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ENGREF N° attribué par la bibliothèque THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NATIONALE D

ENGREF N° attribué par la bibliothèque THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NATIONALE DU GENIE RURAL DES EAUX ET DES FORETS Présentée par Safouane MOUELHI Ingénieur en Génie Rural Pour obtenir le grade de Docteur de l’Ecole Nationale du Génie Rural des Eaux et des Forêts Vers une chaîne cohérente de modèles pluie-débit conceptuels globaux aux pas de temps pluriannuel, annuel, mensuel et journalier Thèse soutenue le 27 février à l’ENGREF devant le jury composé de : M. Gérard Degoutte Président (Directeur Adjoint de l’ENGREF) M. J. Philip O'Kane Rapporteur (Prof. University College Cork, Irlande) M. Claude Thirriot Rapporteur (Prof. à l’ ENSEEIHT) M. Pierre Hubert Examinateur (Maître de Recherche à l’Ecole des Mines de Paris) M. Fethi Lebdi Examinateur (Prof. IRESA de TUNISIE) M. Claude Michel Directeur de thèse (Chercheur au Cemagref) E E EC C CO O O L L LE E E D D DO O OC C C T T TO O O R R RA A AL L LE E E S S S c c ci i ie e en n nc c ce e es s s d d de e e l l la a a T T Te e e r r rr r re e e e e et t t d d de e e l l l ' ' 'U U Un n ni i i v v ve e er r rs s s Université Paris VI, ENGREF, Ecole des Mines de Paris En association avec l'IFP « le voyage d’une goutte d’eau qui s’exhale de l’Océan et après avoir tout animé sur son passage, revient à l’Océan et recommence à décrire sans cesse un cercle bienfaisant ». Tissandier (L’eau, Hachette, 1869) Résumé La modélisation pluie-débit est une discipline des sciences hydrologiques qui s’intéresse principalement au cycle hydrologique afin d’aboutir à un outil de travail exploitable dans différents domaines. Deux dimensions définissent la modélisation pluie-débit. La première est l’échelle d’espace. Pour différentes superficies, allant d’une maille de quelques mètres carrés au bassin versant de quelques dizaines de milliers de kilomètres carrés, il existe une littérature très riche qui va de la proposition de divers types de modèles jusqu’à la critique de ceux ci. La deuxième dimension est l’échelle de temps. Du pas de temps horaire jusqu’au pas de temps pluriannuel, on trouve dans la littérature de nombreux modèles fonctionnant à chaque pas de temps. Cependant, rares sont les auteurs qui se sont intéressés à la modélisation avec une vue d’ensemble de tous les principaux pas de temps. La présente thèse tente de répondre à une question qui nous semble intéressante : peut-on tirer profit de l’échelle de temps dans la modélisation pluie-débit en vue d’obtenir des modèles plus efficaces et plus cohérents entre eux ? Nous nous sommes intéressés dans ce travail de recherche, aux pas de temps pluriannuel, annuel et mensuel. Pour chaque échelle de temps, nous avons procédé à une étude comparative des modèles tirés de la littérature en les testant sur un échantillon de 429 bassins versants de caractéristiques hydro-climatiques très variables. Grâce à des allers-retours entre les pas de temps, nous avons largement amélioré les modèles disponibles pour chaque pas de temps. Ainsi nous avons pu proposer trois modèles conceptuels globaux aux pas de temps pluriannuel, annuel et mensuel. De plus, suite à une vue d’ensemble de ces trois pas de temps, en y ajoutant le pas de temps journalier, nous avons décelé une cohérence dans la présence d’un échange souterrain indiquant clairement qu’un bassin versant est un système qui est ouvert sur toutes les frontières et pas seulement sur celle avec l’atmosphère. Abstract Rainfall-runoff modelling is a part of the Hydrological Sciences that is concerned with the hydrological cycle and aims at producing tools usable on different fields. Two dimensions are essential while dealing with rainfall-runoff modelling. The first one is the space scale. This scale ranges from a few square metres to a few tens thousands of square kilometres. The hydrologic literature abounds in models of every hind and in critical analyses of them. The second dimension is time. One can find in the literature a great number of models functioning on each time step, between one hour and several years. However, few authors have looked at the overall coherence of the models developed at different time steps. The present thesis tries to answer an interesting question : “Is it possible to see in these various time scales a mean to rationalize the corresponding modelling endeavours and obtain more efficient and more coherent models?”