Gestion dynamique des relations ‘Hauteurs-débits’ des stations d’hydrométrie : Cas des bassins versants de Allala et Rouina.

Abstract

Les valeurs exactes du débit d'eau dans les cours d’eau sont nécessaires à la plupart des analyses hydrologiques. Les données du débit sont utilisées pour un certain nombre d’applications, telles que la prise de la décision opérationnelle, la définition de l’état hydrologique du bassin-versant, une grandeur d'entrée pour tous les modèles hydrauliques et hydrologiques, la gestion des risques, le calcul des charges du transport du sédiment, la conception des structures hydrauliques et pour d'autres constituants de qualité aquatique. Cependant, la mesure directe du débit dans les cours d’eau nécessite beaucoup de temps et d'efforts. Par conséquent, la plupart des banques des données du débit sont développées à partir de la conversion des hauteurs d’eau enregistrées en débit, par l’utilisation des courbes de tarage "Hauteur-Débit". Le calage de cette relation au niveau de la station hydrométrique est basé sur des mesures ponctuelles nommées « jaugeages ». Les débits estimés à partir de la courbe de tarage sont souvent associés à un intervalle de confiance qui tient en compte les incertitudes liées à la sensibilité de la section de jaugeage, la variabilité du contrôle hydraulique, hauteur d’eau mesurée et surtout celles associées à la précision des jaugeages et la façon dont les contrôles se succèdent ou s’ajoutent les uns aux autres. La première partie de ce travail concerne la gestion dynamique et l’incertitude de la relation "Hauteur-Débit" par l’utilisation des procédures de segmentations et l’analyse Bayésienne. Ces procédures sont appliquées sur deux stations hydrométriques dans le nord de l’Algérie à savoir : la station de Bir Ouled Tahar (Bassin de l’Oued Rouina) et la station de Sidi Akkacha (Bassin de l’Oued Allala). En outre, ces procédures permettent de diviser le nuage de jaugeages initiaux de chacune des stations en populations hydrauliquement homogènes. Ceci permet de ré-échantillonner pour chaque jaugeage un ensemble d'autres jaugeages provenant de la même population pour caler le tracé de la courbe de tarage. Par la suite, la méthode de l'inférence Bayésienne et des simulations de Monte-Carlo et les chaînes de Markov (MCMC) [BaRatin] ont été utilisées pour déterminer l’incertitude de la courbe de tarage ; la courbe la plus probable, et l’incertitude associée, au niveau de crédibilité de 95%. La comparaison entre la courbe de tarage de l’ANRH (déterministe) et celle issue de BaRatin au niveau de la station hydrométrique de Sidi Akkacha révèle que les deux courbes sont presque identiques pour les écoulements à faible débit. En revanche, pour les écoulements à grand débit, la courbe de tarage la plus probable (MaxPost) avec son enveloppe d'incertitude (2,5% et 97,5%), s’écartent sensiblement de la courbe de tarage déterministe de l’Agence Nationale des Ressources Hydrique (ANRH). Cet écart est dû essentiellement au fait que la courbe de tarage issue de BaRatin est basée sur une connaissance préalable de la configuration de la station appuyée par une analyse hydraulique (rugosité, observation de la géométrie du canal, analyse topographique et simulation du débit). Ces derniers facteurs sont généralement ignorés dans l'ajustement de la courbe déterministe (ANRH). Les mêmes constations ont été révélées au niveau de la station hydrométrique de Bir Ouled Tahar. La deuxième partie de notre travail est consacrée à l’étude de l'effet de l'incertitude de la courbe de tarage, non seulement sur l’analyse fréquentielle des crues (AFC), mais aussi sur la cartographie de la superficie de la zone inondable de la ville de Vieux-Ténès située à l'embouchure de l’Oued Allala. Dans cette partie, une méthode analytique complète est proposée. Le cadre méthodologique de cette démarche comprend trois étapes. (1) La première étape consiste à construire la courbe de tarage le plus probable (Max Post) avec ces intervalles de crédibilité de 95% de la station hydrométrique de Sidi Akkacha en utilisant la méthode BaRatin et en se basant sur la connaissance préalable des contrôles hydrauliques et des données de jaugeage avec leurs incertitudes individuelles. Par conséquent, la courbe de tarage avec les limites de la crédibilité de 2,5 % et 97,5 % ont été utilisées pour simuler trois séries chronologiques de débits maxima annuels (MaxPost, 2,5% et 97,5%) sur la base du limnigramme enregistré entre 1973 et 2017 au niveau de la station de Sidi Akkacha. (2) Sur la base de ces séries, l’AFC a été utilisée pour estimer les débits de projet maximaux pour des périodes de retour spécifiques (5, 10, 50, 100 ans) et calculer l'effet de l'incertitude de la courbe de tarage sur les crues estimés. Afin de trouver le meilleur modèle de distribution fréquentiel et son type qui donne la plus grande probabilité de reproduire les débits maxima, l'adéquation de l’AFC a été validée en utilisant le coefficient de détermination (R 2 ), l'erreur quadratique moyenne (MSE) et l'erreur absolue moyenne (MAE). (3) La crue de projet de 100 ans (2,5%, MaxPost et 97,5%) et les données topographiques sont utilisées comme données d'entrée du modèle hydraulique HEC-RAS. Le modèle hydraulique HEC-RAS fournit les niveaux d'eau qui correspondent à la crues de conception centennale dérivées de la courbe de tarage la plus probable (MaxPost) ainsi que de ces intervalles de crédibilité de (2,5% et 97,5%). Ensuite, les niveaux d'eau seront affichés sous forme de cartes de profondeur d'écoulement. Nous avons constaté que la superficie de la zone inondable simulée avec la courbe de tarage la plus probable (MaxPost) a montré une augmentation proche de 15 % en utilisant la limite supérieure de l'incertitude de la courbe de tarage (97,5%) et une diminution de 18 % pour la limite inférieure (2,5%).