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UNIVERSITE MONTPELLIER II ANNEE UNIVERSITAIRE 2006/2007 MASTER : BIOLOGIE GEOSC

UNIVERSITE MONTPELLIER II ANNEE UNIVERSITAIRE 2006/2007 MASTER : BIOLOGIE GEOSCIENCE AGRORESSOURCE ENVIRONNEMENT (BGAE) SPECIALITE : RECHERCHE EAU ET ENVIRONNEMENT (R2E) RAPPORT DE MEMOIRE (DEA) DIPLOME D’ETUDE APROFONDIE HYDROLOGIE « COMPARAISON ENTRE UNE MODELISATION SEMI- GLOBALE ET UNE MODELISATION GLOBALE » Salif KONÉ lifsak@yahoo.fr Stage effectué du 10 janvier au 25 Juin 2007, à HydroSciences Montpellier (HSM), et au centre IRD de Bamako. Maîtres de stage : Gil MAHE (HSM) Jean -Emmanuel PATUREL (centre IRD de Bamako) Alain DEZETTER (centre IRD de Bamako) Mémoire soutenu le 03 Juillet 2007 à l’Université Montpellier II. Président du Jury : Dr. Eric Servat (HydroSciences Montpellier) 16 JUILLET 2007(révision 08 FEVRIER 2010) Salif KONÉ, Master R2E 2006/2007. Comparaison entre une modélisation semi-globale et une modélisation globale. Remerciements Je dédicace ce mémoire à mon père Siaka Koné et à ma mère Haoua Mariko. Mémoire soutenu le 03 juillet 2007 à l’Université Montpellier II. Président du Jury : Dr. Eric Servat (Laboratoire HydroSciences Montpellier) 2 Salif KONÉ, Master R2E 2006/2007. Comparaison entre une modélisation semi-globale et une modélisation globale. Abstract This dissertation (Master degree) concerns the comparison between a semi-global version and a global one of the hydrological model GR2M (Model of the CEMAGREF - Genie Rural at 2 parameters and Monthly time step). The semi-global concept is to make the model input (entry) distributed as a grid whereas its output is not distributed. A new protocol of models inter-comparison, which has the specificity to integrate the quasi- totality of the qualities on which we generally appreciate a model, drove to two complementary results on 16 hydrological basins (watersheds) from West Africa. (i) "Approach by basin": on 16 basins, 9 attest that the model "GR2M global" is better compared to the model "GR2M semi-global", 1 basin attests the equivalence of the two models, and 6 basins attest in favor to the model “GR2M semi-global.” (ii) "Totaling approach": while exploring a specificity of this new protocol of model inter-comparison, which is to assign a score to a model" A" every time it appears be better than a model "B"; we can make a statistical with the totality of the scores on the different basins .Therefore on 412 points of inter-comparison the model “GR2M global” carries 245 (either 59%) against 167 for the model “GR2M semi-global” (41%). A proposition of a level-headedness coefficient in the definition of the model “GR2M semi- global” has permitted to make this one better than the model “GR2M global”. A modification within the structure of the model GR2M has permitted to this one to increase its performance of simulation, in semi-global and global modeling. A formula of “attenuation of uncertainties”, proposed here, uses the results simulated by the two versions of GR2M in competition (semi-global and global) to propose an improvement of these same results. This work of dissertation has permitted to establish the analytical expression of model GR2M. Keywords: Hydrology, Basin, watersheds, modeling, GR2M, inter-comparison, uncertainties. 3 Salif KONÉ, Master R2E 2006/2007. Comparaison entre une modélisation semi-globale et une modélisation globale. 4 Table des matières Remerciements ........................................................................................................................... 2 Abstract ...................................................................................................................................... 3 Keywords:................................................................................................................................... 3 Table des matières...................................................................................................................... 4 Introduction................................................................................................................................ 6 Organisation du mémoire........................................................................................................... 6 SECTION I : bibliographie ........................................................................................................ 7 Introduction et définition des termes.......................................................................................... 7 Chapitre 1 : Modélisation de la relation pluie-débit ................................................................. 9 1.1 Objectifs et enjeux de la modélisation de la relation pluie-débit..................................... 9 1.2. Processus général de déroulement de la modélisation pluie-débit................................. 9 1.2.1. Phase de calibration du modèle................................................................................... 9 1.2.2. Phase de validation du modèle................................................................................... 11 1.2.3. Phase de simulation par le modèle ............................................................................ 11 1.3. Le modèle GR2M........................................................................................................... 11 1.3.1. Fonctionnement de GR2M ......................................................................................... 11 1.3.2. Données d’entrée de GR2M ....................................................................................... 13 1.3.3. Données de sortie de GR2M: débits Q....................................................................... 13 1.3.4. Notions de globalité et semi-globalité dans GR2M ................................................... 14 Chapitre 2 : Quelques outils de comparaison de modèles....................................................... 14 2.1. Outils d’appréciation de la performance des modèles, et coefficients d’appréciation du bilan volumique.................................................................................................................... 14 2.1.1. Critère de Nash .......................................................................................................... 14 2.1.2. Propositions d’améliorations du critère de Nash, Garrick et al................................ 17 2.1.3. Approche de la robustesse d’un modèle..................................................................... 18 2.1.4. Coefficients d’appréciation du bilan volumique ........................................................ 19 2.2. Outils d’intercomparaison des modèles........................................................................ 20 Conclusion................................................................................................................................ 20 Section II : Contexte et méthodologies..................................................................................... 21 Chapitre 1 : contexte hydrologique et climatique du support d’études ................................... 21 1.1. Présentation géographique du support d’étude................................................................ 21 1.2. Généralités de la situation hydrométéorologique de la zone d’étude............................... 22 1.3. Origines des données climatiques et hydrologiques utilisées ........................................... 