. Our work here, was mainly concerned with three time-steps : several years, one year and one month. For each time step we compared models from the literature, checking them against data from 429 basins featuring contrasting climatic conditions. Thanks to several going to and fro between those three time s teps, we greatly improved the models available for the three studied time steps. We proposed three lumped conceptual models for these three time. Considering a similar model developed for the daily time step, we could get an overall view of the modelling exercise for these four time steps and we found an abiding feature in all of them. This common feature was a underground exchange revealing that any basin is an open system along all its boundaries and not only with the overlying atmosphere. Remerciements Je commence tout d’abord par remercier Mr Mohamed Ali ABROGUI ainsi que Mr Gérard SORNIA, Mme Bettina LAVILLE et Mme Evelyne CHABBI-FLEURY de m’avoir recommandé pour obtenir la bourse de thèse. Je les remercie surtout pour la confiance qu’ils m’ont gracieusement accordée. Je remercie chaleureusement Gérard DEGOUTTE, Directeur Adjoint de l’Ecole Nationale du Génie Rural des Eaux et des Forêts, de m’avoir inscrit dans son établissement, d’avoir accepté de faire partie de mon comité de suivi de thèse et de mon jury de soutenance et surtout pour la confiance qu’il m’a gracieusement accordée lors de ce travail de recherche. Toute ma reconnaissance et mon respect vont à Claude MICHEL, hydrologue au Cemagref d’Antony, qui a accepté non seulement de diriger ce travail de recherche mais aussi de l’encadrer de près. Je me permets de saluer chez lui sa modestie et son accessibilité. Il m’a fait bénéficié de son savoir, de son expérience et de la clairvoyance de ses opinions en hydrologie que je ne peux que saluer. Il a su par ses idées, ses conseils, ses explications, ses critiques et son recul alimenter l’âme de ce travail de recherche. Je teins à remercier Vazken ANDREASSIAN, chercheur au Cemagref d’Antony et chef de l’équipe Hydrologie pour m’avoir accepté dans son équipe de recherche, pour avoir accepté de faire partie de mon comité de suivi de thèse et pour m’avoir aidé dans les démarches administratives. Il n’a jamais hésité à m’aider, non seulement par ses idées scientifiques mais aussi par sa compréhension, ses connaissances et ses qualités humaines que je ne peux que saluer. Charles PERRIN, chercheur au Cemagref d’Antony, a accepté de faire partie de mon comité de suivi de thèse. Il a également contribué à améliorer la qualité de ces travaux par ses idées et ses encouragements. Il n’a pas hésité à relire mon document pendant ses vacances et supporter surtout mes fautes d’orthographes. Je salue chez lui sa modestie et son accessibilité permanente et surtout la qualité des ses travaux qui m’ont épargné énormément de temps. Charles, Merci ! J’adresse toute ma gratitude à Pierre HUBERT, Maître de Recherche à l’Ecole des Mines de Paris, d’avoir accepté de faire partie de mon comité de suivi de thèse et également du jury de ma soutenance. J’adresse également ma profonde reconnaissance à Claude THIRRIOT, Professeur à l’ENSEEIHT et J. Philip O’KANE, Professeur à l’University College Cork, pour avoir accepté d’être rapporteurs de ces travaux. Fethi LEBDI, Professeur à l’Institut National d’Agronomie en Tunisie, a accepté d’être examinateur et m’a initialement recommandé pour cette expérience de recherche en France. Je lui exprime ma sincère reconnaissance. Eric SERVAT, Directeur de Recherche à l’Institut de Recherche pour le Développement et Eric GAUME, Chercheur au Centre d’Enseignement et de Recherche sur l’Eau, la Ville et l’Environnement ont accepté de faire partie de mon comité de suivi de thèse. Je leur exprime tout ma profonde reconnaissance. J’adresse également ma reconnaissance à Jean-Luc PUJOL, Chef de l’Unité de Recherche Qualité Fonctionnement Hydrologiques des Systèmes Aquatiques du Cemagref d’Antony, qui m’a accepté au sein de son unité et qui s’est porté personnellement garant pour prolonger mon financement. Son sens du management et sa sympathie m’ont été très bénéfiques. Je voudrais remercier toutes les personnes de l’Unité de Recherche QHAN qui m’ont aidé, par leur aide et leurs encouragements. Je me permets de distinguer Cecile LOUMAGNE, Directrice de Recherche, pour sa relecture de mes rapports d’avancement ; Jean-Louis ROSIQUE pour son aide efficace pour la gestion au quotidien des problèmes informatiques ; Mamoutou TANGARA pour ses conseils en statistique ; Sylvie TONACHELLA et Sophie MORIN du secrétariat pour leurs aide dans les démarches administratives. Merci également à tout le personnel, thésards et uploads/Science et Technologie/01-couverture.pdf