Hydrologie Spatiale
La modélisation hydrologique et hydrodynamique, pour le suivi des eaux continentales depuis l'espace et en temps réel
Hydro Matters a développé, depuis sa création, une expertise majeure dans la modélisation hydrologique et hydrodynamique d’un large panel de bassins versants, fruit d’années d’expérience et de longues collaborations en particulier avec les organismes des grands bassins d’Amazonie, du continent Africain, ou encore d’Asie. Cette expertise en modélisation, cruciale pour adresser les défis actuels liés à l’eau et au changement climatique, s’est construite autour du modèle MGB (Modèles de Grand Bassins) développé à l’Institut de Recherches en Hydraulique (IPH-UFRGS) au Brésil, déployé aujourd’hui dans la plupart de nos projets.
Depuis 2024, la présence d’experts en modélisation hydraulique dans notre équipe complète notre panel d’activités, en particulier pour la modélisation d’inondations locales. Cette expertise s’articule principalement autour du modèle DassFlow (Data assimilation for free surface Flow), développé en partenariat avec l’INRAE Aix-en-Provence et l’INSA Toulouse et déployé pour des projets nécessitant la cartographie d’aléas en zone rurale ou urbaine.
Adaptabilité, précision des modèles, et approche intégrative
Des modèles hydrologiques et hydrauliques conçus pour s’adapter à une diversité de contextes géographiques et climatiques : allant des régions arides aux zones tropicales humides, en tenant compte des spécificités locales telles que la végétation, le sol, et les pratiques d’utilisation des terres.
Engagement envers la résilience climatique
Des modèles qui intègrent des scénarios de changement climatique pour anticiper les futurs défis en matière de gestion des ressources en eau et contribuer à l’élaboration de stratégies d’adaptation, assurant une gestion de l’eau résiliente et prévoyante face aux défis futurs.
Support à la décision pour la gestion des ressources en eau
Les simulations issues de nos modèles représentent un support décisionnel essentiel pour une gestion efficace des ressources en eau : aide à la planification des infrastructures hydrauliques, à la gestion des risques d’inondation et de sécheresse, à la mise en œuvre de pratiques de gestion durable, à la conservation des écosystèmes aquatiques …etc.
Collaboration et transfert des connaissances
La réussite de nos projets repose sur une étroite collaboration avec les acteurs locaux, les institutions de recherche, et les organisations internationales. Nous nous engageons non seulement à développer et à déployer des modèles avancés, mais aussi à transmettre les connaissances et les compétences nécessaires pour leur utilisation efficace.
Le modèle MGB (Modèle de Grands Bassins)
Le modèle MGB est un modèle hydrologique et hydrodynamique semi-distribué à base physique simulant la transformation pluie-débit à différentes échelles spatiales et temporelles. Libre et gratuit, adaptable et peu exigeant en ressources informatiques, il intègre aisément des données spatiales variées, tout en étant peu gourmand en données in-situ. Le modèle est alimenté par des données de précipitation issues de produit satellites (IMERG Late, GSMap-G NRT…), des variables météorologiques (vent, humidité, rayonnement) (ECMWF) ou encore des prédictions météorologiques à court terme (modèle IFS..). Il permet de fournir des simulations précises de hauteur d’eau et de débit des eaux continentales en tout point des bassins modélisés.
Pour plus de détails et pour accéder au modèle et à sa documentation complète, voir :
Modèle semi-distribué : Découpage du bassin versant en sous-bassins, eux-mêmes divisés en bassins élémentaires interconnectés (Méthode de Maidment, 2002)
Bilan hydrique : Le bilan hydrique quotidien est simulé pour chaque HRU, en intégrant l’interception, l’évapotranspiration (formule de Penman-Monteith), l’infiltration et le ruissellement de surface (modèle ARNO), la percolation (fonction du stockage), ainsi que l’écoulement souterrain.
Schéma de routage Muskingum-Cunge : Les flux générés sont répartis entre trois réservoirs linéaires (surface, sub-surface, souterrain), puis acheminés vers le réseau hydrographique à l’aide du schéma de routage Muskingum-Cunge, qui intègre les caractéristiques topographiques (largeur, longueur, pente) extraites du modèle numérique de terrain (MNT).
Unités de réponse hydrologique (HRUs) : Chaque bassin élémentaire comprend jusqu’à 12 unités de réponse hydrologiques (HRUs), définis par la combinaison des types de sol et d’occupation du sol, selon une approche spatialisée prenant en compte la variabilité des pratiques agricoles, des réservoirs (naturels ou artificiels), et des propriétés pédologiques
Données météorologiques : Les données météorologiques (pluie, température, etc.) sont interpolées au centre de chaque bassin élémentaire à partir de mesures in-situ ou satellitaires.
Et plus encore : Le modèle prend en compte la dynamique des affluents, les temps de concentration, et la capacité d’infiltration des sols. Aussi, un module spécifique permet de représenter les effets des zones périurbaines, où l’imperméabilisation intensifie les crues.
