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Le projet LIFE Eau&Climat (LIFE19 GIC/FR/001259)
a reçu un financement du programme LIFE de l’Union européenne.
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SMASH est une plate-forme de calcul, développée à INRAE, et dédiée à la modélisation hydrologique continue et spatialement distribuée ainsi qu’à l’assimilation de données (JAY-ALLEMAND et al., 2020). Cette plate-forme est conçue pour simuler des hydrogrammes de débit sur l’ensemble des mailles constituant le domaine de calcul en tirant parti des forçages météorologiques spatialement distribués et des observations hydrométriques. Le modèle est basé sur une représentation conceptuelle des processus hydrologiques dominants sur la base des modèles GR (PERRIN et al., 2003) tout en visant à maintenir une relative parcimonie des paramètres. La modélisation peut être mise en oeuvre pour différents pas de temps et différentes résolutions spatiales (Figure 1). La plate-forme SMASH est notamment utilisée en opérationnel dans le cadre du service d’avertissement Vigicrues Flash (PIOTTE et al., 2020). La plate-forme SMASH étant basée sur une représentation conceptuelle des processus hydrologiques, elle dispose de différents algorithmes et méthodes d’optimisation.
Dans le cadre du projet Explore2, le modèle SMASH a été mis en oeuvre à un pas de temps journalier, à une résolution spatiale de 1 km et dispose d’une structure d’opérateurs hydrologiques composée de cinq paramètres (Figure 2). La structure est composée d’un module neige degré-jour, des réservoirs de production et transfert du modèle GR (PERRIN et al., 2003) et un réservoir de routage.
Les données atmosphériques d’entrée du modèle sont issues de la réanalyse SAFRAN (VIDAL et al., 2010) à une résolution native de 8 km qui a été spatialement désagrégée à une résolution de 1 km de manière uniforme. Il s’agit de : la précipitation liquide (P), la précipitation solide (S), la température (T) et l’évapotranspiration de référence (E) calculée par la formule de Penman-Monteith, le rayonnement étant dérivé de la formule de Hargreaves (ROBIN et al., 2022).
Deux expériences numériques de diagnostic ont été mises en place sur l’ensemble de la période de disponibilité des forçages atmosphériques SAFRAN (1975–2019) :
• Un calage spatialement uniforme,
• Une régionalisation des paramètres du modèle.
Concernant le calage, il a été appliqué localement pour chacune des stations de référence en maximisant le critère KGE (GUPTA et al., 2009). Pour rappel, un calage spatialement uniforme consiste à optimiser une unique valeur de paramètre (pour chaque paramètre) sur l’ensemble des cellules du domaine.
Concernant la régionalisation, l’échantillon de bassins a été découpé de manière à ce que 90% des bassins soient considérés comme jaugés et les 10% restant comme pseudo non-jaugés. Afin que l’ensemble des bassins de l’échantillon soit considéré comme pseudo non-jaugé une fois, dix blocs de 90% / 10% ont été générés (Figure 3). Le découpage en blocs de 90% et 10% bassins a été effectué de manière aléatoire en considérant une France découpée en quatre zones Nord-Ouest, Nord-Est, Sud-Est et Sud-Ouest. Ainsi, les 10% correspondent à la somme de 10% de bassins pris dans chacune des zones.
Figure 3 : Représentation des différents blocs crés pour les besoins de la validation croisée. Chaque bloc est constitué des stations d’évaluation dont 90% sont jaugées et les 10% restantes non-jaugées. Sur l’ensemble des 10 blocs, un bassin est considéré non-jaugé une unique fois.
La méthode de transfert des valeurs des paramètres appliquée dans le cadre de l’exercice de régionalisation consiste en un transfert prenant en compte le maximum de taux d’emboîtement et la proximité spatiale entre les bassins. Pour chacun des 10 blocs, un calage uniforme est appliqué sur l’ensemble des 90% des bassins jaugés donneurs. Les paramètres obtenus sont ensuite transférés vers les 10% bassins versants restants (receveurs) en respectant les conditions suivantes :
• S’il existe un emboîtement entre un bassin receveur (parmi les 10%) et un bassin donneur (parmi les 90%) et que celui-ci est supérieur à 20%. Le bassin receveur prend le jeu de paramètres uniformes du bassin donneur,
• Sinon, le bassin receveur prend un jeu de paramètres moyen, pondéré par la distance entre exutoires, des deux bassins donneurs les plus proches.
