Vers une représentation parcimonieuse de la variabilité morphologique des rivières non-jaugées adaptée au problème inverse hauteur-débit

Towards a parcimonious representation of morphological variability in ungauged river flow, suitable for the discharge inverse problem

• Auteur / Autrice : Mounir Mahdade
• Direction : Pierre Ribstein, Nicolas Le Moine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux environnementaux, transferts et interactions dans les hydrosystèmes et les sols (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Roux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Brigode, Roger Moussa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-George Tournoud, Pierre-Olivier Malaterre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures hydrauliques

Modèles hydrologiques

Cours d'eau -- Débit

Cours d'eau -- Jaugeage

Hydrologie -- Recherche

Mots clés libres

Rivières non-jaugées

Courbe de tarage

Inversion

Morphologie

Simulation de crue

Modèle hydraulique

Ungauged rivers

Reach-averaged rating curve

Flood simulation

Résumé

L’absence de mesures in situ dans les rivières non-jaugées empêche la construction de courbes de tarage, utiles à plusieurs applications hydrologiques et hydrauliques. Ces dernières décennies, l'idée d'estimer les débits par des méthodes de télédétection a émergé, toujours sur le principe de construire un lien entre hauteur d'eau et débit. Cependant, ce changement s'accompagne d'un changement d'échelle de la mesure de hauteur, qui n'est plus rattachée à une section mais au tronçon, conduisant à la notion de courbe de tarage au tronçon sous les mêmes hypothèses qu'une courbe de tarage à la section. Cette thèse aborde la construction d'une telle courbe. Étant donné que les paramètres de friction, de la bathymétrie et du débit sont inconnus. Pour réduire la dimensionnalité du problème, une étude hydromorphologique montre que la variabilité géométrique des rivières peut être représentée sous forme d’un modèle périodique 2D dont la forme en plan est basée sur une courbe de Kinoshita. Afin de tester et de valider ce modèle, une simulation de référence 2D est faite sur un tronçon de la Garonne avec une topographie continue de haute résolution. La surface libre simulée peut être considérée comme un jeu de ''pseudo-observations'' similaires à celles qui seront produites par la mission SWOT. Le modèle hydraulique direct se base sur une simplification géométrique non-uniforme (modèle périodique) et un solveur des équations de Saint-Venant (Basilisk). Une inversion stochastique par algorithme génétique permet d’estimer la courbe de tarage au tronçon dans un régime stationnaire en testant les paramètres géométriques et de frottements qui reconstituent au mieux les signatures observées.

The lack of in situ measurements in ungauged rivers prevents the construction of rating curves, useful for several hydrological and hydraulic applications. In recent decades, the idea of estimating discharges by remote sensing methods has emerged, based on the principle of constructing a link between water elevation and discharge. However, this change is accompanied by a change in the scale of the elevation measurement, which is no longer attached to a cross-section but to the reach, leading to the notion of a reach-average rating curve under the same assumptions as a cross-section rating curve. This thesis treats the construction of such a curve. Since the parameters of friction, bathymetry and discharge are unknown, and to reduce the dimensionality of the problem, a hydromorphological study shows that the geometrical variability of rivers can be represented in 2D periodic model whose planform is based on a Kinoshita curve. In order to test and validate this model, a 2D reference simulation is produced on a 40km reach of the Garonne River with a continuous high-resolution topography. The simulated free surface can be considered as a set of ''pseudo-observations'' like those that will be produced by the SWOT mission. The 2D direct hydraulic model is based on a non-uniform geometric simplification (periodic model) and a solver of the Saint-Venant equations (Basilisk). A stochastic inversion by genetic algorithm allows to estimate the reach-averaged rating curve in a stationary regime by testing the geometrical and friction parameters that best reconstitute the observed signatures.