Impact du forçage pluie distribué sur la réponse hydrologique dans le bassin versant de la Claduègne (Ardèche) en s’appuyant sur un réseau de limnimètres et un dispositif multi-échelles

Laboratoire de rattachement : IGE

Encadrant : Guillaume NORD, guillaume.nord univ-grenoble-alpes.fr

Co-encadrant : Isabelle BRAUD, isabelle.braud irstea.fr

Téléphone : 04 76 63 55 39 et 04 72 20 87 78

Mots clés : pluie, hydrologie, hydraulique, crue éclair

Contexte et objectifs de la mission de stage :
La région méditerranéenne est sujette à des précipitations intenses, provoquant parfois des crues éclairs qui peuvent avoir des conséquences dramatiques (Ruin et al., 2008). Les crues éclairs sont la conséquence de pluies courtes et de forte intensité, principalement d’origine convective et d’extension spatiale limitée qui sont souvent renforcées par la présence de relief (Borga et al., 2014). Par conséquent, les crues éclairs impactent fréquemment les bassins versants de taille inférieure à 1000 km² (Marchi et al., 2010). Dans ces bassins versants, le cumul, l’intensité et la variabilité spatiale de la pluie exercent un contrôle fort sur la réponse hydrologique et en particulier la production de ruissellement (Marra et al., 2014 ; Tuset et al., 2016).

Dans le cadre du projet HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment, Drobinski et al., 2014), programme multidisciplinaire de 10 ans sur le cycle de l’eau en Méditerranée, le projet ANR Floodscale (2012-2015) s’est consacré à la compréhension et modélisation des processus hydrologiques conduisant aux crues éclairs (Braud et al., 2014). Un effort a été consenti à la constitution de jeux de données hydrométorologiques dans des environnements contrastés (géologie, usage des sols) et selon une logique d’emboitement d’échelles, depuis le versant jusqu’au bassin de taille régionale (Ardèche, Gardons) au sein de l’Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (http://www.ohmcv.fr/).

Cette étude se concentre sur le cas du bassin de la Claduègne (42 km²), sous-bassin versant de l’Auzon (116 km²) et de l’Ardèche, pour lequel un jeu de données à haute résolution spatiale et-temporelle reliant le forçage météorologique et la réponse hydro-sédimentaire a été publié récemment pour la période 2011-2014 (Nord et al., 2017). L’objet du stage est de mettre l’accent sur l’analyse des séries temporelles de hauteur d’eau, température et conductivité de l’eau issues d’un réseau de 11 limnimètres (résolution temporelle de 2 min et 5 min) déployés principalement dans le réseau hydrographique intermittent et faire le lien avec le forçage pluie distribuée. Deux stations hydrométriques d’où sont déduites des chroniques de débit (résolution 2 min et 10 min) sont également présentes sur ce bassin. Les produits « pluie » envisagés pour cette étude sont de trois types : i) réseau dense de pluviomètres au sol (résolution temporelle de 1 et 6 min) ; ii) mosaïque radar de Météo-France (résolution spatiale de 1 km² et temporelle de 5 min) ; (iii) estimations quantitatives de précipitation issues de la fusion de données pluviométriques et de données radar (résolution spatiale de 1 km² et temporelle de 15 min et 1h) (Boudevillain et al., 2016).

Les principales étapes du stage sont les suivantes :
– extraction des épisodes de pluie pour l’ensemble des sous-bassins versants étudiés en appliquant des procédures semi-automatiques
– identification des fenêtres glissantes de durée 1h, 2h, 4h et 6h pour lesquels les cumuls de précipitation dépassent les seuils issus des courbes Intensité-Durée-Fréquence et calcul d’indices de variabilité de la pluie à l’aide de procédures automatiques pour ces fenêtres sélectionnées
– calcul des temps caractéristiques de la réponse hydrologique (temps de montée au pic, temps de réponse, temps de concentration) des différents bassins versants en utilisant les chroniques de hauteur d’eau, température et conductivité de l’eau en s’aidant d’outils semi-automatiques
– analyse de la vitesse de propagation de la crue le long du réseau hydrographique
– application d’un modèle hydraulique 1D pour certains points du réseau de limnimètres afin de déduire des courbes de tarage
– mise en évidence de processus hydrologiques dominants et de leur évolution dans le temps et dans l’espace en fonction de la géologie, la nature des sols, la saison, les conditions d’humidité des sols, le type de pluie
– évaluation du lien entre variabilité de la pluie et réponse hydrologique distribuée

Références :
Boudevillain, B., Delrieu, G., Wijbrans, A., and Confoland, A. : A high-resolution rainfall re-analysis based on radar-raingauge merging in the Cévennes-Vivarais region, France, Journal of hydrology, doi : 10.1016/j.jhydrol.2016.03.058, 2016.

