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Tous droits réservés © Revue des sciences de l'eau, 1998 Ce document est protégé par la loi sur le droit d’auteur. L’utilisation des services d’Érudit (y compris la reproduction) est assujettie à sa politique d’utilisation que vous pouvez consulter en ligne. https://apropos.erudit.org/fr/usagers/politique-dutilisation/ Cet article est diffusé et préservé par Érudit. Érudit est un consortium interuniversitaire sans but lucratif composé de l’Université de Montréal, l’Université Laval et l’Université du Québec à Montréal. Il a pour mission la promotion et la valorisation de la recherche. https://www.erudit.org/fr/ Document généré le 16 sept. 2022 13:10 Revue des sciences de l'eau Journal of Water Science La modélisation hydrologique et la gestion de l'eau Hydrological modeling and water management J. P. Villeneuve, P. Hubert, A. Mailhot et A. N. Rousseau Volume 11, numéro hors-série, 1998 URI : https://id.erudit.org/iderudit/705327ar DOI : https://doi.org/10.7202/705327ar Aller au sommaire du numéro Éditeur(s) Université du Québec - INRS-Eau, Terre et Environnement (INRS-ETE) ISSN 0992-7158 (imprimé) 1718-8598 (numérique) Découvrir la revue Citer cet article Villeneuve, J. P., Hubert, P., Mailhot, A. & Rousseau, A. N. (1998). La modélisation hydrologique et la gestion de l'eau. Revue des sciences de l'eau / Journal of Water Science, 11, 19–39. https://doi.org/10.7202/705327ar Résumé de l'article Cet article brosse un portrait de différents types de modélisation hydrologique développés à ce jour. Nous passerons donc en revue l'hydrologie, à l'érosion hydrique des sols, au transport et aux transformations des polluants et à la qualité de l'eau en rivière. Ce bref survol, nous amène à conclure que si le développement de la modélisation hydrologique s'est fait jusqu'ici essentiellement en affinant la description des processus et en considérant des échelles spatiales et temporelles plus fines, l'étape suivante passe par l'intégration de ces divers modèles. Cette intégration permettra dès lors de considérer un ensemble de problématiques directement liées aux aspects de gestion environnementale. REVUE DES SCIENCES DE L'EAU, Rev. Sci. Eau n° spécial (1998) 19-39 La modélisation hydrologique et la gestion de l'eau Hydroiogical modeling and water management J.P. VILLENEUVE1, P. HUBERT2, A. MAILHOT1 et A.N. ROUSSEAU1 SUMMARY This paper présents an overview of physically-based hydroiogical modeling approaches and a look at the future of hydroiogical modeling within the con- text of water management It extends beyond cîassical hydroiogical modeling by surveying the modeling of water contaminants transport in porous média and surface waters, as well as soil érosion. Overview of Hydroiogical Modeling Approaches Increasing concerns in predicting the impacts of land use management on the hydroiogical cycle hâve led researchers to construit two types of physically- based distributed models. The first type of mode! views the watershed as an ensemble of inter-connected réservoirs and mimics water routing with various types of discharge expressions and conceptual models (e.g., the infiltration models of GREEN and AMPT (1911), HOLTAN (1961) or SMITH and PARLANGE (1978); the unit hydrographs of SHERMAN (1932) and DOOGE (1973) and the geomorphological unit hydrograph of RODRIGUEZ-ITURBE and VALDES (1979); the ground water discharge mode) of BEVEN and KIRBY (1979); etc.). It is noteworthy that the pioneering Stanford Watershed Model of CRAWFORD and LINSLEY (1966) led to the development of many currently used hydroiogical models including HBV (BERGSTRÔM and FORSMAN, 1973), SLURP (KITE, 1978), TOPMODEL (BEVEN and KIRBY, 1979) and CEQUEAU (MORIN étal., 1981), to name a few. The second type of model discretizes the watershed into an ensemble of control volumes and mimics water routing using combinations of partial differential équations for mass and momentum conservation and phenomenologicai models {e.g., DARCY'S (1856), DUPUIT-S (1863), BOUSSI- NESQ'S (1904) and RICHARDS (1931) équations for unsaturated and saturated flow in porous média; SAINT-VENANT'S (1871) and MANNING'S (1891) équations for overland and open channel flows). Hydroiogical models such as SHE (ABBOTT étal, 1986a, b), IHDM (CALVER, 1988), KÏNEROS (WOOLHISER 1. INRS-Eau, 2800 rue Einstein C.P. 7500, Sainte-Foy, Québec, G1V 4C7. 2. UMR Sysiphe, Centre d'informatique géologique École nationale supérieure des Mines de Paris, 35, rue Saint-Honoré 77305 Fontainebleau cedex, France. 