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Fonctionnement détaillé du modèle GRP

Structure du modèle

Le modèle GRP est un modèle hydrologique global, apparenté aux modèles conceptuels, qui fonctionne en continu à pas de temps horaire. Il dérive des modèles hydrologiques GR (https://webgr.irstea.fr/modeles/) Il a été développé pour un objectif spécifique de prévision des crues.modele_grp

Il a une structure à réservoirs (voir Figure) construite sur trois modules :

  • Le module d’accumulation et de fonte de la neige: utile pour les bassins influencés par la neige, ce module (appelé CemaNeige : https://webgr.irstea.fr/modeles/modele-de-neige/) intervient en tête du modèle GRP. Il permet de dissocier précipitations solides et liquides et de gérer l’accumulation et la fonte de la neige par bandes d’altitude en fonction de la température de l’air.
  • Le module de production constitué de trois fonctions :
    • l’interception des précipitations (P) par l’évapotranspiration potentielle (E),
    • un réservoir de production de capacité CAP (fixée à 275 mm) qui détermine le rendement des pluies et produit une percolation Perc, donnant une pluie efficace Pr,
    • une modification volumétrique de la pluie efficace par un facteur d’ajustement, CORR.

A chaque pas de temps, la pluie est d’abord neutralisée par l’évapotranspiration potentielle. Le reliquat éventuel de pluie Pn est divisé en deux parties en fonction du taux de remplissage du réservoir de production, une partie (Ps) alimentant ce réservoir et l’autre (Pn-Ps) alimentant l’écoulement.

Le reliquat éventuel d’évapotranspiration potentielle (En) contribue à la vidange du réservoir de production par évapotranspiration réelle (Es). Une percolation issue du réservoir de production (Perc) va également alimenter l’écoulement. La quantité d’eau totale allant alimenter l’écoulement (Pr) est multipliée par le facteur d’ajustement, CORR, qui permet notamment de tenir compte d’éventuels échanges en eau avec les compartiments souterrains du bassin, ce qui permet d’obtenir P’r la pluie efficace corrigée.

  • Le module de transfert qui suit le module de production correspond à une répartition temporelle de P’r. Il est constitué :
    • d’un hydrogramme unitaire (HU) de temps de base TB qui permet de tenir compte du décalage temporel entre pluie et débit ;
    • d’un réservoir de routage non linéaire (quadratique) de capacité ROUT, qui assure un lissage temporel des pluies efficaces.

Le modèle a deux entrées principales, les précipitations et l’évapotranspiration potentielle (ETP) calculées à l’échelle du bassin. S’y ajoute la température dans le cas de l’utilisation du module neige. Le modèle produit comme unique sortie le débit.

 

Mode de fonctionnement en prévision

Le modèle GRP peut fonctionner comme un modèle classique de simulation, en ne tenant compte que des entrées météorologiques (pluviométrie, ETP, température). Cependant, ce mode de fonctionnement conduit à des écarts parfois importants entre les débits observés et simulés, généralement incompatibles avec les besoins opérationnels.

Dans un contexte prévisionnel, on utilise donc une entrée supplémentaire qu’est le débit observé à l’instant de la prévision. Cette information est exploitée par l’intermédiaire d’une procédure d’assimilation, qui permet de mettre le modèle en adéquation avec cette observation. L’exploitation du débit observé se déroule en deux temps :

  • La mise à jour du réservoir de routage : le niveau du réservoir est recalculé de manière à simuler un débit égal au dernier débit observé à l’instant de la prévision. Le modèle ne présentant qu’une seule branche d’écoulement, ceci permet d’avoir une relation univoque entre le débit simulé par le modèle et le contenu du réservoir de routage.
  • L’exploitation de l’erreur antérieure : elle peut se faire de deux manières, soit par une correction de type autorégressive (méthode Tangara), soit par un réseau de neurones artificiels (méthode RNA). Dans le cas de la méthode Tangara, on calcule le ratio entre le débit observé et le débit prévu à 1 pas de temps de la dernière prévision, élevé à la puissance 0,45. Les débits prévus aux pas de temps futurs sont ensuite multipliés par ce coefficient correctif. La méthode RNA prend en entrée : le débit observé à l’instant t et les erreurs additives aux pas de temps t-1 et t, où t est le dernier pas de temps avant l’instant de prévision.

Pour un objectif de prévision, on peut considérer que cette mise à jour est partie intégrante du fonctionnement du modèle, le modèle prenant, en plus des entrées météorologiques, le dernier débit observé comme entrée. L’application de GRP en prévision requiert également d’avoir un (ou plusieurs) scénario(s) de précipitations futures sur le bassin.

 

Paramètres et calage

Le modèle comprend trois paramètres à caler :

  • CORR (-) : le paramètre d’ajustement de la pluie réelle qui permet notamment d’ajuster le bilan en eau du bassin en complément de la fonction de rendement (pour tenir compte notamment d’éventuels échanges avec le compartiment souterrain du bassin).
  • TB (h) : le temps de base de l’hydrogramme unitaire qui permet de tenir compte du décalage temporel entre pluie et débit.
  • ROUT (mm) : la capacité du réservoir de routage, qui permet de réaliser un lissage temporel des pluies efficaces.

Les paramètres du modèle sont calés en mode prévisionnel, c’est-à-dire en appliquant la procédure d’exploitation des débits observés. Le calage est donc réalisé relativement à un horizon de prévision donné.

 

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