Illutration du déploiement du modèle MGB en Guyane
Le modèle DassFlow (Data assimilation for free surface Flow)
La présence d’experts en modélisation hydraulique au sein d’Hydro Matters complète notre panel d’activités en développant des outils de modélisation pour la cartographies d’aléas dû aux inondations au niveau local. Réalisées à plus fine échelle, à des points d’intérêts (intersections routes/rivière) ou en milieu urbain, ces cartes d’aléas sont utilisées pour améliorer le suivi des inondations fluviales ou pluviales (ou les deux) et plus globalement pour améliorer notre compréhension des phénomènes d’inondations dans ces milieux complexes. Hydro Matters s’appuie sur les modèles hydrauliques 1D/2D DassFlow (Data Assimilation for free surface Flow) développés (et encore en développement) par notre expert Kévin Larnier (lol faut pas dire ça comme ça mais presque) en collaboration avec l’INSA Toulouse et l’INRAE Aix-en-Provence (c’est ça?).
Modèle semi-distribué : Découpage du bassin versant en sous-bassins, eux-mêmes divisés en bassins élémentaires interconnectés (Méthode de Maidment, 2002)
Bilan hydrique : Le bilan hydrique quotidien est simulé pour chaque HRU, en intégrant l’interception, l’évapotranspiration (formule de Penman-Monteith), l’infiltration et le ruissellement de surface (modèle ARNO), la percolation (fonction du stockage), ainsi que l’écoulement souterrain.
Schéma de routage Muskingum-Cunge : Les flux générés sont répartis entre trois réservoirs linéaires (surface, sub-surface, souterrain), puis acheminés vers le réseau hydrographique à l’aide du schéma de routage Muskingum-Cunge, qui intègre les caractéristiques topographiques (largeur, longueur, pente) extraites du modèle numérique de terrain (MNT).
Unités de réponse hydrologique (HRUs) : Chaque bassin élémentaire comprend jusqu’à 12 unités de réponse hydrologiques (HRUs), définis par la combinaison des types de sol et d’occupation du sol, selon une approche spatialisée prenant en compte la variabilité des pratiques agricoles, des réservoirs (naturels ou artificiels), et des propriétés pédologiques
Données météorologiques : Les données météorologiques (pluie, température, etc.) sont interpolées au centre de chaque bassin élémentaire à partir de mesures in-situ ou satellitaires.
Et plus encore : Le modèle prend en compte la dynamique des affluents, les temps de concentration, et la capacité d’infiltration des sols. Aussi, un module spécifique permet de représenter les effets des zones périurbaines, où l’imperméabilisation intensifie les crues.
Illutration du déploiement du modèle DassFlow 2D (simplifié) pour la simulation d’inondation fluviale au Burkina Faso
Illutration du déploiement du modèle DassFlow 2D (simplifié) pour la simulation d’inondation pluviale à Ouagadougou au Burkina Faso
Technologies utilisées
Technologies employées en modélisation hydrologique et hydrodynamique
La modélisation hydrologique et hydrodynamique s’appuie sur un ensemble de technologies avancées pour simuler avec précision les comportements des systèmes d’eau à travers des paysages variés. L’adoption de ces outils technologiques est cruciale pour le développement de modèles fiables et performants, essentiels à la gestion des ressources en eau et à la prévision des phénomènes hydrologiques. Voici un aperçu des principales technologies utilisées :
- Systèmes d’Information Géographique (SIG) : Ces systèmes jouent un rôle fondamental dans la modélisation hydrologique, offrant des capacités avancées de gestion, d’analyse et de visualisation des données spatiales. Ils permettent d’intégrer diverses données géographiques et hydrologiques pour cartographier les bassins versants, analyser les caractéristiques du terrain et simuler les flux d’eau.
- Télédétection : L’observation de la Terre par satellite ou radar est essentielle pour acquérir des données sur les surfaces d’eau, la couverture végétale, et les paramètres climatiques sur de vastes zones. Ces informations alimentent les modèles hydrologiques avec des données actualisées sur les conditions environnementales influençant le cycle de l’eau.
- Modèles de simulation numérique : Des modèle hydrologique et hydrodynamiques spécialisés comme MGB, DassFlow, ATHYS ou encore HEC-RAS, sont employés pour simuler la dynamique hydrologique à différentes échelles spatiales et pour différents objectifs. Ces outils simulent les processus hydrologiques et hydrodynamiques, tels que l’écoulement des rivières, les interactions nappe-rivière, et les inondations, fournissant des prévisions essentielles pour la planification et la gestion de l’eau.
- Capteurs et mesures in situ : Bien que non numériques par nature, les mesures in situ sont intégrées aux processus de modélisation pour calibrer et valider les modèles hydrologiques. Des capteurs placés dans les cours d’eau, les lacs, et sur le terrain mesurent directement les paramètres clés tels que les niveaux d’eau, les débits, et la qualité de l’eau, assurant ainsi la précision des simulations.
