II.2 METHODE
La méthode est subdivisée en deux approches : la
modélisation et l'analyse statistique.
II.2.1 MODELISATION : APPROCHE METHODOLOGIQUE
Le procédé pour la modélisation
hydrologique comporte quatre blocs principaux de renforcement: (1)
prétraitement d'entrée et de forçage données, (2)
la modélisation hydrologique, (3) une analyse de sensibilité du
modèle et de l'étalonnage et (4) Assimilation de
données.
II.2.1.1 PRETRAITEMENT DES DONNEES D'ENTREE ET DE
FORÇAGE
DEM, la carte du sol et le plan d'occupation du sol doivent
être projetés et redimensionnés pour la zone
d'intérêt (bassin versant du Logone). En dehors de cela, aucune
mesure de prétraitement n'est nécessaire. Toutes les six heures
de précipitations NOAA-GFS et la température doivent être
prétraitées comme SWAT nécessite des données
d'entrée quotidiennes. Les précipitations sont accumulées
pendant 24 heures afin d'obtenir le montant total des précipitations
chaque jour.
Les températures quotidiennes minimales et maximales se
trouvent comme le minimum et maximum des quatre températures disponibles
chaque jour. SWAT n'exige que les données météorologiques
à affecter à une station météorologique en fonction
d'un ensemble de coordonnées et ne peuvent pas gérer les
données météorologiques maillées. Une station
météo virtuelle est créée pour chaque sous bassin
à l'aide du centre de gravité de coordonnées en
coordonnées de sous bassin pour les stations
météorologiques virtuelles. Le processus de transformation des
données NOAA-GFS quadrillées pour pointer des données est
effectué en utilisant les statistiques zonales. Un
téléchargement automatique et le flux de travail de
prétraitement pour les données en temps quasi réel a
été développé.
18
II.2.1.2 MODELISATION HYDROLOGIQUE
Figure 2: Aperçu schématique des
processus hydrologiques simulés dans SWAT
Cette section présente un résumé du
modèle hydrologique SWAT (sol et outil d'évaluation de l'eau) et
donne un aperçu des différents flux et de stockage simulés
par le modèle. SWAT est un semi-distribué à base physique,
HM fonctionnant sur un pas de temps quotidien. Le modèle est
appliqué à l'échelle des bassins versants et peut
être utilisé pour étudier l'impact des pratiques de gestion
des terres et de l'eau sur la qualité et la quantité de flux
(Govender et Everson, 2005; Milzow et al, 2011; Neitsch et al. 2011). Les flux
d'eau les plus importants et de stockage simulés par SWAT sont
décrites dans la présente section et une vue d'ensemble
schématique est illustré à la figure2. Dans SWAT, la
simulation du cycle de l'eau est divisée en deux phases; phase de
pluie-débit et de phase de routage. La phase pluie-débit
considère les précipitations, évapotranspiration,
ruissellement, infiltration et écoulement des eaux souterraines. Pour
une explication plus approfondie du modèle SWAT s'il vous plaît se
référer à (Neitsch et al. 2011).
19
? UNITES DE REPONSE HYDROLOGIQUE
Au sein de chaque sous bassin un certain nombre
d'unités de réponse hydrologique (HRUS) sont créés.
URH sont des zones qui ont les mêmes propriétés physiques
et hydrologiques et donc la même réponse pluie-débit. Les
URH sont classés en fonction de trois caractéristiques: la pente
du terrain, utilisation des sols et le type de sol. Les eaux de ruissellement
de tous les URH au sein d'un sous bassin sont additionnées pour obtenir
l'écoulement total du sous bassin; ensuite acheminé vers l'aval
(Neitsch sous-bassins versants et al. 2011). Tous les processus de la phase
terrestre du cycle hydrologique sont simulés au niveau HRU. Pour chaque
pas de temps, on effectue un calcul du bilan d'eau pour le compartiment de sol
de chaque unité de récupération individuelle sur la base
de l'équation de continuité:
Équation 1: équation du bilan
d'eau
SWend est la teneur en eau du sol à la fin du pas de
temps, SWini la teneur en eau du sol au début de l'étape de
temps, P est la précipitation, ET l'évapotranspiration, Qsurf
l'écoulement de surface, Qlat le flux latéral (hypodermique) et
Wseep l'infiltration dans les nappes libres. Toutes les quantités sont
en mm.
