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DIRECTION DES ETUDES ET DES SERVICES ACADEMIQUES. MEMOIRE DE FIN D’ETUDE D’INGE

DIRECTION DES ETUDES ET DES SERVICES ACADEMIQUES. MEMOIRE DE FIN D’ETUDE D’INGENIEUR DE L’EQUIPEMENT RURAL Présenté par : HOFFER Homéakéké Komlan Thème Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel. Professeurs responsables : LAROCHE Christophe MAR Lamine Amadou Promotion 2005 Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel Mémoire de fin d’études d’ingénieur rédigé et soutenu par Homéakéké Komlan HOFFER/juin 2005 2 Eternel, tu nous donne la paix car tout ce que nous faisons c’est toi qui l’accomplis pour nous : Essaï 26. 12 Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel Mémoire de fin d’études d’ingénieur rédigé et soutenu par Homéakéké Komlan HOFFER/juin 2005 3 Remerciements : Ce travail est l’aboutissement d’un effort certes personnel mais qui a pu être possible grâce à l’intervention, l’aide et la bienveillance de plusieurs personnes que je tiens à remercier. Je souhaite remercier en premier lieu mes deux encadreurs : Christophe LAROCHE et Amadou Lamine MAR pour leurs rigueurs scientifiques, leurs suggestions multiples, leurs remarques constructives et leur disponibilité qui m’ont permis d’améliorer la qualité de ce mémoire. Je tiens à remercier chaleureusement M Lawani Adjadi MOUNIROU assistant de recherche qui m’a beaucoup aidé et qui a mis généreusement les résultats de ses travaux à ma disposition. A tous les professeurs et personnel de l’EIER qui ont contribué à ma formation, je voudrais dire ma reconnaissance Tous mes respects et ma reconnaissance vont à ma famille, source de ma motivation et de mes espoirs ; à mon défunt père Mathias Kodjo, « que la terre lui soit légère » ; à ma combattante maman Elise Kékénon pour la confiance qu’elle a toujours placée en moi. Je suis reconnaissant envers mon oncle Lucien Akomatê AYENA pour ses soutiens multiples dans mon cursus scolaire, qu’il trouve ici l’expression de ma sincère gratitude. Je n’oublierai pas non plus les aides précieuses que m’ont fournies Clément et Francine GLAKPE en qui j’ai trouvé toute l’affection de ma famille et à ma nièce Yoanni qui ne se sait jamais départir de son sourire. J’adresse mes chaleureuses pensées à mes cousins et cousines pour les encouragements, la tendresse et le soutien qu’ils m’ont témoigné par téléphone et courriel. Il m’est impossible de ne pas associer mes amis de tout bord à ce travail, je préfère ne pas les nommer, tant le risque de commettre une injustice en oubliant quelqu’un est grand. A Micheline BATANATA qui m’a toujours encouragé et soutenu dans les moments difficiles, soit toujours la même et trouve ici l’expression de toute mon affection. Dédicace à toi, Soké Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel Mémoire de fin d’études d’ingénieur rédigé et soutenu par Homéakéké Komlan HOFFER/juin 2005 4 Je souhaite pour finir souligner à quel point j’ai apprécié d’avoir rencontré et côtoyé tous les amis de la 34ième promotion : Une bande de joyeux lurons avec qui j’ai partagé des moments de bonheur mémorables ; Ces amis venant d’horizons et de pays variés qui ont tous laissé leurs empreintes en moi. AUTEUR : HOFFER Homéakéké Komlan Professeurs responsables : LAROCHE Christophe ; MAR Lamine Amadou THEME : Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel. RESUME : Les modèles pluie – débit sont des outils performants, bien que toujours perfectibles, pour répondre aux besoins de la gestion et de la prévision des ressources en eau et de leur évolution. A partir de données en temps réel ou de prévisions de précipitation, ils sont capables d’évaluer le débit et son évolution en un point donné du cours d’eau. Mais les faibles connaissances que nous avons des processus élémentaires de transformation de pluie en débit, ainsi que les fortes variabilités spatiales et temporelles des caractéristiques physiques du bassin, des précipitations, de l’évapotranspiration, font que les modèles ne représentent jamais le fonctionnement exact du bassin. Par conséquent il faudrait trouver parmi les modèles GR2 ou 3M celui qui s’approche au mieux des réalités des bassins versants d’Afrique de l’Ouest et du Centre. Sur un échantillon de soixante bassins nous avons retenu seize bassins, en raison de quatre bassins par régime climatique. De l’analyse des résultats il ressort que le modèle GR3M de Mouehli est le plus performant et le plus robuste. Les modèles GR3M de Kabouya et GR2M de Makhlouf simulent aussi bien les débits sur les bassins versants retenus. Pour le modèle GR2M de Mouehli, nous avons obtenu des valeurs de critères de Nash négatives sur les bassins versants du régime tropical. Ce qui signifie que ce modèle ne s’adapte pas aux bassins de ce régime climatique. Pour ce qui concerne l’estimation du volume écoulé sur un bassin versant, les modèles GR3M de Kabouya et de Mouehli semblent les mieux adaptés. Alors que celui de Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel Mémoire de fin d’études d’ingénieur rédigé et soutenu par Homéakéké Komlan HOFFER/juin 2005 5 Mouehli GR2M n’est pas du tout conseillé pour une quelconque évaluation des ressources en eau sur les bassins versants du régime tropical. Les modèles sont plus performants et plus robustes sur les bassins versants les plus arrosés. Existe-t-il une corrélation entre l’évolution des qualités d’un modèle et les régimes climatiques sur lesquels le modèle est appliqué ? Mots clefs : Modèles hydrologiques : GR2 et 3M, Comparaison, Performance, Robustesse, Bassins versants, évaluation de ressource en eau. Sommaire : Remerciements : ...................................................................................................................................... 3 RESUME : ............................................................................................................................................... 4 Liste des figures : .................................................................................................................................... 7 Liste des tableaux : .................................................................................................................................. 8 Liste d’annotations .................................................................................................................................. 9 Introduction générale .......................................................................................................................... 10 1 - Objectifs de l’étude ................................................................................................................... 11 2 - Méthodologie générale .............................................................................................................. 12 3 - Contenu du rapport .................................................................................................................... 13 I - Description de l’Echantillon ................................................................................................... 13 I.1- Régime hydrologique ............................................................................................................ 