Influence des zones karstiques sur la modélisation des crues – analyse du comportement d’un modèle Pluie-Débit à l’échelle du bassin versant et propositions d'amélioration

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France. INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.

Environnement de travail, missions et activités

Contexte

INRAE a développé des modèles hydrologiques conceptuels (GR) avec le souci de les rendre génériques, c'est à dire applicables à des bassins versants aux caractéristiques variées (Perrin et al. 2003). La démarche générale de développement de ces modèles a consisté à rechercher des structures aussi performantes que possible sur des grands échantillons de bassins versants. Les modèles ainsi mis au point ont montré leur intérêt pour de nombreuses applications de recherche ou de gestion opérationnelle.

L’équipe Risques hydrométéorologiques de l’UMR RECOVER a développé des modèles hydrologiques de surface de type GR selon une approche distribuée et à pas de temps horaire et infra-horaire avec comme objectif leur mise en œuvre en tout point du réseau hydrographique. Ces modèles sont intégrés dans la plateforme SMASH de modélisation hydrologique et d'assimilation de débits développée dans l'équipe. Le Service central d’hydrométéorologie et de prévision des crues (Schapi) met en œuvre une version de SMASH dans le dispositif temps réel Vigicrues Flash dédié à l’anticipation des crues sur les petits bassins versants non instrumentés (Piotte et al. 2020).

La contribution des eaux souterraines aux crues sur les bassins à composantes karstiques est une des causes de comportement hydrologique atypique, difficile à simuler et à prédire. Sur les zones karstiques - caractérisés par des roches perméables facilitant le transfert rapide des eaux souterraines – on observe une faible couverture pédologique et de fortes interactions surface-souterrain (Charlier et al., 2019 ; Le Mesnil et al., 2020). Le fonctionnement de ces zones, influencé par leur degré de karstification, conduit à amplifier ou diminuer l'intensité des crues, cette influence présentant une forte variabilité spatiale et temporelle (Le Mesnil et al., 2021). Mieux modéliser les crues sur ces bassins nécessite donc :

• de réfléchir à l'intégration de nouveaux processus dans la modélisation : i) fonction de production dans la partie superficielle du karst en complément ou en substitution de celle représentant les processus dans les sols, ii) fonction de transfert devant intégrer une complexité des échanges surface-souterrain et des échanges souterrains inter-bassins ;
• un travail sur la régionalisation des paramètres du modèle, pour pouvoir le mettre en œuvre en tout point du territoire, c’est-à-dire en dehors des bassins de calage. Un algorithme de régionalisation hybride, puissant, combinant réseau de neurones et méthode d'assimilation de données, permet la régionalisation efficace des paramètres conceptuels de SMASH à partir de descripteurs physiques (Huynh et al. 2023a). Un calage régionalisé des paramètres de SMASH sur les Cévennes (Berthaud, 2024) a montré l'intérêt de la prise en compte, dans l'algorithme de calage distribué, d'un indice portant sur le degré de karstification des entités lithologiques, développé par le BRGM (Charlier et al., 2021). Les performances du modèle en validation ont été améliorées.

Objectifs du stage

Le travail proposé dans le cadre de ce stage, de niveau M2, est consacré à l’analyse du comportement de la modélisation SMASH sur les bassins à composantes karstiques, en vue de l'amélioration de l'anticipation des crues.

Les objectifs du stage sont :

• l'établissement d'un diagnostic des sorties du modèle SMASH (critères de performances, paramétrisation) sur la base d’une analyse croisée avec des descripteurs physiographiques dont le degré de karstification des bassins versant,
• des propositions d'améliorations de la structures du modèle en lien avec le fonctionnement spécifique des bassins karstiques.

S'inscrivant dans la continuité du travail mené en 2024 (Berthaud, 2024), le travail demandé cherchera à déterminer si les résultats obtenus sur les bassins versants des Cévennes sont confirmés ou non sur d'autres bassins versants karstiques (Massif du Jura, Normandie, …). Le diagnostic s'appuiera sur des critères de performance calculés sur les chroniques de débits modélisés et sur différentes signatures hydrologiques dont le calcul est implémenté dans la plateforme SMASH (Huynh et al. 2023b).

Formations et compétences recherchées

• Master II ou dernière année d’école ingénieur en hydrologie / hydrogéologie
• Compétences : programmation, modélisation dont modélisation pluie-débit, traitement de données spatiales et temporelles, hydrologie, hydrogéologie
• Bonne connaissance des langages de programmation R et python, et des outils SIG (QGIS ou ArcGis)
• Aisance rédactionnelle, curiosité et goût pour la recherche opérationnelle.

Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez (selon le type de contrat et sa durée) :

-  jusqu'à 30 jours de congés + 15 RTT par an (pour un temps plein)
- d'un soutien à la parentalité : CESU garde d'enfants, prestations pour les loisirs ;
- de dispositifs de développement des compétences : formation, conseil en orientation professionnelle ;
- d'un accompagnement social : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
- de prestations vacances et loisirs : chèque-vacances, hébergements à tarif préférentiel ;
- d'activités sportives et culturelles ;
- d'une restauration collective.

Modalités pour postuler

par mail (CV + lettre de motivation + rapports de stages antérieurs)