilité des crues localisées lorsqu’on les perçoit à l’échelle régiona- le, problème à la fois scientifique et social.

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* temporelles et spatiales.

I 9. INFLUENCES ET DÉRIVES

Les régimes hydrologiques ne sont pas immuables. Produits de la conjonction d’un climat et d’un bassin ver- sant, ils sont susceptibles de refléter les modifications ou les transformations de l’un ou de l’autre. Nous avons déjà évoqué le problème climatique dont on se préoccupe beaucoup. La transformation des bassins, en particulier l’urbanisation des bassins périurbains, a elle aussi des effets, spectaculaires, sur les régimes, bien connus aujour- d’hui mais qui ont été longtemps sous-estimés par les aménageurs. En milieu rural, les effets de la forêt sur les régimes et sur les bilans, ou ceux des pratiques culturales et des aménagements hydroagricoles, continuent à être très controversés.

Mais il existe aussi, à l’aval de Ia formation des écou- lements, des influences anthropiques, volontaires et pla- nifiées, spécifiquement destinées à maîtriser les débits et les régimes. Ces influences sont le résultat des efforts déployés, soit pour exploiter les ressources que recèlent les milieux aquatiques (au premier chef l’eau pour l’ali- mentation domestique, l’industrie et l’agriculture, mais il faut citer aussi l’énergie, les granulats, voire la biomas- se), soit pour utiliser certaines potentialités de ces milieux

(évacuation et dilution des eaux usées, navigation, loi- sirs), soit pour développer les ressources (réalimentations de nappes), soit enfin pour se protéger des eaux (lutte contre les inondations). Si le régime qui caractérise un cours d’eau ne convient pas à l’utilisateur, celui ci peut alors chercher, tout à fait consciemment, à modifier, grâce à des aménagements et/ou à des ouvrages, le régime “naturel” du cours d’eau dans un sens favorable à ses désirs etlou à ses intérêts. Le barrage est par excellence l’ouvrage qui, disposant d’une capacité de stockage, permet à l’utilisateur, dans certaines limites techniques et réglementaires, de commander les débits à l’aval, c’est à dire de fabriquer un régime artificiel plus conforme à ses souhaits, grâce à une gestion de l’ouvrage adaptée aux buts qui lui auront été assignés et qui sera très différente selon que l’on souhaite régulariser, soutenir les étiages, écréter les crues ou produire de l’électricité. Notons qu’à l’influence de la gestion des ouvrages, s’ajoute celle, par- ticulièrement drastique, des prélèvements non restitués, ce qui est le cas des prélèvements agricoles.

I1 faut cependant souligner que, mis à part les cas de très petits bassins et de quelques grands bassins très lour- dement aménagés à des fins agricoles, les régimes natu- rels continuent d’imposer leur marque dans la majorité des cas (en particulier en ce qui concerne les extrêmes), même si l’action humaine s’imprime par l’ajout de certaines harmoniques, saisonnières à journalières.

io. EXEMPLES MATURES DE MODÈLES DE REPRÉSENTATION DES RÉGIMES

Les premiers exemples matures de représentation des régimes sont ceux de Pardé et de ses émules. I1 ne semble pas qu’ils puissent connaître de grands développements, mais il peuvent servir de base aux recherches sur les bilans, et l’analyse de leur stabilité est intéressante dans I’étude des hypothèses de réchauffement (Krasnovskaia, 1996).

Dans le contexte tropical, où l’on observe irrégulari- tés, ruptures et persistances durables, diverses caractéris- tiques (Figure 3) pertinentes pour la représentation des régimes, et adaptables à la mesure des ruptures (Servat et al., 1998 ; Olivry et al., 1998) ont été sélectionnées, sans cependant être strictement consolidées en modèles de régimes.

C’est dans le domaine de la représentation consolidée des connaissances sur les valeur-seuils et les volumes, qu’une démarche de modélisation des régimes aussi com- plète que possible semble avoir été menée à terme (Prud- homme, 1995). Bien développée pour les crues (Figure 41, cette démarche n’en est qu’à ses débuts pour les étiages (Galéa et al., 1998a) où seuls quelques rares modèles de référence sont actuellement disponibles. Les travaux en cours concernent la recherche d’un modèle de base unique (Javelle, 1998) et ses liens avec les apports.


