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GRP (HU)

De Wikigeotech

Dernière mise à jour : 11/3/2020

Le modèle GRP est un modèle de prévision en temps réel des débits futurs en un point jaugé d'un cours d'eau.

Il utilise les mesures et les prévisions de pluies précipitées sur le bassin versant étudié ainsi, éventuellement, que les mesures de débit au point d'intérêt. Spécifiquement développé pour l'aide à l'alerte aux crues, il est utilisé actuellement par plusieurs services de prévisions des crues en France.

Ce modèle résulte de travaux de recherche soutenus par le Ministère chargé de l’environnement et menés au Cemagref d’Antony (devenu depuis IRSTEA puis intégré en 2020 au sein de l'INRAE) (Makhlouf, 1994 ; Tangara, 2005 ; Berthet, 2010 ; Berthet et al, 2012).

Sommaire

Principes du modèle

Les principales caractéristiques de GRP sont les suivantes. C’est un modèle :

  • qui fonctionne en continu et en temps réel : il se sert de l’historique des conditions passées (pluviométriques et éventuellement débitmétriques) pour déterminer le taux de saturation des sols et pour recaler les fonctions de production et de transfert (voir § "utilisation en mode assimilation de données") ;
  • global (par opposition à spatialement distribué) : il représente le bassin versant de façon simplifiée et ne prend pas en compte de manière explicite l'hétérogénéité spatiale des précipitations du bassin ;
  • avec une structure à réservoirs, l’apparentant ainsi aux modèles conceptuels équivalents utilisés par différents services nationaux de prévision des crues (États-Unis, Suède, etc.).

Structure et fonctionnement

La structure du modèle hydrologique repose sur les composants suivants :

  • un réservoir de production (de capacité fixe) qui permet d'assurer un suivi des conditions d'humidité du bassin ;
  • une fonction d'ajustement de la pluie efficace ;
  • un hydrogramme unitaire ;
  • un réservoir de routage de type puissance.
Figure 1 : Schéma structurel du modèle GRP (E : ETP ; P : pluie ; Q : débit ; CORR (-) : facteur de correction des pluies efficaces ; TB (h) : temps de base de l’hydrogramme unitaire ; ROUT (mm) : capacité du réservoir de routage ; les autres lettres représentent des variables internes) ; Source : Lilas et al (2012).

Fonctionnement du modèle

Le fonctionnement du modèle sur un pas de temps est le suivant (voir figure 1) :

  • la pluie est dans un premier temps neutralisée par l'évapotranspiration potentielle (ETP) ;
  • le reliquat éventuel de pluie est divisé en deux parties en fonction du taux de remplissage du réservoir de production, la première partie alimentant ce réservoir, et l'autre alimentant l'écoulement ; le reliquat éventuel d'évapotranspiration potentielle contribue à la vidange du réservoir de production par évapotranspiration réelle ;
  • une percolation issue du réservoir de production va également alimenter l'écoulement ;
  • la quantité d'eau totale allant alimenter l'écoulement est multipliée par le facteur d'ajustement qui permet notamment de tenir compte d'éventuels échanges en eau avec des nappes profondes et/ou les bassins voisins ;
  • le transfert de l'eau est assuré par l'hydrogramme unitaire qui permet de tenir compte du décalage temporel entre pluie et débit, puis par le réservoir de routage non linéaire ; le modèle ne présente qu'une seule branche d'écoulement, ce qui permet notamment d'avoir une relation univoque entre le débit simulé par le modèle et le contenu du réservoir de routage.

Utilisation en mode assimilation des données

Le modèle GRP peut fonctionner comme un modèle classique de simulation, en ne tenant compte que de l'information pluviométrique. Cependant, dans un contexte prévisionnel, des résultats nettement meilleurs sont obtenus lorsque l'information fournie par le débit observé à l'instant de la prévision est mise à profit dans le modèle. Cette exploitation se fait par l'intermédiaire d'une procédure d'assimilation (Voir Assimilation des données) du dernier débit observé.

