Soutenance de thèse en doctorat de l’École Doctorale du Pacifique de Garance TANGUY intitulée "Régionalisation d'une méthode d'estimation des crues à Tahiti, Polynésie Française", mardi 24 janvier 2023 à 21h en amphi A2 de l'UPF.
- Département : Sciences
- Discipline : Structure et évolution de la Terre et des autres planètes (CNU n°35)
- Spécialité : Hydrologie
Résumé de la thèse
L'île volcanique de Tahiti est régulièrement soumise à des crues violentes aussi appelées crues éclair. Elles surviennent au pied des versants escarpés des bassins, et sont responsables de pertes matérielles et humaines. Ce travail de thèse est soutenu par le ministère de la Recherche, en collaboration avec la société d’ingénierie SPEED, pour améliorer les méthodes d’estimation des crues. L’objectif est de développer une méthode régionale, c'est-à-dire applicable en tout point du réseau hydrographique, intégrant au mieux les données physio-climatiques disponibles sur l'île, avec un niveau de complexité adapté à celui des connaissances sur l'hydrologie locale.
Jugée plus souple et cohérente que la version initiale SCS-CN, la fonction SCS-SMA (Soil Moisture Accounting) est retenue pour représenter la production de ruissellement. Associée avec une fonction de transfert Lag-and-Route, elle constitue un modèle événementiel, distribué, conceptuel et parcimonieux qui a pu être calibré sur une sélection de 9 bassins versants jaugés répartis sur toute l'île, et validé sur 2 bassins jaugés n’ayant pas servi à la calibration.
La principale limite du modèle réside dans la médiocre relation obtenue entre la condition initiale du modèle et les descripteurs des conditions initiales d'humidité. Pour expliquer cela, une méthode mettant en jeu un simulateur stochastique de champs de pluie équiprobables, conditionnés par les mesures de pluie locales, a été élaborée. Elle met en évidence l'impact des incertitudes spatiales liées à la mesure de la pluie sur la calibration de la condition initiale du modèle événementiel. Cette méthode justifie et recadre à Tahiti la poursuite de travaux de régionalisation, mais elle peut s’appliquer à d’autres bassins versants en contexte similaire.Si le modèle ne peut restituer la variabilité temporelle des crues sur un bassin donné, dans l’état actuel du réseau de mesures des pluies à Tahiti, sa régionalisation reste cependant possible pour représenter la variabilité spatiale des comportements hydrologiques d'un bassin à l'autre, et donc sur les bassins non jaugés. Les paramètres du modèle ont été appariés avec des descripteurs de l'occupation des sols, de la géologie et de l'humidité médiane des sols des bassins. La robustesse des relations obtenues autorise l'utilisation du modèle pour la prédétermination des crues de projet, et encourage son amélioration pour d'autres types d'applications comme la prévision des crues en temps réel.
Abstract
The tropical volcanic Island of Tahiti is subject to flash floods that expose people and infrastructures to regular risks. The typical violence of these floods results from intense convective rainfall events impacting the steep slopes of the catchments. Local engineers expressed their need for adapted flood estimation methods.
The choice of an adapted method relied on a review of current flood estimation methods and regionalization strategies. In the light of available data and knowledge about Tahitian hydrology, conceptual and parsimonious event-based hydrological models deriving from the Soil Conservation Service (SCS) model were retained. The SCS-SMA (Soil Conservation Service - Soil Moisture Accounting) function was adopted and applied in a distributed mode to a grid of regular square meshes to represent runoff production. This unction was combined with the Lag-and Route (LR) transfer function to build a complete flood hydrograph model. The LR function is
characterised by a combination of translation and storage, which are assumed to be linearly dependent.
To evaluate this model and to develop a calibration methodology, SCS-SMA was applied to a series of observed rainfall-flow events in the Hitiaa catchment. The model was performant with regards to the Nash and Sutcliffe Efficiency (NSE) criterion, but its initial ondition H0 appeared poorly related to the observed initial baseflow Q0, which was supposed to give access to the initial moisture state of the catchment. Using a stochastic rainfall generator to describe the range of possible rainfall fields for a given event, we showed that this weak correlation derivated from the spatial uncertainties associated with rainfall input. They propagate through the model to the point of disturbing the estimation of H0 and thus its assumed link with Q0 Furthermore, the LR transfer function was found variable from one event to another, suggesting that its parametrization depends on the intensity of the flood. As this dependence was not incorporated into the function structure, the restitution of the temporal variability of floods in a given catchment is compromised. However, the SCS-SMA-LR model remains relevant for estimating the average behavior of rivers, which justified the relevance of its regionalization.
The model was then calibrated on a selection of 9 donor catchments that are representative of various physio-climatic environments. Regionalization of the model relied on classifications and relationships between three –parameters chosen as regionalization vectors and three descriptors: the median antecedent rainfall index averaged over the surface of the catchment area, the geological nature of the formations and the type of land use. The regional model was considered to be efficient on small catchments for the estimation of project floods. It was then tested on two larger and more heterogeneous catchments. The model performance remained satisfactory, as did the regional interpretations of the model parameters. However, this change of scale revealed a new bias in the parameterization of the transfer function, linked to the assumption of linearity between the propagation time and the diffusion time.
This study allowed to identify the factors responsible for hydrological variability at a regional scale, especially the impact of the initial moisture conditions or the one of urbanization. Thanks to its distributed structure, the model is able to integrate any local change in land use or in storage.
The model built is adapted and potentially efficient, but its performance remains limited at the event scale mainly due to the lack of knowledge about the spatial structure of rainfall. A generic method was developed to quantify the impact of these uncertainties. The improvement of the model relies on the space refinement of rainfall data acquisition, and also on certain methodological developments, for example the structure of the transfer function.
Composition du jury
- Dr Christophe BOUVIER - Directeur de recherche - UMR 5151 HSM - IRD, Co-directeur de thèse
- Dr Lydie SICHOIX - Maître de conférences - GEPASUD EA4238 - UPF, Co-directrice de thèse
- Dr Pierre GENTHON - Directeur de recherche - UMR 5151 HSM - IRD Nouvelle-Calédonie, Examinateur
- Dr Etienne LEBLOIS - Chercheur HDR - UR RIVERL Y - INRAE, Examinateur
- Pr Hélène ROUX - Professeure des universités - IMFT - INP Toulouse, Examinatrice
- Dr Maria-Helena RAMOS - Directrice de recherche DR2 - UR HYCAR - INRAE, Rapporteure
- Pr Grégoire MARIETHOZ - Professeur des universités - IDYST - Université de Lausanne, Rapporteur
Informations
- Soutenance ouvert au public
