Stage en développement d'une approche de modélisation hydrologique distribuée par HRU à l'aide de J2000 et la plateforme physique-IA SMASH

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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

Le changement climatique et les événements climatiques extrêmes tels que les sécheresses ou les crues représentent un enjeu majeur pour la gestion durable des ressources en eau. Dans ce cadre, la modélisation hydrologique joue un rôle central pour anticiper, quantifier et gérer les flux d’eau à l’échelle des bassins versants. Les approches distribuées et semi-distribuées sont particulièrement cruciales car elles permettent de représenter de manière plus réaliste l’hétérogénéité spatiale des processus hydrologiques. Le développement de modèles flexibles, modulaires et mieux calibrés constitue ainsi un levier essentiel pour améliorer aussi bien la prévision hydrologique que la prospective sous changement global.
Le modèle hydrologique distribué J2000 (Krause et al., 2006) propose une représentation complète des processus hydrologiques sur un bassin versant avec une approche simplifiée s'appuyant sur des bilans en eau dans des réservoirs. La discrétisation spatiale s'appuie sur un maillage irrégulier en Unités de Réponse Hydrologique (HRUs). Ces HRUs, issues du croisement de couches géographiques (topographie, géologie, pédologie, occupation du sol), permettent de construire des unités supposées homogènes du point de vue des processus (Flügel, 1995). J2000 intègre aussi les principaux usages de l’eau dans un bassin versant, en particulier gestion des barrages-réservoirs et dérivations, prélèvements pour l’irrigation et l’eau potable, rejets des stations d’épuration (Branger et al., 2024). Cependant J2000 nécessite l’utilisation de nombreux paramètres, ce qui rend sa calibration compliquée, notamment sur de grands bassins (Morel et al., 2022). L’implémentation du modèle est non différentiable numériquement, ce qui limite la possibilité de calage variationnel de grands jeux de paramètres.
SMASH (Spatially distributed Modeling and ASsimilation for Hydrology, Colleoni et al., 2025) est une plateforme open-source (GitHub & Documentation) dédiée à la modélisation hydrologique distribuée et à l'assimilation variationnelle basée sur la méthode de l'adjoint et un code de calcul différentiable. Le modèle combine des opérateurs conceptuels verticaux et latéraux à relativement haute résolution et peut fonctionner soit en mode purement orienté processus hydrologique, soit en version hybride physique-IA (Huynh, 2025). Par exemple, l’intégration de réseaux de neurones permet (i) la régionalisation reliant descripteurs physiques et paramètres du modèle (Huynh et al., 2024), et (ii) la correction des flux internes afin de réduire les erreurs liées à la structure conceptuelle du modèle (Huynh et al., 2025). SMASH est un cadre de modélisation numérique différentiable, permettant l’optimisation de grande dimension (basée sur les gradients) et l’assimilation variationnelle de données (VDA). En revanche, certaines fonctionnalités restent à développer, notamment la prise en compte des contraintes anthropiques (barrages, prélèvements), l’introduction d’une discrétisation par HRU, ou l’intégration de modules supplémentaires pour améliorer la robustesse conceptuelle et opérationnelle du modèle.
 

Objectifs du stage :
Dans le cadre de ce stage, l’objectif serait d'analyser les possibilités et combiner les forces des deux plateformes : par exemple, intégrer dans SMASH une modélisation physique par HRU et regionalisable, adapter des modules de gestion de barrages/prélèvements classiques issus de J2000 avec les contraintes liées à la différentiabilité, et rénover J2000 pour l’application de méthodes de calibration/régionalisation avancées avec VDA développées pour SMASH, afin de concevoir un cadre de modélisation hydrologique spatialement distribué, performant et apte à considérer des contraintes anthropiques.
Le travail sera réalisé sur le cas-test du bassin versant de l’Ardèche, qui est un bassin de taille raisonnable (2000 km2) et bien connu sur lequel il existe déjà un modèle J2000 (Horner, 2020).
 

Mission du stage :
● Comprendre la problématique et recherche du biblio : modèles hydrologiques distribués et semi-distribués, analyse composante modélisation physique par HRU ; problème inverse, optimisation différentiable et VDA
● Prendre en main et se familiariser avec les outils informatiques et le code des modèles J2000 et SMASH
● Explorer les complémentarités entre les deux approches (HRU, barrages/prélèvements de J2000 vs optimisation différentiable et régionalisation de SMASH)
● Développer et tester des modules croisés (ex. intégration de contraintes anthropiques dans SMASH, calibration avancée pour J2000) : adaptation des HRU de SMASH sur une base physique-IA, ajout de lois de gestion simplifiées de barrages
● Appliquer et évaluer les solutions proposées sur le bassin versant test

Lieu de travail à Lyon-Villeurbanne, avec des déplacements à Aix-en-Provence environ tous les deux mois

Formations et compétences recherchées

- Formation en mathématiques appliquées, avec une connaissance en environnement/hydrologie appréciée ; ou formation en hydrologie, avec une forte compétence en informatique et en modélisation mathématique également recherchée
- Langages de programmation : Python et/ou Fortran ; lecture et compréhension du Java appréciées
- Compétences : modélisation hydrologique/numérique, optimisation différentiable, codage, sens de l’organisation, autonomie, et capacité à travailler en équipe multidisciplinaire (dialoguer avec la partie mathématique et la partie hydrologique)

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, prise en charge des frais de déplacement

Modalités pour postuler

J'envoie mon CV et ma lettre de motivation