Le modèle hydrologique SMASH fournit, dans le cadre du projet Explore2, des données de débit, uniquement.
Le critère KGE a été celui retenu pour optimiser les paramètres du modèle dans la phase de calage. De ce fait, SMASH affiche des très bons scores de sa variante KGE√, compris entre 0.30 et 0.96, la médiane se situant à 0.89 (Figure 5). SMASH semble légèrement surestimer les débits de hautes eaux (Q10) et les débits d’étiage (Q90) dans le Massif Central, et les sous-estimer en dehors de cette région.
Les performances du modèle SMASH sont représentées en Figure 4 avec calage sur les stations de référence et en validation croisée (extrapolation des paramètres). Le critère décrit par les distributions cumulées est identique au critère de calage, le KGE. Les performances en calage s’échelonnent entre un score de 0.4 et 0.96 avec une médiane de 0.89. En extrapolation, les performances sont plus faibles avec certains scores inférieurs à 0, un maximum à 0.94 et une médiane de 0.75.
La capacité de SMASH à reproduire des débits fiables en sites non jaugés a été mesurée par validation croisée par bloc. Les stations de référence ont été exclues tour à tour de jeu de stations de calage, cela par groupe représentant 10% de l’échantillon de 60 ou 61 stations. L’opération est répétée dix fois. Dans cet exercice, chaque bassin versant est traité comme non jaugé, une et une seule fois. Les critères de performance chutent quand les paramètres sont obtenus pas extrapolation (ligne ”Non jaugé” dans le Tableau 1, Figure 4); ils restent cependant très bons en médiane (KGE√ supérieur à 0.8, et Biais, Q10 et Q90 proches de 0). Il faut constater une plus grande dispersion dans la qualité des modélisations (intervalles [minimum ; maximum] étendus) avec des surestimations parfois conséquentes mais ponctuelles de Q90 réparties sur la France métropolitaine (Figure 6). Globalement, les performances sont bonnes à très bonnes sur les principaux cours d’eau (drainant plus de 6000 km², 22 stations concernées), avec des valeurs de KGE√ supérieures à 0.44 (médiane autour de 0.91). Les performances sont plus incertaines sur les petits cours d’eau (249 bassins versants de moins de 200 km²) avec une médiane de KGE√ inférieure (0.79) et des valeurs négatives en 6 stations hydrométriques. Que ce soit avec des paramètres calés ou extrapolés, les plus basses performances sont localisées dans l’ouest du bassin hydrographique Seine-Normandie.
Tableau 1 : Performance de SMASH avec calage des données aux stations (Jaugé) et transfert des paramètres depuis des stations voisines (Non Jaugé) (médiane [minimum ; maximum]).
Figure 4 : Performance en termes de KGE du modèle SMASH en calage local uniforme (a) et en extrapolation (b) sur les stations de référence.
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Figure 5 : Performance constatée sur les débits simulés par SMASH. |
Figure 6 : Performance constatée sur les débits simulés par SMASH en validation croisée. |
GUPTA , H. V. et al. (2009). « Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria : Implications for improving hydrological modelling ». In : Journal of Hydrology 377, p. 80-9
JAY-ALLEMAND , M. et al. (2020). « On the potential of variational calibration for a fully distributed hydrological model : application on a Mediterranean catchment ». In : Hydrology and Earth System Sciences 24, p. 5519-5538. DOI : 10.5194/hess-24-5519-2020.
PERRIN , C., C. MICHEL et V. ANDRÉASSIAN (2003). « Improvement of a parsimonious model for streamflow simulation. » In : Journal of hydrology 279.1-4, p. 275-289.
PIOTTE , O. et al. (2020). « The early warning service for heavy rainfalls and flash floods ». In : La Houille Blanche 106.6, p. 75-84. DOI : 10.1051/lhb/2020055.
ROBIN , Y. et al. (2022). Projection climatiques régionalisées : Corrections de biais et changements futurs. Rapp. tech. Version V3. Météo-France; LSCE. DOI : 10.57745/99X4CD.
VIDAL , J.-P. et al. (2010). « A 50-year high-resolution atmospheric reanalysis over France with the Safran system ». In : Int. J. Climatol. 30.3, p. 1627-1644. DOI : 10.1002/joc.2003.