Modélisation de l'influence de l'intensité des pluies sur l'écoulement annuel au Sahel

    Dubas, Océane (2023)
Mémoire
Accès libre
    • Modélisation de l'influence de l'intensité des pluies sur l'écoulement annuel au Sahel
    • Modelling the influence of rainfall intensity on annual runoff in the Sahel
    • 14 septembre 2023
    • intensité des pluies
    • modélisation
    • Sahel
    • Green-et-Ampt
    • échelle spatiale
    • rainfall intensity
    • modelling
    • Sahel
    • Green-et-Ampt
    • spatial scale
    • Le Sahel, région climatique marquée par des précipitations fluctuantes, a connu une période de sécheresse dans les années 70-80 parallèlement à un accroissement du ruissellement identifié sous l’expression de “paradoxe hydrologique du Sahel”. Depuis les années 90, nous constatons une augmentation des cumuls pluviométriques annuels qui semble, ne pas être liée à l’occurrence d’événements, mais plutôt être attribuée à l’intensité des pluies plus importante.
      Ce présent mémoire s’insère dans le cadre du projet TipHyc (exploring Tipping points in the West African Hydrological Cycle) qui vise à produire des scénarios climatiques futurs. Ce travail propose d’étudier la dépendance entre cette intensité des pluies et les réponses hydrologiques au Sahel à l’échelle annuelle. Notre investigation débute depuis des échelles locales des sous-bassins-versants jusqu’à l’échelle sahélienne. En terme temporel, on se concentrera d’abord à l’échelle d’événements pluvieux avant de travailler à l’échelle annuelle.
      Trois axes d’analyse sont retenus afin de décrypter cette relation. D’abord, le modèle Green-et-Ampt nous permet de modéliser le ruissellement afin de pouvoir reproduire les réponses hydrologiques des sous-bassins-versants sahéliens dans des contextes géologiques différents : sédimentaire et cristallin. Nous obtenons ces différentes réponses hydrologiques sur une échelle temporelle événementielle. Les coefficients de ruissellement modélisés sont identiques à ceux observés. Chaque sous-bassin-versant suppose donc des jeux de paramètres différents.
      Le deuxième axe s’oriente autour d’une recherche d’indicateur d’intensité des pluies susceptible de fournir des quantités sur le volume de ruissellement associé. Pour un même jeu de données de pluie, nous modélisons le ruissellement avec Green-Ampt pour chacune des paires de paramètres obtenus précédemment. L’enjeu ici est qu’il est essentiel que cette relation entre les précipitations et le ruissellement fonctionne indépendamment de la quantité de ruissellement. L’indicateur trouvé se rapporte à l’intensité des pluies à l’échelle annuelle. Pour qu’il soit plus opérationnel, il suppose de connaître les variables à un pas de temps le plus restreint qu’il puisse.
      Enfin, avec un même jeu de données de pluies, nous construisons une gamme de Ke selon le contexte géologique. Plusieurs fonctions sont proposées dans l’objectif de généraliser cette relation, notre ambition finale. Plusieurs formules mathématiques comportant des fonctions exponentielles ont été testées entre les Ke et l’indicateur choisi. La première expression suit un modèle logistique (fonction sigmoïde) et les autres sont des variantes de paramétrisation. Finalement, l’expression choisie prédit les coefficients de ruissellement avec que très peu d’erreurs.
      Les principales limites peuvent être imputées à la méthodologie mise en œuvre, mais également aux différentes échelles sélectionnées tout du long mettant en évidence le rôle décisif de l’échelle spatiale.
    • The Sahel, a climatic region marked by fluctuating rainfall, has experienced a period of drought in the 70s and 80s, at the same time as an increase in runoff identified under the expression "Sahel hydrological paradox". From the 1990s, we have seen annual overall rainfall has increased, which appears not to be linked to the occurrence of events, but rather to the higher intensity of rainfall.
      This work is part of the TipHyc project (exploring Tipping points in the West African Hydrological Cycle), which aims to produce future climate scenarios. The aim of this work is to study the dependence between rainfall intensity and hydrological responses in the Sahel on an annual scale. Our investigation starts from the local scales of the sub-catchments to the Sahelian scale. In temporal terms, we will first focus on the scale of rainfall events before working on the annual time scale.
      Three lines of analysis are used to decipher this relationship capable of providing insights into the associated runoff volume. Firstly, the Green-et-Ampt model enables us to model runoff in order to reproduce the hydrological responses of Sahelian sub-catchments in different geological contexts: sedimentary and crystalline. We obtain these different hydrological responses on an event time scale. Runoffs using Green-Ampt was modeled identical to those observed. Each sub-catchment therefore assumes different sets of parameters.
      The second line of research focuses on the search for rainfall intensity indicators. For the same set of rainfall data, we model runoff using Green-Ampt with each of the pairs of parameters obtained previously. The issue here is that it is essential that this relationship between rainfall and runoff works independently of the amount of runoff. The indicator found relates to the intensity of rainfall on an annual time scale. For it to be more operational, the variables need to be known at the smallest possible time step.
      Finally, using the same set of rainfall data, a range of Ke is built, depending on the geological context. Several algorithms will be proposed with the aim of generalizing this relationship, which is our ultimate ambition. Several mathematical formulae involving exponential functions have been tested between the Ke and the chosen indicator. The first expression follows a logistic model (sigmoid function) and the others are variants including other parameters. Finally, the chosen expression predicts runoff coefficients with very few residuals.
      The main limitations can be attributed to the methodology used, but also to the different scales selected throughout, highlighting the decisive role of the spatial scale.

Citation bibliographique

Dubas, Océane (2023), Modélisation de l'influence de l'intensité des pluies sur l'écoulement annuel au Sahel [Mémoire]