Approche mixte instrumentation-modélisation hydrologique multi-échelle d’un bassin tropical peu jaugé soumis à des changements d’occupation des sols : cas du bassin de la Méfou (Yaoundé, Cameroun) - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Mixed instrumentation-modelling approach of a multi-scale hydrological modeling of a poorly gauged tropical basin faced to land use changes : case of the Méfou basin (Yaoundé, Cameroon)

Approche mixte instrumentation-modélisation hydrologique multi-échelle d’un bassin tropical peu jaugé soumis à des changements d’occupation des sols : cas du bassin de la Méfou (Yaoundé, Cameroun)

Camille Jourdan
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1110194

Résumé

Humid tropics areas have generally limited hydro-climatic data in a context of rapidly changing urbanization and increasing pressures on water resources. The objective of this work is to develop an approach for understanding hydrological functioning in a poorly gauged context tropical basin in order to assess the impact of urbanization for a better water resource and flood management. A mixed instrumentation-modelling "tailor-made" approach is carried out at different spatial scales (nested basins) and temporal scales (from hour to year). The applications are carried out in the highly urbanized 421 km² Méfou basin (Yaoundé, Cameroon). The thesis is structured in three parts. The first part presents the instrumentation we conducted from 2017 to 2019 (16 rain gauges and 7 limnimeters) on 6 sub-basins with different land uses (from natural to urban). These hourly data complement the scattered sparse historical data (1950-2015) and recent global data (e.g. satellite data, re-analysis products). Data analysis highlighted overflows during high floods and quantified the terms of the annual water balance and flood events, as well as the impact of urbanization on the water balance: a 50% decline in forest areas and an increase in the proportion of urban areas from 10% in 1980 to 35% in 2017 are associated with a 53% increase in annual flow. To take into account the evolution of urbanization in a poorly gauged context, hydrological modelling must be "tailor-made", adapted to the specificities of the environment, simple, semi-distributed, non-stationary and parsimonious. The second part presents the new semi-distributed annual model that we developed on the basis of Ponce and Shetty's (1995) models, taking into account the non-stationarity of the processes. This model made it possiblelet to quantify the contribution of 8 major sub-basins, to reconstruct the historical series (1950-2017; RMSE = 99 mm) and to simulate the impact of climate change and urbanization scenarios on water resources. The third part presents the development of a continuous hourly model to simulate flood hydrographs. Two new distinct models are being developed by adapting the MHYDAS model to the poorly gauged urban tropical context: i) A global model that simulates the impact of urbanization on water resources and floods at one point in the basin; ii) A semi-distributed model that simulates the impact of developments on the sections channel network or urbanization on certain parts of the basin. The performance of the models was evaluated: (i) at different time steps from hour to year; (ii) on the continuous data series and event scale. The components of the water balance are simulated for both the current state and various climatic and development scenarios: evapotranspiration, soil stock change, surface runoff, base flow and overflow. While limiting the calibration phase, these sparse parsimonious models provide satisfactory performance for both the simulation of hydrological budgets and the simulation of flood events (NSE = 0.85). This mixed multi-scale "tailor-made" instrumentation-modelling approach seems promising for a better understanding of hydrological processes in poorly gauged environments subject to territorial modifications, and for providing managers with simple and effective tools for water resource and flood management.
Les zones tropicales humides présentent généralement des chroniques hydro-climatiques limitées dans un contexte d’évolution rapide de l’urbanisation et des pressions grandissantes sur la ressource en eau. L’objectif de ce travail est de développer une approche permettant la compréhension du fonctionnement hydrologique dans un contexte peu jaugé afin d’évaluer l’impact de l’urbanisation pour une meilleure gestion de la ressource en eau et des crues. Une démarche mixte instrumentation-modélisation « sur mesure » est menée à différentes échelles spatiales (bassins emboîtés) et temporelles (de l’heure à l’année). Les applications sont menées sur le bassin de fortement urbanisé de la Méfou de 421 km² (Yaoundé, Cameroun). La thèse est structurée en trois parties. La première partie présente l’instrumentation que nous avons menée de 2017 à 2019 (16 pluviomètres et 7 limnimètres) sur 6 sous bassins avec des occupations de sols différentes (du naturel à l’urbain). Ces données horaires complètent les données historiques éparses (1950-2015) et les données globales récentes (e.g. données satellitaires, produits de ré-analyse). L’analyse des données a mis en évidence les débordements lors des fortes crues et a permis de quantifier les termes du bilan hydrologique aux échelles annuelle et de l’événement de crue, ainsi que l’impact de l’urbanisation sur le bilan hydrologique : un recul des zones forestières de 50 % et une augmentation de la proportion de zone urbaine de 10 % en 1980 à 35 % en 2017 sont associés à une augmentation de l’écoulement annuelle de 53 %. Pour tenir compte de l’évolution de l’urbanisation dans un contexte peu jaugé, la modélisation hydrologique doit être « sur mesure », adaptée aux spécificités du milieu, simple, semi-distribuée, non-stationnaire et parcimonieuse. La deuxième partie présente le nouveau modèle annuel semi-distribué que nous avons développé sur la base des modèles de Ponce et Shetty (1995) en tenant compte de la non-stationnarité des processus. Ce modèle a permis de quantifier la contribution de 8 sous-bassins majeurs, de reconstruire les séries historiques (1950-2017 ; RMSE = 99 mm) et de simuler l’impact de scénarios de changements climatiques et d’urbanisation sur la ressource en eau. La troisième partie présente le développement d’un modèle continue horaire afin de simuler les hydrogrammes de crue. Deux nouveaux modèles distincts sont développés en adaptant le modèle MHYDAS au contexte tropical urbain peu jaugé : i) Un modèle global qui permet de simuler en un point du bassin l’impact de l’urbanisation sur la ressource en eau et les crues ; ii) Un modèle semi-distribué qui permet de simuler l’impact des aménagements sur les tronçons ou de l’urbanisation sur certaines parties du bassin. Les performances des modèles ont été évaluées : i) à différents pas de temps de l’heure à l’année ; ii) sur la série continue des données et à l’échelle événementielle. Les composantes du bilan hydrologiques sont simulées tant pour l’état actuel que pour divers scénarios climatiques et d’aménagements : évapotranspiration, variation de stock dans le sol, écoulement de surface, débit de base et débordement. Tout en limitant la phase de calibration, ces modèles parcimonieux aboutissent à des performances satisfaisantes tant pour la simulation des bilans hydrologique que pour la simulation des événements de crue (NSE = 0.85). Cette approche mixte instrumentation-modélisation « sur mesure » multi-échelles semble prometteuse pour une meilleure compréhension des processus hydrologiques en milieux peu jaugés soumis à des modifications des territoires, et pour mettre à disposition des gestionnaires d’outils simples et efficaces pour la gestion de la ressource en eau et des crues.
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  • HAL Id : tel-02866689 , version 1

Citer

Camille Jourdan. Approche mixte instrumentation-modélisation hydrologique multi-échelle d’un bassin tropical peu jaugé soumis à des changements d’occupation des sols : cas du bassin de la Méfou (Yaoundé, Cameroun). Autre. Université Montpellier, 2019. Français. ⟨NNT : 2019MONTG089⟩. ⟨tel-02866689⟩
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