20 Rev. Sci. Eau, n° spécial, 1998 J.P. Villeneuve et al. étal, 1990),THALES (GRAYSON et al, 1992) and HYDROTEL (FORTIN étal, 1995), among others, represent classical examples of this type of modeiing. It is noteworthy that récent advances in remote sensing and in digital élévation modeiing hâve greatly facilitated and simplified the use of most of the hydrolo- gical modcls. On another front, the adverse effects of agricultural, industrial and urban runoff on surface and ground waters hâve motivated the development and application of différent approaches to predict the fate and transport of varions water contaminants in the environment {Le., eroded soil particles, adsorbed and dissolved nutrients and pesticides as well as organic matter). In soil érosion modeiing, thèse concerns hâve led researchers to construct non- point source pollution models for evaluating the impacts of alternative land management practices on water quality. Based on the empirical Universal Soil Loss Equation (WISCHMEIER and SMITH, 1978), the first nonpoint source models included CREAMS (KNISEL, 1980), AGNPS (YOUNG étal, 1987) and SWRRB {WILLIAMS et al, 1985). However, the ïack of physical realism in thèse empirical formulations prompted the development of physically-based érosion models such as GUEST (ROSE étal, 1983; HAIRSHINE and ROSE, 1992a, b), WEPP (NEARING étal, 1989), LISEM (DE ROO étal, 1994) and EUROSEM (MORGAN et al, 1992). The advantage of thèse models over the USLE résides in their ease of intégration with physically-based hydrological models. Because of its close ties with the hydrological cycle and the soil érosion process (adsorbed and dissolved contaminants), the development of physically-based models for nutrient and pesticide transport beneflted directly from advances in soil érosion modeiing, soil chemistry and soil physics. The modeiing of nitrogen transport is a représentative example of this. Early modeiing efforts involved the coupling of first-order kinetics models for the nitrogen cycle (MEHRAN and TANJI, 1974) with two types of mass conservation équation in porous média: the convection-dispersion équation and the capacity transport équation. Well known soil nitrogen dynamics models include NCSOIL (MOLINA et al., 1983), SOILN (JOHNSSON et al, 1987), EPIC (SHARPLEV and WILLIAMS, 1990), LEA- CHN and LEACHA (HUTSON and WAGENET, 1991,1992,1993), DAISY (HAN- SEN et al, 1991) and AgriFlux (BANTON et al, 1993). The first attempt to model surface water quality goes back to the work of STREETER and PHELPS (1925) who studied the impacts of a municipal waste water discharge on dissolved oxygen (DO) and bîologicaï oxygen demand (BOD) of an Ohio river. To predict DO and BOD dynamics, Streeter and Phelps assumed uniform and steady flow conditions and used first-order kine- tics to model atmospheric supply of oxygen and oxygen consumption. The advances in computational power during the 70s and 80s allowed several researchers to substantially increase the complexity of the Streeter-Phelps approach. This was achieved by aecounting for advection-dispersion pheno- mena, unsteady two and three dimensional flow conditions, as well as the effect of température on various chemical reactions. The QUAL2E model of BROWN and BARNWELL (1987) is a good example of a moderately contplex water qua- lity model where advection-dispersion and température effects on several water characteristics and contaminants are consîdered under one-dimensional steady flow conditions. Future of Hydrological Modeiing At présent, the state of hydrological modeiing and software engineering has reached a point where it is now possible to construct spatial décision support Systems (SDDS) capable of simulating the impacts of various management practices (Le., industrial, municipal and agricultural) on the water quantity and the quality of a watershed's river network. Thèse Systems, which idealy should be user-friendly for décision makers, will be both integrated modeiing Modélisation hydrologique 21 Systems (including a database System, hydrologie, soil érosion, agricultural- chemîcal transport and water quality models) and spatial data analysis Sys- tems (including a geographical information System). Currently developed SDDS include PÉGASE (SMITZ et ai, 1997) and GIBSI (VILLENEUVE étal, 1996, 1997a, b). In a sustainable water management context, the use of such Systems will provide décision makers with a complète tool for exploring a variety of integrated watershed management programs. Key-words: integrated modeling System, soil érosion, agricuitural contaminants, water quality. RÉSUMÉ Cet article brosse un portrait de différents types de modélisation hydrologique développés à ce jour. Nous passerons donc en revue l'hydrologie, l'érosion hydrique des sols, le transport et les transformations des polluants et la qualité de l'eau en rivière. Ce bref survol, nous amène à conclure que si le développe- ment de la modélisation hydrologique s'est fait jusqu'ici essentiellement en affinant la description des processus et en considérant des échelles spatiales et temporelles plus fines, l'étape suivante passe par l'intégration de ces divers modèles. Cette intégration permettra dès lors de considérer un ensemble de problématiques directement liées aux aspects de gestion environnementale. Mots clés ; système de modélisation intégrée, érosion des sols, contaminants agri- coles, qualité de l'eau. 1 - INTRODUCTION Le premier pas de toute démarche scientifique consiste à observer et à identi- fier un ensemble de variables susceptibles de décrire le phénomène ou le pro- cessus étudié. Cette connaissance demeure encyclopédique et de peu d'intérêt tant qu'un lien ou une relation n'est pas établi entre un premier ensemble de variables {le., les variables d'entrée) et un uploads/Philosophie/ scopus-document-details-hydrological-modeling.pdf