23 CHAPITRE 2 : outils et protocoles de simulations mis en œuvre............................................ 23 2.1. Outils numériques ............................................................................................................. 23 2.2. Protocoles mis en œuvre ................................................................................................... 23 2.2.1. Approches de la « période de mise en route » des modèles................................... 24 2.2.2. Protocoles mis en place pour les simulations ........................................................ 24 2.2.3. Proposition d’amélioration du fonctionnement de GR2M : «GR2M.1/X*WHC » 24 2.2.4. Protocole d’adaptation du fonctionnement de GR2M semi-globale au concept de GR3M ............................................................................................................................... 26 Chapitre 3 : structures des résultats et intercomparaison....................................................... 27 3.1. Structure des résultats....................................................................................................... 27 3.2. Protocole d’intercomparaison de la version semi-globale et globale de GR2M.............. 27 3.2.1. Le protocole de la « double calibration».............................................................. 28 3.2.2. Structure des tableaux du protocole d’intercomparaison...................................... 29 Section III : résultats par Bassin.............................................................................................. 30 III.1. Bassin défini à la station de Koulikoro sur le fleuve NIGER au Mali ........................ 30 Salif KONÉ, Master R2E 2006/2007. Comparaison entre une modélisation semi-globale et une modélisation globale. III.2. Bassin défini à la station de Banankoro, sur le NIGER, au Mali ............................... 33 III.3. Bassin défini à la station de Dialakoro, sur le NIGER, en Guinée............................. 34 III.4. Bassin défini à la station de Siguiri. ........................................................................... 35 III.5. Bassin défini à la station de Gouala sur le Sankarani, au Mali ................................. 36 III.6. Bassin défini à la station d’Ouaran ............................................................................ 37 III.7. Bassin défini à la station de Mandiana sur le Sankarani, en Guinée ......................... 38 III.8. Bassin défini à la station de Kouroussa sur le NIGER, en Guinée............................. 39 III.9. Bassin défini à la station de Baro ............................................................................... 40 III.10. Bassin défini à la station de Kankan, sur le Milo, en Guinée................................... 41 III.11. Bassin défini à la station de Tinkisso, en Guinée...................................................... 42 III.12. Bassin défini à la station de Baranama .................................................................... 43 III.13. Bassin défini à la station d’Iradougou, sur le Kouroukélé, en côte d’ivoire............ 44 III.14. Bassin défini à la station de Kérouane sur le Milo, en Guinée................................. 45 III.15. Bassin défini à la station de Kissidougou sur le Niandan, en Guinée ...................... 46 III.16. Bassin défini à la station de Faranah sur le Niger, en Guinée................................. 47 Section IV: synthèse des résultats de l’intercomparaison des modèles ................................... 48 IV.1. «Approche classique »..................................................................................................... 48 IV.2. «Approche par bassin »................................................................................................... 49 IV.3. «Approche totalisante »................................................................................................... 50 Section V : propositions d’améliorations de la modélisation hydrologique............................ 51 V.1. Protocole 1, [Protocole inter-modèle], proposition de coefficients de pondération........ 52 Impacts des coefficients i  dans GR2M semi-globale.................................................... 54 V.2. Protocole 2 : [Protocole inter- bassin] ............................................................................ 56 V.3. Formule d’atténuation des incertitudes, et application.................................................... 57 V.4. Expressions analytiques du modèle GR2M, versions semi-globale et globale................. 59 Conclusion et perspectives....................................................................................................... 64 Bibliographie............................................................................................................................ 65 Annexe A................................................................................................................................... 66 Annexe B................................................................................................................................... 98 Résumé ..................................................................................................................................... 99 Mots-clés :................................................................................................................................ 99 5 Salif KONÉ, Master R2E 2006/2007. Comparaison entre une modélisation semi-globale et une modélisation globale. Introduction Ce travail, qui se situe dans le cadre de mon mémoire de DEA «Master recherche Eau et Environnement » de l’Université Montpellier II, a pour ambition d’améliorer la modélisation du cycle de l’eau à l’échelle du bassin versant en s’attardant sur des outils et/ou méthodologies de comparaison de modèles. Les modèles comparés ici sont une version semi- globale et une version globale du modèle GR2M (Modèle du CEMAGREF - Génie Rural à 2 paramètres au pas de temps Mensuel). L’intitulé du sujet à traiter est : « comparaison entre une modélisation semi-globale et une modélisation globale ». Organisation du mémoire  Dans la première section une étude bibliographique détaillée sur la modélisation hydrologique est présentée.  Dans la deuxième section est consacrée à la présentation : du contexte hydrologique et climatique du support d’études (bassin du fleuve Niger), des méthodologies adoptées (qui incluent les protocoles de simulations mis en place), et de la structure des résultats obtenus.  La troisième section présente les résultats des simulations par bassin.  La quatrième section est consacrée à la synthèse des résultats d’inter-comparaison des deux versions de GR2M.  La cinquième section présente les propositions d’amélioration de la modélisation effectuées à l’issue de ce mémoire; ces propositions sont accompagnées de résultats qui confirment ou infirment leur validité. 6 Salif KONÉ, Master R2E 2006/2007. Comparaison entre une modélisation semi-globale et une modélisation globale. SECTION I : bibliographie Introduction et définition des termes Introduction Ce mémoire a pour ambition d’améliorer la modélisation du cycle de l’eau à l’échelle du bassin versant en s’attardant sur des outils et/ou méthodologies de comparaison de modèles. Les modèles comparés ici sont une version semi-globale et une version globale du modèle GR2M (Modèle du CEMAGREF - Génie Rural à 2 paramètres au pas de temps Mensuel) Les uploads/Litterature/ hydrologue-memoire-master-recherche-salif-kone.pdf