Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire d'hydrologie et aménagements HYDRAM)

Hydrological behaviour through experimental and modelling approaches : application to the Haute-Mentue catchment

Balin, Daniela ; Musy, André (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3007.

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    Summary
    The present work is related to the recent research topics in hydrology devoted to the integration of field knowledge into the hydrological modelling. The study catchment is the Haute-Mentue experimental basin (12.5 km2) located in western Switzerland, in the Plateau region. In order to complete the existing knowledge about the hydrological behaviour of the study catchment, a field experimental approach has been conducted at two scales: catchment (environmental tracing) and local scale (TDR soil moisture measurements). The environmental tracing application has led to the same conclusion as previous researches: hydrological behaviour is strongly influenced by the catchment antecedent conditions and by the rainfall duration and intensity. The geology characteristics (moraine or molasse) explain the main differences in the hydrological behaviour that have been observed so far. As the environmental tracing does not allow easy identification of the mechanisms responsible for the runoff generation, TDR equipments have been installed on two hillslopes with different geological characteristics, which allowed monitoring of the soil moisture at different depths along the hillslope during two intensive campaigns in 2002 and 2003. Association of the environmental tracing and TDR technique has finally allowed precising the conceptual model of two head sub-catchments of the Haute-Mentue catchment. The second part of the research is devoted to the hydrological modelling. A simple conceptual model (TOPMODEL) has been considered as an appropriate representation of the hydrological processes on the Haute-Mentue catchment. In order to estimate TOPMODEL parameters and to take into account uncertainty associated with estimated parameters and model output, a Bayesian approach has been proposed and two Bayesian techniques have been compared: GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation) and MCMC (Monte Carlo Markov Chains). The role of the statistical corrections on the resulting parameters and model output uncertainty has been assessed. In the last part of the present research, the Bayesian methodology has been extended to the case of multi-response calibration. Previous field acquired knowledge (i.e. soil storage saturation deficit, stream water silica and calcium concentrations) has been used to constrain parametrization of the classical and of a modified version of TOPMODEL. In both cases, multi-calibration led to trade-off behaviour of the efficiencies of the simulated responses. The total modelling uncertainty of the new introduced responses was considerably reduced at the expense of an increase in the total modelling uncertainty of the simulated discharges.
    Résumé
    Cette étude s'inscrit dans le contexte des recherches actuelles en hydrologie qui visent à intégrer les connaissances acquises par l'approche expérimentale dans la modélisation hydrologique. Le bassin-versant de la Haute-Mentue (12.5 km2), situé à l'ouest de la Suisse, dans la région du Plateau, constitue le terrain d'étude. Afin de compléter les connaissances sur le comportement hydrologique de la région d'étude, une approche expérimentale a été menée à deux échelles: celle du bassin-versant (traçage environnemental) et celle du versant (mesures de teneur en eau par TDR). L'application du traçage environnemental a confirmé les résultats obtenues par les recherches précédentes: le comportement hydrologique est fortement influencé par les conditions antécédentes et par l'intensité et la durée de la pluie. Les particularités géologiques (moraine ou molasse) expliquent les principales différences du comportement hydrologique des sous-bassins versants de la Haute-Mentue. Le traçage environnemental ne permet pas une identification directe des mécanismes responsables de la génération des crues. Dans ce contexte, des équipements TDR ont été installés sur deux sites ayant des charactéristiques géologiques différentes ce qui a permis un suivi temporel de l'humidité des sols à plusieurs profondeurs durant 2 campagnes de terrain intensives en 2002 et 2003. L'association des deux techniques (traçage environnemental et TDR) a contribué à une meilleure représentation du modèle conceptuel de deux sous-bassins versants de la Haute-Mentue. La deuxième partie de ce travail a été destinée à la modélisation hydrologique. Un modèle conceptuel simple (TOPMODEL) a été considéré comme une représentation appropriée des principaux processus hydrologiques identifiés pour le bassin-versant de la Haute-Mentue. Une approche Bayesienne a été proposée pour estimer les paramètres de TOPMODEL et quantifier l'incertitude des paramètres et celle des résultats du modèle. Deux techniques bayesiennes ont été comparées: GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation) et MCMC (Monte Carlo Markov Chains). Le rôle des corrections statistiques sur l'incertitude des paramètres et des résultas du modèle a été étudié. Dans la dernière partie de cette recherche, la méthodologie bayesienne a été appliquée pour le cas de la calibration multi-réponse. Les données de terrain acquises précédemment (i.e. déficit à saturation des sols, concentration en calcium et silice de l'écoulement) ont été utilisées pour réduire les paramétrisations de deux versions de TOPMODEL. Dans les deux cas, la procédure multi-calibration a mis en évidence un compromis entre les efficiences des réponses simulées. L'incertitude des nouvelles réponses introduites dans la calibration a été considérablement réduite aux dépens d'une incertitude plus grande des débits simulés.