Figure 2 : Principes de fonctionnement de GRP en temps réel ; Source : http://webgr.irstea.fr/wp-content/uploads/2012/09/Fiche-technique_GRP_2016.pdf

Pour un objectif de prévision, on peut considérer que cette mise à jour est partie intégrante de la structure. Le modèle a alors les précipitations et le dernier débit observé comme entrées, et ainsi il utilise les erreurs faites par le modèle aux pas de temps précédents pour améliorer les résultats aux pas de temps suivants.

Choix des paramètres

La structure du modèle ne comporte que trois paramètres libres :

  • le coefficient d'ajustement de la pluie efficace, qui permet au modèle d'ajuster son bilan en complément de la fonction de rendement basée sur le réservoir de suivi d'humidité du sol ;
  • la capacité (à un pas de temps et chiffrée en mmm de pluie) du réservoir de routage : il s'agit du contenu maximum autorisé par le réservoir à la fin d'un pas de temps, c'est-à-dire après sa vidange ; notons qu'au pas de temps horaire, cette capacité peut prendre des valeurs assez élevées (de l'ordre de quelques milliers de mm). Même si cela est difficilement interprétable « physiquement », de telles valeurs ne sont pas surprenantes compte tenu de la formulation en puissance du réservoir ;
  • le temps de base de l'hydrogramme unitaire, qui va jouer sur le temps de réponse du bassin aux pluies.

Les valeurs de ces paramètres sont à déterminer pour chaque bassin versant par optimisation.

Grâce à sa structure compacte intégrant l'assimilation du débit observé à la structure du modèle, les paramètres du modèle peuvent être optimisés directement pour un objectif de prévision. Cette optimisation est réalisée de manière automatique par une procédure de recherche locale bien adaptée au modèle GRP.

Le modèle possède par ailleurs un certain nombre de paramètres qui restent fixes quel que soit le bassin étudié (par exemple, la capacité du réservoir de production est fixée à 275 mm). Ces paramètres ont été fixés, car les laisser libres n'apportait aucun gain de performance significatif et complexifiait l'optimisation.

Notons que certains des paramètres libres ou fixes du modèle dépendent du pas de temps de fonctionnement du modèle. Une application du modèle à un autre pas de temps demanderait une modification de ces paramètres.

Bibliographie :

  • Berthet, L. (2010) : Prévision des crues au pas de temps horaire : pour une meilleure assimilation de l’information dans un modèle hydrologique, thèse de doctorat, Université Pierre et Marie Curie, Paris.
  • Berthet, L., Perrin, C., Coron, L., Tangara, M., Fortier-Filion, T.-C., Lerat J., Andréassian, V. (2012) : Annexe 10-05 (sur DVD), dans Roche P.-A. et al. Hydrologie quantitative : processus, modèles et aide à la décision ; Springer France (590 p + 1 DVD) ;
  • Lilas, D., Perrin, C. , Andréassian, V., Coron, L., Peschard, J., Ansart, P., Furusho, C., Loumagne, C., Berthet, L. (2012) : Mise au point d’un modèle de prévision des crues sur le bassin versant de l’Orgeval ; Sciences Eaux & Territoires Cahier spécial n°03 ; pp10-15 ; téléchargeable sur : http://www.set-revue.fr/sites/default/files/articles/pdf/Mise_au_point_dun_modele_de_prevision_des_crues_sur_le_bassin_versant_de_lOrgeval.pdf
  • Makhlouf, Z. (1994) : Compléments sur le modèle GR4J et essais d’estimation des paramètres, Thèse de Doctorat, Université d’Orsay ;
  • Tangara, M., (2005) : Nouvelle méthode de prévision des crues utilisant un modèle pluie-débit global ; Thèse de doctorat, CEMAGREF (devenu Irstea) ;


Pour en savoir plus : http://webgr.irstea.fr/wp-content/uploads/2012/09/Fiche-technique_GRP_2016.pdf

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