En combinant ces technologies, Hydro Matters et ses partenaires peuvent développer des modèles hydrologiques et hydrodynamiques sophistiqués, capables de prédire avec précision le comportement des systèmes d’eau et de soutenir des décisions éclairées pour la gestion durable des ressources hydriques.
Méthodologie de modélisation hydrologique et hydrodynamique
Processus méthodologique en modélisation hydrologique et hydrodynamique
La construction et l’application de modèles hydrologiques et hydrodynamiques suivent un processus méthodologique rigoureux, divisé en plusieurs étapes cruciales. Ce cadre assure le développement de simulations à la fois précises et utiles pour la compréhension et la gestion des systèmes aquatiques. Les phases principales de ce processus sont les suivantes :
- Calibration des modèles : Cette étape fondamentale consiste à ajuster les paramètres des modèles pour qu’ils concordent avec les données empiriques collectées sur le terrain. Cette calibration est essentielle pour améliorer la fidélité des modèles aux réalités observées des systèmes d’eau.
- Validation des modèles : Après la calibration, les modèles sont soumis à une phase de validation, où leurs prédictions sont comparées à un ensemble de données non impliquées dans la calibration. Cela permet d’évaluer leur capacité à généraliser et à fournir des estimations fiables dans des conditions variées.
- Analyse de sensibilité : L’analyse de sensibilité est réalisée pour déterminer l’impact de variations dans les paramètres du modèle sur les résultats obtenus. Cette analyse identifie les paramètres ayant l’influence la plus significative sur le comportement du modèle, offrant ainsi des indications précieuses pour sa calibration et son ajustement.
- Assimilation : L’assimilation de données altimétriques dans un modèle hydrologique est un processus crucial pour améliorer la précision des prévisions et des simulations. Des filtres d’ensemble tels que l’ensemble de Kalman (EnKF) constitue une méthode efficace pour intégrer des données auxiliaires telles que l’altimétrie, les plaine d’inondation ou les débits in-situ, tout en tenant compte des incertitudes inhérentes au modèle.
- Intégration de scénarios de changement climatique : Les modèles intègrent également des scénarios de changement climatique pour évaluer comment les variations futures des conditions climatiques pourraient affecter les ressources en eau. Cette intégration est cruciale pour préparer les systèmes hydriques aux défis à venir et pour élaborer des stratégies d’adaptation et de mitigation efficaces.
Cette approche méthodique, depuis la calibration jusqu’à l’intégration de scénarios de changement climatique, assure la création de modèles hydrologiques et hydrodynamiques robustes et réactifs. En suivant ce processus, nous pouvons générer des simulations qui reflètent fidèlement les dynamiques complexes des systèmes d’eau, fournissant ainsi un support crucial pour la recherche hydrologique avancée et la gestion proactive des ressources en eau.
Applications et utilisations
Diversité des applications des modèles hydrologiques et hydrodynamiques
L’élaboration et l’utilisation de modèles hydrologiques et hydrodynamiques s’étendent à de multiples domaines, jouant un rôle indispensable dans l’orchestration d’une gestion de l’eau à la fois réfléchie et durable. Ces outils de modélisation, par leur précision et leur adaptabilité, répondent à divers enjeux et besoins environnementaux. Examinons les applications majeures de ces modèles :
- Prévention et réponse aux inondations : Une des contributions les plus significatives de la modélisation est sa capacité à anticiper les risques d’inondation. En fournissant des prévisions fiables, les modèles permettent aux communautés et aux autorités de prendre des mesures de précaution et de réduire les impacts potentiels des crues.
- Gestion des périodes de sécheresse : Les modèles hydrologiques aident également à naviguer à travers les défis des sécheresses en optimisant la gestion et l’allocation de l’eau. Ces outils prédictifs sont essentiels pour assurer la sécurité hydrique même dans les périodes de faibles précipitations.
- Planification stratégique des ressources en eau : Au-delà des situations d’urgence, la modélisation sert à la planification à long terme des ressources hydriques, en évaluant les besoins futurs pour l’agriculture, l’industrie et la consommation domestique. Cette approche proactive facilite une gestion équilibrée de l’eau, essentielle au développement durable.
- Évaluation de l’impact des changements d’utilisation des terres : Les modèles offrent également des indices précieux sur les effets des modifications anthropiques et naturelles du paysage sur les cycles de l’eau. Cette capacité est cruciale pour la préservation des écosystèmes aquatiques et pour la mise en place de pratiques de développement respectueuses de l’environnement.
Ces applications diversifiées mettent en lumière le rôle central de la modélisation hydrologique et hydrodynamique dans la formulation de politiques hydriques éclairées et dans l’adoption de stratégies de gestion adaptatives. En exploitant la puissance de ces modèles, nous pouvons mieux comprendre et gérer les précieuses ressources en eau de notre planète, assurant ainsi leur durabilité pour les générations futures.