Utilisation du concept de connectivité en hydrologie : définitions, approches expérimentales et éléments de modélisation

Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques.

Développement d’un modèle de classification probabiliste pour la cartographie du couvert nival dans les bassins versants d’Hydro-Québec à l’aide de données de micro-ondes passives

Chaque jour, des décisions doivent être prises quant à la quantité d'hydroélectricité produite au Québec. Ces décisions reposent sur la prévision des apports en eau dans les bassins versants produite à l'aide de modèles hydrologiques. Ces modèles prennent en compte plusieurs facteurs, dont notamment la présence ou l'absence de neige au sol. Cette information est primordiale durant la fonte printanière pour anticiper les apports à venir, puisqu'entre 30 et 40% du volume de crue peut provenir de la fonte du couvert nival. Il est donc nécessaire pour les prévisionnistes de pouvoir suivre l'évolution du couvert de neige de façon quotidienne afin d'ajuster leurs prévisions selon le phénomène de fonte. Des méthodes pour cartographier la neige au sol sont actuellement utilisées à l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ), mais elles présentent quelques lacunes. Ce mémoire a pour objectif d'utiliser des données de télédétection en micro-ondes passives (le gradient de températures de brillance en position verticale (GTV)) à l'aide d'une approche statistique afin de produire des cartes neige/non-neige et d'en quantifier l'incertitude de classification. Pour ce faire, le GTV a été utilisé afin de calculer une probabilité de neige quotidienne via les mélanges de lois normales selon la statistique bayésienne. Par la suite, ces probabilités ont été modélisées à l'aide de la régression linéaire sur les logits et des cartographies du couvert nival ont été produites. Les résultats des modèles ont été validés qualitativement et quantitativement, puis leur intégration à Hydro-Québec a été discutée.

An experiment on the parameter uncertainty of hydrological models with different levels of complexity in a climate change context

La possibilité d’estimer l’impact du changement climatique en cours sur le comportement hydrologique des hydro-systèmes est une nécessité pour anticiper les adaptations inévitables et nécessaires que doivent envisager nos sociétés. Dans ce contexte, ce projet doctoral présente une étude sur l’évaluation de la sensibilité des projections hydrologiques futures à : (i) La non-robustesse de l’identification des paramètres des modèles hydrologiques, (ii) l’utilisation de plusieurs jeux de paramètres équifinaux et (iii) l’utilisation de différentes structures de modèles hydrologiques. Pour quantifier l’impact de la première source d’incertitude sur les sorties des modèles, quatre sous-périodes climatiquement contrastées sont tout d’abord identifiées au sein des chroniques observées. Les modèles sont calés sur chacune de ces quatre périodes et les sorties engendrées sont analysées en calage et en validation en suivant les quatre configurations du Different Splitsample Tests (Klemeš, 1986;Wilby, 2005; Seiller et al. (2012);Refsgaard et al. (2014)). Afin d’étudier la seconde source d’incertitude liée à la structure du modèle, l’équifinalité des jeux de paramètres est ensuite prise en compte en considérant pour chaque type de calage les sorties associées à des jeux de paramètres équifinaux. Enfin, pour évaluer la troisième source d’incertitude, cinq modèles hydrologiques de différents niveaux de complexité sont appliqués (GR4J, MORDOR, HSAMI, SWAT et HYDROTEL) sur le bassin versant québécois de la rivière Au Saumon. Les trois sources d’incertitude sont évaluées à la fois dans conditions climatiques observées passées et dans les conditions climatiques futures. Les résultats montrent que, en tenant compte de la méthode d’évaluation suivie dans ce doctorat, l’utilisation de différents niveaux de complexité des modèles hydrologiques est la principale source de variabilité dans les projections de débits dans des conditions climatiques futures. Ceci est suivi par le manque de robustesse de l’identification des paramètres. Les projections hydrologiques générées par un ensemble de jeux de paramètres équifinaux sont proches de celles associées au jeu de paramètres optimal. Par conséquent, plus d’efforts devraient être investis dans l’amélioration de la robustesse des modèles pour les études d’impact sur le changement climatique, notamment en développant les structures des modèles plus appropriés et en proposant des procédures de calage qui augmentent leur robustesse. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques du bassin Au Saumon et de proposer une démarche méthodologique originale d’analyse pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques.