Braud, I., Ayral, P.-A., Bouvier, C., Branger, F., Delrieu, G., Le Coz, J., Nord, G., Vandervaere, J.-P., Anquetin, S., Adamovic, M., Andrieu, J., Batiot, C., Boudevillain, B., Brunet, P., Carreau, J., Confoland, A., Didon-Lescot, J.-F., Domergue, J.-M., Douvinet, J., Dramais, G., Freydier, R., Gérard, S., Huza, J., Leblois, E., Le Bourgeois, O., Le Boursicaud, R., Marchand, P., Martin, P., Nottale, L., Patris, N., Renard, B., Seidel, J.-L., Taupin, J.-D., Vannier, O., Vincendon, B. and Wijbrans, A. : Multi-scale hydrometeorological observation and modelling for flash flood understanding, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 3733-3761, doi : 10.5194/hess-18-3733-2014, 2014.

Borga, M., Stoffel, M., Marchi, L., Marra, F. and Jakob, M. : Hydrogeomorphic response to extreme rainfall in headwater systems : Flash floods and debris flows, Journal of Hydrology, 518, 194-205, doi : 10.1016/j.jhydrol.2014.05.022, 2014.

Drobinski,P. , Ducrocq, V., Alpert, P., Anagnostou, E., Béranger, K., Borga, M., Braud, I., Chanzy, A., Davolio, S., Delrieu, G., Estournel, C., Filali Boubrahmi, N., Font, J., Grubisic, V., Gualdi, S., Homar, V., Ivancan-Picek, B., Kottmeier, C., Kotroni, V., Lagouvardos, K., Lionello, P., Llasat, M.C., Ludwig, W., Lutoff, C., Mariotti, A., Richard, E, Romero, R., Rotunno, R., Roussot, O., Ruin, I., Somot, S., Taupier-Letage, I., Tintore, J., Uijlenhoet, R., Wernli, H. : HyMeX, a 10-year multidisciplinary program on the Mediterranean water cycle, Bull. Amer. Meteor. Soc., 95, 1063-1082, doi : 10.1175/BAMS-D-12-00242.1, 2014.

Marchi, L., Borga, M., Preciso, E. and Gaume, E. : Characterisation of selected extreme flash floods in Europe and implications for flood risk management, J. Hydrol., 394(1–2), 118-133, doi:10.1016/j.jhydrol.2010.07.017, 2010.

Marra, F., Nikolopoulos, E.I., Creutin, J.D. and Borga, M. : Radar rainfall estimation for the identification of debris-flow occurrence thresholds, J. Hydrol., 519, 1607–1619, 2014

Nord, G., Boudevillain, B., Berne, A., Branger, F., Braud, I., Dramais, G., Gérard, S., Le Coz, J., Legoût, C., Molinié, G., Van Baelen, J., Vandervaere, J.-P., Andrieu, J., Aubert, C., Calianno, M., Delrieu, G., Grazioli, J., Hachani, S., Horner, I., Huza, J., Le Boursicaud, R., Raupach, T. H., Teuling, A. J., Uber, M., Vincendon, B., and Wijbrans, A. : A high space–time resolution dataset linking meteorological forcing and hydro-sedimentary response in a mesoscale Mediterranean catchment (Auzon) of the Ardèche region, France, Earth Syst. Sci. Data, 9, 221-249, https://doi.org/10.5194/essd-9-221-2017, 2017.

Ruin, I., Creutin, J., Anquetin, S. and Lutoff, C. : Human exposure to flash-floods-relation between flood parameters and human vulnerability during a storm of September 2002 in Southern France, J. Hydrol., 361, 199–213, 2008.
Tuset, J., Vericat, D. and Batalla, R.J. : Rainfall, runoff and sediment transport in a Mediterranean mountainous catchment, Science of The Total Environment, Available online 15 August 2015, doi:10.1016/j.scitotenv.2015.07.075.

Prérequis : hydrologie, hydraulique à surface libre, langage R