Guillaume Artigue va soutenir sa thèse le 3 décembre 2012 à l’École des Mines d’Alès.

THESE

Présentée à l’Université Montpellier II

Sciences et Techniques du Languedoc

Pour obtenir le grade de docteur

Spécialité : Eaux Continentales et Sociétés

École Doctorale : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences et Environnement (SIBAGHE)

Prévision des Crues Éclair par Réseaux de Neurones :

Généralisation aux Bassins non Jaugés.

Présentée et soutenue publiquement par :

Guillaume ARTIGUE

Le 3 décembre 2012

Directeurs de thèse : Monsieur Séverin Pistre et Madame Anne Johannet.

Encadrement : Madame Valérie Borrell.

Jury

Monsieur Vazken Andréassian : rapporteur.

Madame Françoise Prêteux : rapporteur.

Madame Marie-George Tournoud : examinatrice, présidente du jury.

Madame Caroline Wittwer : examinatrice.

Madame Valérie Borrell : encadrante, invitée.

Monsieur Roger Moussa : invité.

Madame Anne Johannet : co-Directrice de thèse.

Monsieur Séverin Pistre : co-Directeur de thèse.

Résumé
Dans les régions méditerranéennes françaises, des épisodes pluvieux diluviens se produisent régulièrement et provoquent des crues très rapides et volumineuses que l’on appelle crues éclair. Elles font fréquemment de nombreuses victimes et peuvent, sur un seul évènement, coûter plus d’un milliard d’euros. Face à cette problématique, les pouvoirs publics mettent en place des parades parmi lesquelles la prévision hydrologique tient une place essentielle.
C’est dans ce contexte que le projet BVNE (Bassin Versant Numérique Expérimental) a été initié par le SCHAPI (Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations) dans le but d’améliorer la prévision des crues rapides. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre de ce projet et ont trois objectifs principaux : réaliser des prévisions sur des bassins capables de ces réactions qu’ils soient correctement jaugés, mal jaugés ou non jaugés.
La zone d’étude choisie, le massif des Cévennes, concentre la majorité de ces épisodes hydrométéorologiques intenses en France. Ce mémoire la présente en détails, mettant en avant ses caractéristiques les plus influentes sur l’hydrologie de surface.
Au regard de la complexité de la relation entre pluie et débit dans les bassins concernés et de la difficulté éprouvée par les modèles à base physique à fournir des informations précises en mode prédictif sans prévision de pluie, l’utilisation de l’apprentissage statistique par réseaux de neurones s’est imposée dans la recherche d’une solution opérationnelle.
C’est ainsi que des modèles à réseaux de neurones ont été synthétisés et appliqués à un bassin de la zone cévenole, dans des contextes bien et mal jaugés. Les bons résultats obtenus ont été le point de départ de la généralisation à 15 bassins de la zone d’étude.
A cette fin, une méthode de généralisation est développée à partir du modèle élaboré sur le bassin jaugé et de corrections estimées en fonction des caractéristiques physiques des bassins.
Les résultats de l’application de cette méthode sont de bonne qualité et ouvrent la porte à de nombreux axes de recherche pour l’avenir, tout en démontrant encore que l’utilisation de l’apprentissage statistique pour l’hydrologie peut constituer une solution pertinente.
Summary
In the French Mediterranean regions, heavy rainfall episodes regularly occur and induce very rapid and voluminous floods called flash floods. They frequently cause fatalities and can cost more than one billion euros during only one event. In order to cope with this issue, the public authorities’ implemented countermeasures in which hydrological forecasting plays an essential role.
In this contexte, the French Flood Forecasting Service (called SCHAPI for Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations) initiated the BVNE (Digital Experimental Basin, for Bassin Versant Numérique Expérimental) project in order to enhance flash flood forecasts. The present work is a part of this project and aim at three main purposes: providing flash flood forecasts on well-gauged basins, poorly gauged basins and ungauged basins.
The study area chosen, the Cévennes range, concentrates the major part of these intense hydrometeorological events in France. This dissertation presents it precisely, highlighting its most hydrological-influent characteristics.
With regard to the complexity of the rainfall-discharge relation in the focused basins and the difficulty experienced by the physically based models to provide precise information in forecast mode without rainfall forecasts, the use of neural networks statistical learning imposed itself in the research of operational solutions.
Thus, the neural networks models were designed and applied to a basin of the Cévennes range, in the well-gauged and poorly gauged contexts. The good results obtained have been the start point of a generalization to 15 basins of the study area.
For this purpose, a generalization method was developed from the model created on the gauged basin and from corrections estimated as a function of basin characteristics.
The results of this method application are of good quality and open the door to numerous pats of inquiry for the future, while demonstrating again that the use of statistical learning for hydrology can be a relevant solution.