? EAUX DE RUISSELLEMENT DE SURFACE
SWAT utilise la méthode du numéro de courbe SCS
pour estimer l'écoulement de surface [SCS, 1972]. La méthode de
numéro de courbe SCS est une méthode simple conceptuelle
empirique pour estimer l'écoulement de surface directe en s'appuyant sur
un seul paramètre - le numéro de la courbe, CN (Mishra et Singh,
2003). Le numéro de courbe reflète les caractéristiques
des bassins versants tels que le type de sol, le traitement de surface et la
couverture végétale. La méthode de numéro de courbe
est appliquée au niveau de l'unité de récupération
car, par définition, ces caractéristiques sont uniformes dans
chaque HRU. L'écoulement de surface est calculé en utilisant
l'équation de numéro de courbe SCS:
Où Qsurf est le ruissellement de surface
accumulée au cours de la journée (mm), R est les
précipitations accumulées au cours de la journée (mm) et S
est le paramètre de rétention (mm). Le paramètre de
rétention est calculé à partir d'une relation
empirique:
Équation 2: Equation de numéro de
courbe SCS Équation 3: Equation du paramètre de
rétention
Où CN est le nombre de courbes pour la journée
en fonction de la perméabilité du sol, l'utilisation des terres
et de l'état d'humidité antécédent. Comme
l'humidité du sol se rapproche
20
du point de flétrissement une diminution de CN est vue.
CN augmente (avec une valeur maximale de 100) lorsque le sol est saturé.
Trois conditions d'humidité antécédentes sont
définies, dont chacune à un correspondant CN (Neitsch et al.
2011). CN2 est utilisée pour calculer les deux autres CN et est donc le
seul paramètre de modèle requis par SWAT pour calculer
l'écoulement de surface. SWAT offre une méthode alternative pour
le calcul du paramètre de rétention. Au lieu d'avoir le
paramètre de rétention variable en fonction de l'humidité
du sol, il peut être calculé en fonction de
l'évapotranspiration de la plante accumulée. Cette alternative a
été introduite parce que la méthode de l'humidité
du sol a été montrée pour prédire le taux de
ruissellement pour les sols peu profonds. Lorsque le CN par jour est une
fonction de l'évapotranspiration elle est moins dépendante de
stockage du sol et de plus en fonction des conditions climatiques (Neitsch et
al. 2011). Toutes les eaux de ruissellement de surface calculée peuvent
ne pas atteindre le canal pour un jour donné en particulier dans les
grands bassins. Un retard dans l'écoulement de surface a donc
été incorporé sous la forme d'un coefficient de
décalage de ruissellement (SURLAG). Avant que le ruissellement de
surface atteigne le canal principal de l'eau, il est également perdu par
les pertes de transmission dans les canaux tributaires. Ce processus est
contrôlé principalement par la conductivité hydraulique
efficace des canaux tributaires (CH_K1). Ces deux paramètres du
modèle sont déterminés au niveau sous bassin. Les pertes
de transmission qui ont lieu dans les canaux tributaires percoler dans
l'aquifère peu profond (Neitsch et al. 2011).
? EVAPOTRANSPIRATION
SWAT fournit trois méthodes pour calculer
l'évapotranspiration potentielle (PET); Penman-Monteith, Priestley
Taylor et procédé Hargreaves. Ces trois méthodes ont des
exigences différentes de données d'entrée avec le
procédé Hargreaves nécessitant le moins de données
d'entrée, à savoir la température de l'air seul (Neitsch
et al. 2011). En raison de ces exigences de données d'entrée
faible, l'équation Hargreaves est souvent utilisée pour
déterminer le PET. La méthode Hargreaves a été
améliorée au fil des années et la méthode
utilisée dans SWAT a été développé par
Hargreaves et al. 1985. L'évapotranspiration réelle est fonction
de la disponibilité de l'eau dans le stockage de rivière et dans
les stockages de sol. Tout d'abord, l'eau est évaporée à
partir du stockage du couvert. Toute demande restante de l'eau par
évaporation et de l'évapotranspiration est satisfaite de
manière séquentielle à partir de couches plus profondes du
sol successivement en fonction de distributions de profondeur définie de
la demande. Les paramètres de commande EPCO et ESCO SWAT dans quelle
mesure les
21
22
couches plus profondes du sol peuvent compenser les
déficits de l'évapotranspiration et l'évaporation
respectivement qui se produisent dans les couches de sol recouvrant.
? STOCKAGE DU SOL
Un certain nombre de processus affecte le mouvement de l'eau
entrant dans les couches de sol. Dans les couches du sol, l'écoulement
latéral se produit, ce qui contribue à décharger dans la
principale portée. L'eau peut également quitter le fond des
couches de sol et de devenir comme recharge des nappes phréatiques. Un
peu d'eau contribuera à l'évaporation du sol, mais en
général, la plus grande évacuation de l'eau du stockage du
sol est due à l'absorption par la végétation (Neitsch et
al. 2011). La percolation est calculée pour chaque couche de sol et ne
se produit que si la teneur en eau dans la couche est supérieure
à la capacité au champ et la couche sous-jacente ne soit pas
saturé. L'eau est acheminée depuis une couche de sol à
l'autre en utilisant des constantes de temps de percolation qui
dépendent de l'épaisseur de la couche et la conductivité
hydraulique saturée du sol.
? EAUX SOUTERRAINES
Deux aquifères sont pris en compte dans le module des
eaux souterraines; un aquifère peu profond et un aquifère non
confiné, profond confiné.