Analyse de sensibilité d’un multimodèle hydrologique

Les enjeux hydrologiques modernes, de prévisions ou liés aux changements climatiques, forcent l’exploration de nouvelles approches en modélisation afin de combler les lacunes actuelles et d’améliorer l’évaluation des incertitudes. L’approche abordée dans ce mémoire est celle du multimodèle (MM). L’innovation se trouve dans la construction du multimodèle présenté dans cette étude : plutôt que de caler individuellement des modèles et d’utiliser leur combinaison, un calage collectif est réalisé sur la moyenne des 12 modèles globaux conceptuels sélectionnés. Un des défis soulevés par cette approche novatrice est le grand nombre de paramètres (82) qui complexifie le calage et l’utilisation, en plus d’entraîner des problèmes potentiels d’équifinalité. La solution proposée dans ce mémoire est une analyse de sensibilité qui permettra de fixer les paramètres peu influents et d’ainsi réduire le nombre de paramètres total à caler. Une procédure d’optimisation avec calage et validation permet ensuite d’évaluer les performances du multimodèle et de sa version réduite en plus d’en améliorer la compréhension. L’analyse de sensibilité est réalisée avec la méthode de Morris, qui permet de présenter une version du MM à 51 paramètres (MM51) tout aussi performante que le MM original à 82 paramètres et présentant une diminution des problèmes potentiels d’équifinalité. Les résultats du calage et de la validation avec le « Split-Sample Test » (SST) du MM sont comparés avec les 12 modèles calés individuellement. Il ressort de cette analyse que les modèles individuels, composant le MM, présentent de moins bonnes performances que ceux calés indépendamment. Cette baisse de performances individuelles, nécessaire pour obtenir de bonnes performances globales du MM, s’accompagne d’une hausse de la diversité des sorties des modèles du MM. Cette dernière est particulièrement requise pour les applications hydrologiques nécessitant une évaluation des incertitudes. Tous ces résultats mènent à une amélioration de la compréhension du multimodèle et à son optimisation, ce qui facilite non seulement son calage, mais également son utilisation potentielle en contexte opérationnel.

Évaluation de la performance des règles de gestion d'un réservoir de production hydroélectrique mises à jour à l'aide de la programmation dynamique stochastique et d'un modèle hydrologique

L’entreprise Rio Tinto effectue la gestion du système hydrique de la rivière Nechako, situé en Colombie-Britannique (Canada), à partir de règles de gestion optimisées à l’aide d’un algorithme de programmation dynamique stochastique (PDS) et de scénarios d’apports historiques. Les récents développements en recherche opérationnelle tendent à démontrer que la mise à jour des règles de gestion en mode prévisionnel permet d’améliorer la performance des règles de gestion lorsque des prévisions d’ensemble sont utilisées pour mieux cerner les incertitudes associées aux apports à venir. La modélisation hydrologique permet de suivre l’évolution d’un ensemble de processus hydrologiques qui varient dans le temps et dans l’espace (réserve de neige, humidité du sol, etc.). L’utilisation de modèles hydrologiques, en plus d’offrir la possibilité de construire des prévisions d’ensemble qui tiennent compte de l’ensemble des processus simulés, permet de suivre l’évolution de variables d’état qui peuvent être utilisées à même l’algorithme d’optimisation pour construire les probabilités de transition utiles à l’évaluation de la valeur des décisions futures. À partir d’un banc d’essais numériques dans lequel le comportement du bassin versant de la rivière Nechako est simulé à l’aide du modèle hydrologique CEQUEAU, les résultats du présent projet démontrent que la mise à jour des règles avec l’algorithme de PDS en mode prévisionnel permet une amélioration de la gestion du réservoir Nechako lorsque comparée aux règles optimisées avec l’algorithme en mode historique. Le mode prévisionnel utilisant une variable hydrologique combinant un modèle autorégressif d’ordre 5 (AR5) et la valeur maximale de l’équivalent en eau de la neige (ÉENM) a permis de réduire les déversements non-productifs et les inondations tout en maintenant des productions similaires à celles obtenues à l’aide de règles optimisées en mode historique utilisant l’ÉENM comme variable hydrologique. De plus, les résultats du projet démontrent que l’utilisation de prévisions hydrologiques d’ensemble en mode historique pour construire une variable hydrologique permettant d’émettre une prévision du volume d’apport médian pour les huit mois à venir (PVAM) ne permettait pas d’obtenir des résultats de gestion supérieurs à ceux obtenus avec la variable d’ÉENM.

Variations saisonnières des facteurs hydrologiques et du biovolume microalgal benthique au sein d'un habitat artificiel (acadja-enclos) dans la lagune Ebrié: site d'Adjapoté

This paper presents the results of a comparative study of chemical and physical characteristics (temperature, oxygen, salinity, turbidity, pH, nutrient: phosphates, nitrates, nitrites, ammoniac) within the extensive aquaculture structure (acadja-enclosure or artificial habitats for fishes) and in the surrounding water. Biological characteristics of the periphyton growing on bamboos from acadja-enclosure were also described.

Évaluation de la production primaire et de la chlorophylle à partir des données hydrologiques. Application au Golfe de Guinée

Quantitative relationships between nitrate distribution, chlorophyll and primary integrated values have been used to evaluate the phytoplankton abundance in the Gulf of Guinea. Data of Guinee I cruise (May-July 1968) of the R.V. Jean Charcot have been used. They show a large oligotrophic convergence area (< 250 mg C/m2/J). A relationship previously found between the depth of the nitracline (first level where the nitrate appears) and the depth of the thermal maximum gradient is confirmed. From a practical point of view, this relationship is very useful since it allows, when the biological or chemical data are not available, a rough estimation of phytoplankton integrated biomass and production in the water column, from a temperature profile.

