Construction et évaluation de signatures hydrologiques pour le diagnostic et l'amélioration d'un modèle hydrologique distribué

L’évaluation des modèles hydrologiques est généralement basée sur des comparaisons des séries de débit observées et simulées à l’aide de critères de performance tels que le Nash-Sutcliffe Efficientcy. Bien que cette approach fournisse des mesures pertinentes de la performance prédictive d’un modèle, elle ne fournit que très peu d’informations sur les raisons d’une bonne ou d’une mauvaise performance. Gupta et al. (2008) ont proposé d’utiliser plutôt des signatures hydrologiques, des indicateurs qui caractérisent le comportement d’un bassin versant. Étant donné que les signatures hydrologiques peuvent être liées aux processus hydrologiques, la comparaison des signatures hydrologiques observées et simulées permet l’évaluation du modèle tout en offrant des diagnostics, i.e. des indications sur les processus hydrologiques qui y sont bien ou mal représentés.Dans cette thèse de doctorat, nous nous concentrons sur l’interprétation et le pouvoir diagnostique des signatures hydrologiques et comment celles-ci peuvent être utilisées pour guider l’amélioration d’un modèle distribué. Nous présentons la construction d’un jeu de signatures hydrologiques, utilisant uniquement des données largement disponibles – précipitations, débit et température de l’air – pour caractériser le fonctionnement hydrologique de 4 sous-bassins versants (Sud-Est de la France) et 10 bassins versants de montagne à influence nival (Southern Sierra, Californie, États-Unis). Des signatures hydrologiques existantes et des nouvelles sont sélectionnées et/ou développées. Collectivement, elles permettent de caractériser le comportement de bassins versants dans une grande variété de contextes hydro-climatiques. En nous concentrant sur les processus de neige, des mesures de neige supplémentaires nous permettent d’évaluer la pertinence des signatures hydrologiques dédiées aux processus nivaux. Par ailleurs, le modèle J2000 est déployé sur le bassin versant de l’Ardèche et une analyse de sensibilité est réalisée afin de comprendre comment les signatures hydrologiques sont liées aux paramètres du modèle. Cela nous permet de déterminer la façon dont elles doivent être interprétées dans le contexte du modèle J2000 de l’Ardèche et permet l’évaluation de leur pouvoir diagnostic. Enfin, en combinant les résultats de l’analyse de sensibilité avec des comparaisons entre signatures observées et simulées, nous entreprenons un diagnostic approfondi du modèle afin de dériver et tester des recommandations pour son amélioration. Nous identifions des déficiences du modèle, principalement liées au stockage de l’eau souterraine et des sols, mettant en évidence des problèmes de représentation spatiale des propriétés géologiques et pédologiques.