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11. LES INTERFAÇAGES

Au-delà des objectifs propres l’hydrologie, synthèse et représentation des connaissances, de nombreuses carac- téristiques des régimes se prêtent à être utilisées, soit par d’autres sciences, soit par ceux qui ont en charge la gestion des eaux et des milieux aquatiques. On peut en donner quelques exemples innovants en cours de développe- ment :

dans le modèle Inondabilité (Oberlin et al., 1993), les QdF permettent des sortes de “projections” (en débits ins- tantanés maximaux équivalents) des divers n-uplets repré- sentatifs des aléas et des vulnérabilités, pour rendre ces derniers cartographiables et objectivement (quantitative- ment) comparables (Figure 5) :

dans l’esquisse dite Inond‘habitat (extension d’Inon- dabilité), les QdF permettent de telles projections, outre en demandes de protection contre les fortes crues, aussi en besoins de petites crues (crues ressources) pour les bio- cénoses des milieux aquatiques ;

en matière de qualité des eaux, il semble bien que les régimes en concentration C(t) présentent également des régularités modélisables et transférables si on les synthé- tise et les consolide en CdF . Pour les nitrates et les phos- phates les connaissances de base commencent à être suf- fisantes pour initier ces approches, qui fournissent les termes principaux de premier ordre des pollutions ; mais cela ne semble pas encore être le cas pour les produits phytosanitaires.

Plus généralement, et toujours en écohydrologie, nombre de caractéristiques des régimes apportent une information incontournable pour juger de la qualité des habitats hydrauliques pour les biocénoses. Mais i l y a aussi des lacunes. Ainsi Malafosse (1996) a dû caractéri- ser la variabilité des écoulements à une échelle temporelle q u i n’avait rien d’hydrologique (au sens des échelles temporelles liées aux processus), mais qui procède plutôt d’une “ mémoire biologique ” des perturbations. Plusieurs caractéristiques pré-existantes en régimes sont alors exploitables, mais à des durées différentes de celles ini- tialement échantillonnées (quoique disponibles dans le cas

d’une modélisation continue en d). D’autres sont à créer de toutes pièces.

I1 y a là une forte potientialité de développement de la modélisation de synthèse. Une extension de ces avancées vers les problèmes liés à l’irrigation, aux prélèvements de toutes sortes, aux drainages, aux recalibrages (ou à leur inverse : le Ralentissement Dynamique), et plus générale- ment aux aménagements, est envisagée, mais le débat n’est pas facile avec des filières de gestion qui ont leurs habitudes, leurs modes d’évaluation propres, et leur relative indépendance vis-à-vis de l’hydrologie.

12. COMPOSITIONS DES RÉGIMES

C’est un peu la contrepartie des modèles de synthèse : . on ne peut plus sommer trivialement des écoulements en Q(t). On se heurte à des problèmes mathématiques quand les lois des caractéristiques xCd(T) (celles de leurs mesures de synthèse en probabilités) ne sont pas “faciles” (Mousavi, 1997). Si certains de ces problèmes ont été sur- montés, on ne sait toujours pas réaliser des compositions récurentes vers l’aval. Elles ne sont heureusement pas absolument nécessaires, compte tenu des plages de vali- dité spatiales relativement larges des modèles de régimes.

13. BASES RATIONNELLES DES MO.DÈLES DE RÉGIMES

Les remarquables propriétés émergeantes des modèles de régimes, leur validités sur une large gamme d’éChelles, leur transférabilité et leur aptitude à l’interfaçage, pous- sent à rechercher quels sont les fondements rationnels de ces heureuses surprises. En raison du fossé encore béant entre ces propriétés et les caractéristiques de bassin qui a été évoqué plus haut, c’est pour l’instant dans les champs mathématique ou probabiliste que se développent les recherches.

Les avancées significatives enregistrées, qui permettent de caractériser les IdF (modèles xdF appliqués aux Intensités des pluies) à partir de modèles multifractals

I Fig. 3 : Conceptualisation des formes d‘hydrogramme à fin de représentation des régimes et de leur évolution (d’après Ribstein, 1998)

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Fig. n04 : Exemple de courbes (à gauche : non consolidées en d) et de modèle (à droite : consolidé en d) type XdF, ici pour des valeurs x de débits d’écoulements en crues (débit-volumes sigles VCX(d,T)).

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Fig. n05 : Exemple d‘usage d’un modèle QdF en débit-seuils de crues (dépassés) pour transformer un n-uplet de vulnérabilité en mono-scalaire TOP(x,y) cartographiable (d’après Gilard, 1998).

(Bendjoudi et al., 1997), pourraient rapidement entrainer des progrès équivalents pour les QdF (Tessier et al., 1996 ; Pandey et al., 1998). En attendant, des recherches de Javelle (1998) font entrevoir la possibilité de formali- ser un unique modèle QdF de base, qu’il serait possible de lier aux apports annuels QA. Un tel résultat couronnerait le travail théorique déjà mené qui s’appuie sur quelques modèles de référence (Prudhomme, 1995). A terme, on pourrait viser une modélisation QdF(1dF) directe, intégrée et synthétique.