Estimations des potentiels de pêche des stocks démersaux ivoiriens par les modèles globaux. Effets de la prolifération du Baliste (Balistes capriscus)

Statistical data (1959-1977) of the trawling fishery off the continental shelf of Côte d'Ivoire has been fitted to the Fox (PRODFIT) global model. Owing to the proliferation of baliste (B. capriscus) since the years 1971-1972, data were divided into two groups. Maximum Sustainable Yield MSY: PMMC in the text), for the whole of commercial species in the continental shelf, decreased from 8800t to 5900t between the two periods; the difference represents balistes potentialities at bottom level. The model has also been fitted to data which concern Sciaenidae coastal community and Sparidae community which are parts by the 50 m isobathe. Deep layer (50-120m) MSY is at 2350t during the whole period of study. Until 1977, this potentiality was never reached, because of the low productivity of the Sparidae community.

Le recours aux modèles dans l'enseignement de la biologie au secondaire : conceptions d'enseignantes et d'enseignants et modes d'utilisation

Le recours aux modèles et à la modélisation est mentionné dans la documentation scientifique comme un moyen de favoriser la mise en oeuvre de pratiques d'enseignement-apprentissage constructivistes pour pallier les difficultés d'apprentissage en sciences. L'étude préalable du rapport des enseignantes et des enseignants aux modèles et à la modélisation est alors pertinente pour comprendre leurs pratiques d'enseignement et identifier des éléments dont la prise en compte dans les formations initiale et disciplinaire peut contribuer au développement d'un enseignement constructiviste des sciences. Plusieurs recherches ont porté sur ces conceptions sans faire de distinction selon les matières enseignées, telles la physique, la chimie ou la biologie, alors que les modèles ne sont pas forcément utilisés ou compris de la même manière dans ces différentes disciplines. Notre recherche s'est intéressée aux conceptions d'enseignantes et d'enseignants de biologie au secondaire au sujet des modèles scientifiques, de quelques formes de représentations de ces modèles ainsi que de leurs modes d'utilisation en classe. Les résultats, que nous avons obtenus au moyen d'une série d'entrevues semi-dirigées, indiquent que globalement leurs conceptions au sujet des modèles sont compatibles avec celle scientifiquement admise, mais varient quant aux formes de représentations des modèles. L'examen de ces conceptions témoigne d'une connaissance limitée des modèles et variable selon la matière enseignée. Le niveau d'études, la formation préalable, l'expérience en enseignement et un possible cloisonnement des matières pourraient expliquer les différentes conceptions identifiées. En outre, des difficultés temporelles, conceptuelles et techniques peuvent friner leurs tentatives de modélisation avec les élèves. Toutefois, nos résultats accréditent l'hypothèse que les conceptions des enseignantes et des enseignants eux-mêmes au sujet des modèles, de leurs formes de représentation et de leur approche constructiviste en enseignement représentent les plus grands obstacles à la construction des modèles en classe.

Le château comme production architecturale: modèles, artisans, architectes. Essai de synthèse.

Délaissé de la recherche depuis de nombreuses décennies, l'objet architectural « château » est pourtant un élément central dans la compréhension des dynamiques artistiques sous l'Ancien Régime. Symbole de la réussite sociale de commanditaires enrichis au service étranger, il est aussi la marque de leurs ambitions culturelles et artistiques. Contrairement à une idée répandue, ils sont souvent à l'avant-garde de l'architecture de leur temps, devançant souvent les hôtels urbains dans l'adoption des formes à la française. Plusieurs châteaux sont documentés par des fonds d'archives de grand intérêt qui méritent d'être vus ou revus en relation avec les exigences actuelles de la recherche. A partir de quelques exemples lémaniques, notamment les châteaux possédés par les Mestral, les Gingins et les Sacconay, cette contribution mettra en évidence leur importance dans la topographie artistique régionale, tant au niveau de la diffusion des formes exogènes et de leur acculturation à un milieu particulier - protestant et patricien -, que dans l'émergence d'une classe d'artisans de très haut niveau. Architecture, décor, mais aussi mobilier et jardins du château permettent de dessiner une autre histoire de l'art, beaucoup moins périphérique que l'on pourrait s'y attendre.

Recueil de modèles de correspondance, anonyme et sans titre, contenant des formules d'épîtres à adresser aux dignitaires de l'empire, des lettres que s'envoient les grands personnages, des lettres échangées entre parents et amis, des lettres d'amitié et de bonne relation, de condoléance, de recommandation, des formules d'actes.

Parmi ces pièces, l'on remarque la lettre que le sultan Mourad IV écrivit au roi de Perse (folio 49) ; on trouve, aux feuillets 1-6, la première page du traité sur la correspondance diplomatique de Okčizade Mohammed Efendi, et quelques lettres officielles, tirées d'un Insha, dans une écriture divani cursive.

Petit recueil de lettres, anonyme et sans titre, contenant des formules de missives à échanger entre parents et amis, et quelques modèles d'actes.

Oratoire.

Catalogue des tableaux, desseins, estampes, livres d'histoire, sciences & arts, modèles en cire & plâtre, laissés après le décès de M. Bouchardon, sculpteur du roi. Dont la vente se fera dans le mois de novembre 1762... / par François Basan, graveur

[Vente (Art). 1762-11-00. Paris]