13 I.1.1 - Régime sahélien............................................................................................................. 14 I.1.2 - Régime tropical pur ....................................................................................................... 15 I.1.3 - Régime tropical de transition ......................................................................................... 15 I.1.4 - Régime équatorial de transition ..................................................................................... 15 I.2- Choix d’un échantillon de bassins ......................................................................................... 16 I.3- Quelques critiques de l’échantillon de données .................................................................... 17 I.4- Identification des sous périodes de l’étude ............................................................................ 18 II - presentation des modeles GR2M, GR3M et leurs applications ........................................... 19 II.1- Relation pluie – débit ............................................................................................................ 19 II.2- Modélisation pluie – débit ..................................................................................................... 19 II.3- Présentation des modèles GR ................................................................................................ 20 II.3.1 - Présentation du modèle GR2M : Version de Makhlouf ................................................ 21 II.3.2 - Présentation du modèle GR2M : Version de Mouelhi .................................................. 25 Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel Mémoire de fin d’études d’ingénieur rédigé et soutenu par Homéakéké Komlan HOFFER/juin 2005 6 II.3.3 - Présentation du modèle GR3M : Version de Kabouya .................................................. 28 II.3.4 - Présentation du modèle GR3M : Version de Mouehli .................................................. 31 II.4- Les variables des modèles GR ............................................................................................... 32 II.4.1 - La pluie .......................................................................................................................... 32 II.4.2 - L’évapotranspiration...................................................................................................... 32 II.4.3 - Le débit .......................................................................................................................... 32 II.4.4 - Les paramètres des modèles .......................................................................................... 33 II.5- Les facteurs limitant l’application des modèles .................................................................... 34 III - methodologie de modelisation ................................................................................................ 35 III.1- Choix de la fonction critère ................................................................................................... 35 III.2- Description de la méthode d’optimisation ............................................................................. 37 III.2.1 - Cellule cible à définir .................................................................................................... 38 III.2.2 - Cellules variables........................................................................................................... 38 III.2.3 - Contraintes ..................................................................................................................... 38 III.2.4 - Option du solveur .......................................................................................................... 38 III.3- Initialisation du système et période de mise en route ............................................................ 39 IV - Méthodologie de comparaison ................................................................................................ 40 IV.1- La performance ...................................................................................................................... 41 IV.2- La robustesse ......................................................................................................................... 42 IV.3- Estimation de la ressource disponible. .................................................................................. 42 IV.4- Etude de l’influence de la superficie des bassins sur la perfomance des modèles ................ 43 V - presentation et analyse des resultats de la comparaison ...................................................... 43 V.1- Analyse des résultats des modèles sur les bassins testés ....................................................... 44 V.1.1 - Bassins du régime sahélien ............................................................................................ 44 V.1.2 - Bassins du régime tropical pur ...................................................................................... 47 V.1.3 - Bassins du régime tropical de transition ........................................................................ 51 V.1.4 - Bassins du régime équatorial de transition .................................................................... 54 V.1.5 - Conclusion ..................................................................................................................... 57 V.2- Analyse comparative des modèles ......................................................................................... 59 V.2.1 - Analyse de l’influence des périodes sur la performance et la robustesse des modèles . 59 V.2.2 - Comparaison des modèles de l’estimation de la ressource disponible .......................... 60 Comparaison de différents schémas de modélisation hydrologique au pas de temps mensuel Mémoire de fin d’études d’ingénieur rédigé et soutenu par Homéakéké Komlan HOFFER/juin 2005 7 V.2.3 - Analyse de l’influence des lacunes observées dans les séries hydrométriques ............. 61 V.2.4 - Analyse de l’influence de la superficie des bassins versants sur la performance des modèles …………………………………………………………………………………………61 Conclusion générale ............................................................................................................................ 63 Bibliographie : ....................................................................................................................................... 64 Annexes : ............................................................................................................................................... 66 Liste des figures : Figure 1: Architecture du modèle GR2M (Version de Makhlouf) ........................................... 25 Figure 2: Architecture du modèle GR2M (Version de Mouehli, 2002) ................................... 28 Figure 3: Architecture du modèle GR3M (Ancienne version, Kabouya,1991) ........................ 30 Figure 4: Architecture du modèle GR3M amélioré (Mouehli,2002) ....................................... 31 Figure 5 : Erreur relative sur volume: Régime Sahelien ......................................................... 47 Figure 6: Erreur relative uploads/Philosophie/ hoffer-homeakeke-komlan.pdf