Après avoir quitté le flux d'eau de la couche de
sol du fond à travers la zone vadose avant de pénétrer
dans les nappes comme recharge ; Le temps de retard entre l'entrée et la
sortie à partir du compartiment de la zone vadose dépend de la
profondeur de la nappe d'eau et sur les propriétés hydrauliques
de la zone vadose et aquifères souterraines (Neitsch et al. 2011). La
recharge totale des eaux souterraines est partagée entre les deux
aquifères en fonction du coefficient de recharge de l'aquifère
profond (RCHRG_DP). Par défaut, la majorité de la recharge est
allouée à l'aquifère peu profond. L'équilibre de
l'eau de la nappe superficielle est contrôlé par la recharge, le
débit de base sur le canal principal, l'évaporation des couches
du sol et des abstractions. Dans SWAT standard, l'eau d'infiltration vers la
nappe profonde est supposée quitter le système hydrologique
simulé dans le cadre de l'écoulement des eaux souterraines
profondes, à l'échelle régionale, à moins que les
prélèvements d'eaux souterraines de l'aquifère profond
soient activés. La version Tigernet PG09 SWAT permet un débit de
base de l'aquifère profond. Le débit de base de la nappe profonde
est modélisé comme sortie de réservoir linéaire
d'une manière similaire à celle du débit de base de
l'aquifère peu profond.
? ROUTAGE ET PERTES LIEES AU TRANSPORT
Le modèle d'intervention spéciale est
constitué d'un composant de ruissellement de pluie et un composant de
calcul d'itinéraire. L'eau contribuant à la diffusion de
l'écoulement à partir de chaque sous bassin est acheminée
à travers le réseau de canaux en aval pour obtenir le
Débit total. Deux méthodes de routage sont disponibles: (.
Neitsch et al, 2011) la méthode de routage variable de stockage et la
méthode de Muskingum (équation 4). Tigernet PG09 utilise
généralement Muskingum. Les modèles de la méthode
de calcul d'itinéraire Muskingum le Volume de stockage dans chaque
rivière peut atteindre comme une combinaison de mémoires en forme
de coin et de prisme (Chow et al. 1988). Le volume de stockage de prisme dans
une certaine la portée de la rivière est proportionnelle à
la décharge dans la portée. Le volume de stockage en forme de
coin est supposée être proportionnelle à la
différence entre les entrées de portée (q dans) et
atteindre sortie (q en dehors). En utilisant l'équation de
continuité pour chaque tronçon, l'équation de routage pour
la portée individuelle peut être dérivée. C 1, C 2
et C 3 sont des constantes qui dépendent des caractéristiques de
la portée et le pas de temps. Une partie du débit de la
rivière sera perdue car il se déplace en aval dans les canaux.
Ces pertes sont commandées par la conductivité hydraulique
effective (CH_K2) et les dimensions du canal principal. Les pertes de
transmission qui se produisent dans les canaux principaux sont perdus à
l'aquifère profond ou stockées dans le stockage bancaire.
Équation 4: Calcul de routage par la
méthode Muskingum
? GESTION DES LANDUSE
Les opérations de gestion de SWAT se rapportent à
la gestion des utilisations des terres. Opérations courantes sont
liées à l'agriculture telle que la plantation, la fertilisation,
l'irrigation et la récolte. Par défaut, les opérations de
gestion sont prévues en fonction de la fraction des unités de
chaleur potentielles (PHU). Entrée de l'unité de chaleur pour un
jour spécifique est définie comme la différence entre la
température moyenne et une température de base. Cependant, il est
également possible de programmer les opérations en fonction
à ce jour dans SWAT. Dans tous les cas, une valeur pour le nombre total
d'unités de chaleur pour l'installation d'atteindre la maturité
(paramètre SWAT PHUMX) est utilisée par le modèle. Une
fois que la maturité est atteinte, la centrale arrête transpirant
et en prenant l'eau. La récolte sera souvent prévue pour avoir
lieu pour 1.2
· PHUMX pour les cultures avec le bas sec.
? ETALONNAGE DU MODELE
Pour la comparaison de décharge simulé et
observé, trois indicateurs sont utilisés: Erreur quadratique
moyenne (RMSE, équation 6), l'erreur moyenne (ME, équation 6) et
l'efficacité du modèle Nash-Sutcliffe (NSE, équation 5).
Ces trois indicateurs sont calculés avec les formules suivantes
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Équation 6: Erreur quantitative
moyenne
Équation 5:Erreur moyenne et
l'efficacité du modèle NSE
|
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23
Où Q sim et Q obs sont simulés et
décharge observée, la barre supérieure indique une moyenne
temporelle, et n est le nombre d'observations. RMSE caractérise l'erreur
du modèle à l'échelle de l'étape de temps, ME
indique une erreur de bilan hydrique et ESN est un indicateur de qualité
standard pour les modèles hydrologiques. L'ESN est l'un pour le
modèle parfait et 0 pour un modèle qui fonctionne aussi bien que
la moyenne des observations disponibles. Si la prédiction du
modèle ESN est négatif, est une prédiction pire que la
moyenne des observations disponibles.
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