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

La consolidation en cours, dans des modèles continus de synthèse, de nombre de caractéristiques de régimes anciennes (pointes maximales et minimales, valeurs clas- sées, apports mensuels, etc.) ou plus récentes (valeur- seuils sur durées continues, etc.), semble fructueuse, mais encore susceptible de nombreux développements, qu’il est possible de rapprocher d’approches plus analytiques (au moins par validation croisées entre niveaux de modélisa- tion différents) ou de certaines lois générales en modéli- sation (probabilités, fractales...).

Bien que ces progrès soient, pour l’instant, limités aux pluies et aux écoulements, l’extension de ces concepts

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d'autres variables hydrologiques, doit être abordée dès que possible, qu'elles soient concentrées dans les réseaux hydrographiques ou réparties sur les bassins.

Outre leur importance proprement hydrologique et leur aptitude à l'interfaçage, cette généralisation des représentations en régimes pourrait devenir importante dans la perspective du couplage de modèles hydrologiques et atmosphériques, au titre de la validation, mais peut-être aussi dans un but cognitif, car à ce jour le for- çage réciproque des écoulements et des flux atmosphè- riques n'a guère été approfondi : le schéma actuel " SVAT verticaux + flux pseudo-horizontaux " reste insatisfaisant, même avec les nouveaux modèles de flux non hydrosta- tiques, faute d'une représentation suffisante de la structure des écoulements au sol.

Enfin, et sans attendre les extensions citées, se pose le problème de la mise àjour des typologies des régimes. L'irruption des nouveaux modèles de synthèse, leur conti- nuité, leur ambition d'universalité, peut ôter une partie de l'intérêt des classifications en types des régimes hydrologiques. Cependant, pour divers motifs, dont l'actuelle lacune de liens entre régimes et bassins, une typologie, bien sûr révisée en fonction de ces nouvelles approches, reste utile sinon indispensable. Les rares ébauches propo- sées (Galéa et al., 1992) ont autorisé des transferts réus- sis de régimes entre bassins et climat différents, validés au moins par des modèles globaux. Tout cela est encoura- geant et devrait amener la communauté hydrologique à se convaincre, plus qu'elle ne le fait aujourd'hui, de l'inté- rêt et de la fécondité, tant au niveau fondamental qu'au niveau appliqué, des approches de synthèse.

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REMERCIEMENTS

Le projet Régime est soutenu par le PNRH (Program- me National de Recherches en Hydrologie, France), et porté par une douzaine de chercheurs appartenant au Cemagref (Lyon), à I'UMR Sysiphe (UPMC Paris VI, ENSMP et CNRS), à l'IRD/Orstom (Montpellier, Paris), au LTHE (UJF, INPG et CNRS, Grenoble) et à I'ESA 5023 (UCB Lyon I et CNRS).

RÉFÉRENCES

Bendjoudi, H., Hubert, P., Schertzer, D., Lovejoy, S. (1997) Inter- prétation multifractale des courbes IdF de pluies. CR Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie, n"325, pp.323-326.

Blöschl, G., Sivapalan, M. (1995) Scale issues in hydrologicalmo- delling: a review. Hydrological processes, vo1.9, pp.251-290.

Desurosne, I., Leblois, E. (1997) Intensités pluvieuses dans les Alpes fraqaises. Fourth FRIEND General Report (1 994-97), Unesco-IHP, Cemagref éd., pp.255-262.

Galéa, G., Breil, P., Adang, A. (1992) The influence of vegetal cover on flood hydrology: validation by both upscaling and downscaling simulations. Proceedings of the 4th ERB Conferen- ce, Oxford, IH Wallingford, 6p.

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Galéa, G., Prudhomme, C. (1994) Conceptualisation d'un hydrogramme de crue synthétique : validation sur le BVRE de Draix. Hydrologie Continentale, 9(2), pp. 139-152.

Galéa, G., Mercier, G., Adler, M. J. (1998) Modèles débits-durées- fréquences en étiages : concept et usage pour une approche régio- nale des régimes de basses eaux dans les bassins de la Loire (France) et du Crisu Alb (Roumanie). Accepté à Revue des Sciences de l'Eau.

Galéa, G., Prudhomme, C. (1997) Notions de base et concepts utiles pour la compréhension de la modélisation de synthèse des régimes de crues au sens des modèles QdF. Revue des Sciences de l'Eau, vol.1, pp.83-101.

Gilard, O. (1998) Les bases techniques de la méthode Inondabili- té. Cemagref éd., Antony, 207 p.

Hipel, K. W,, McLeod, A. I. (1994) Development in water sciences: time series modelling of water ressources and environment systems, Elsevier ed.

Krasovskaia, I., Arnell, N. W., Gottschalk, L. (1994) Flow regimes in northern and western Europe: development and application of procedures for classifying flow regimes. IAHS Publ. n"221,

Krasnovskaia, I. (1996) Sensitivity of the stability of river flow regimes to small fluctuations in temperature. Hydrol. Sc. Journal,

Javelle, P., Galéa, G., Grésillon, J. M. (1998) Formulation généra- lisée des courbes débits-durées-fréquences en crues. Note soumi- se à l'Académie des Sciences.

Lang, M. (1995) Les chroniques en hydrologie : représentations comparées des données sous bases relationnelles et orientées- objeu, en vue d'une adaptation au modèle de renouvellement, Thèse UJF Grenoble, Cemagref Lyon, 296 p.

Leblois, E., Oberlin, G. (1994) Esssai de quantification de la réduc: tion significative des écoulements disponibles vers l'aval (effet Reseda). Compte-rendu des journées hydrologiques annuelles de I'Orstom, Montpellier, 6 p.

Lejeune, Y., Martin, E., Leblois, E., Valla F., Bironneau, D. (1997) ModClisation hydrométéorologique de l'aéa de crue pluvio-niva- le. Rapport sous XI ème CPER et Gewex-Rhône, Météo-France Grenoble, CIG Fontainebleau, Cemagref Lyon, 40 p.

Lubès, H., Masson, J. M., Raous, P., Tapiau, M. (1994) Safarhy : logiciel de calculs statistiques et d'analyses fréquentielles, adap- té à l'évaluation du risque en hydrologie Manuel de référence, Orstom, UM11 Montpellier, 140 p.

Malafosse, A. (1 996) Descripteurs de la variabilité hydrologique temporelle pouvant structurer les peuplements des écosystèmes d'eau courante. Thèse ENSMP Paris, CIG Fontainebeau, Cema- gref Lyon, 238p.

Maniguet, F. (1997) Tests de descripteurs de régimes hydrologiques (aspects quantitatifs). Note de travail du Conseil Scientifique du Bassin RMC, Cemagref Lyon, 33p. + ann.

Mousavi, N. S. (1997) Composition des lois élémentaires en hydrologie : application à l'étude des régimes de crue. Thèse UJF Gre- noble, Cemagref Lyon, 164p.

pp. 185-192.

41(2), pp.251-264.

REFONDATION DU CONCEPT DE REGIME HYDROLOGIQUE G. OBERLIN, P. HUBERT

Oberlin, G., Gautier, J. N., Chastan, B., Farissier, P., Givone, P. (1993) Une méthode globale pour la gestion rationnelle des zones inondables : le modèle Inondabilité du Cemagref. Sècheresses, vo1.4, n”3, pp.171-176.

Olivry,J. C., Bricquet, J. P., Mahé, G. (1998) Variabilité de la puis- sance des crues des grands cours d’eau d’Afrique intertropicale et incidence de la baisse des écoulements de base au cours des deux dernières décennies. IAHS Publ. n”252, pp. 189-198.

Pandey G., Lovejoy S., Schertzer D., 1998, Multifractal analysis of daily river flows including extremes for basins of five to two mil- lions square kilometers, one days to seventy years, Journal of Hydrology, 208,62-8 1.

Pardé, M. (1933) Fleuves et Rivières. Colin éd., Paris. Prudhomme, C. (1995) Modèles de synthèse des connaissances en

hydrologie -Application à la régionalisation des crues en Europe alpine et méditerranéenne. Thèse UMII, LHM Montpellier, Cemagref Lyon, 401p.

Ribstein, P. (1998) Exemples de représentations de régimes. In Rapport de Itre année, projet PNRH “Régimes”, et séminaire des 21-22.1.99, Cemagref, Grenoble.

Rodier, J. (1964) Régimes hydrologiques de l’Afrique Noire à l’Ouest du Congo. Mémoire Orstom n”6, Orstom Paris.

Servat, E., Paturel, J. E., Kouamé, B., Travaglio, M., Ouédraogo, M., Boyer, J. F., Lubès-Niel, H. Fritsch, J. M., Masson J. M., Marieu, B (1998) Identification, caractérisation et conséquences d’une variabilité hydrologique en Afrique de l’ouest et centrale. IAHS publ. n”252, pp.323-338.

Tessier Y., Lovejoy S., Hubert P., Schertzer D., Pecknold S., 1996, Multifractal analysis and modeling of rainfall and river flows and scaling, causal transfer functions, Journal of Geophysical Resear-

Weesakul, U. (1992) Apports de la télédétection et de l’information géographique numérique à la compréhension du fonctionnement hydrologique de bassins méditerranéens. Thèse UMII, Montpel- lier, Cemagref-Engref Montpellier.

ch, 101, D21,26427-26440.

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Comité National Frangais de Géodésie et Géophysique I

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RAPPORT QUADRIENNAL 1995 - 1998

Edité par Jean-Pierre Barriot Observatoire Midi-Pyrénées

14, avenue Edouard Belin, 31400 Toulouse

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LE COMITÉ NATIONAL FRANCAIS DE GÉODÉSIE ET GÉOPHYSIQUE

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