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Assimilation d'observations de débit et d'humidité du sol dans un modèle hydrologique distribué, application au bassin versant de la rivière des anglais

Trudel, Mélanie (2010). Assimilation d'observations de débit et d'humidité du sol dans un modèle hydrologique distribué, application au bassin versant de la rivière des anglais. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les techniques d’assimilation de données permettent non seulement d’améliorer les simulations et prévisions d’un modèle par l’intégration d’observations, mais permettent aussi de porter un diagnostique sur le modèle et les observations. Peu de publications se sont intéressées à l’assimilation d’observations à un modèle hydrologique distribué à base physique simulant autant les débits en rivière que l’humidité du sol. L’objectif de cette thèse est donc d’évaluer l’impact de l’assimilation d’observations de débit et d’humidité du sol sur les simulations du modèle hydrologique CATHY.

Un filtre d’ensemble de Kalman a été utilisé afin d’assimiler des observations de débit à l’exutoire, débits en amont, humidité du sol à différentes profondeur (15 cm, 45 cm et 90 cm) mesurées à l’aide de sondes (stations hydrométéorologiques) ainsi que des observations d’humidité du sol en surface estimées à l’aide de la télédétection radar.

Une méthodologie permettant d’estimer l’humidité du sol en surface pour des sols nus ou de faible végétation à l’aide d’images radar multipolarisations (ENVISAT-ASAR) et polarimétriques (RADARSAT-2) a été développée. Une analyse de l’impact de la végétation a également été effectuée. L’utilisation de données polarimétriques plutôt que multipolarisation a permis d’améliorer l’estimation de l’humidité du sol pour les champs de faible végétation.

La recherche a également permis de conclure que l’assimilation d’observations de débit à l’exutoire améliore les simulations de débits en amont. Par contre, l’assimilation des observations de débit (exutoire ou en amont) détériore les simulations d’humidité du sol.

L’assimilation des observations d’humidité du sol a mise en évidence la présence d’un biais entre le modèle et les observations. L’élimination de ce biais devra faire l’objet de futures recherches. L’assimilation des observations d’humidité du sol a tout de même permis de constater que l’assimilation d’observations provenant d’une seule station a un impact similaire sur les simulations d’humidité du sol que l’assimilation d’observations provenant de cinq stations. De plus, elle a mise en évidence l’importance de la fréquence d’assimilation.

L’assimilation d’observations d’humidité du sol en surface (radar) à seulement deux moments sur la période de 90 jours a eu très peu d’impact sur les simulations. Enfin, l’assimilation d’observations d’humidité du sol en plus de celle de débit à l’exutoire améliore les simulations de débits (exutoire et en amont) sans détériorer les simulations d’humidité du sol.

Titre traduit

Assimilation of streamflow and soil moisture observations in a distributed hydrologic model, application on des anglais river watershed

Résumé traduit

Data assimilation techniques not only allow the improvement of simulations and model predictions by observation’s integration, they also give the opportunity to pose a diagnostic on both the model and the observations. Few publications are centered on data assimilation of a spatially distributed hydrological model with physical bases that simulates both river’s streamflow and soil moisture. The goal of this thesis is therefore to assess the impact of data assimilation of streamflow and soil moisture observations on CATHY hydrological model simulations.

An ensemble Kalman filter was used to assimilate observations of streamflow at the basin outlet and at interior locations, as well as soil moisture at different dept (15 cm, 45 cm and 90 cm) measured with probes (stations), and surface soil moisture observations estimated from radar remote sensing.

A methodology enabling the estimation of surface soil moisture for bare or weakly vegetated fields with the use of multiporalized (ENVISAT-ASAR) and polarized (RADARSAT) radar images has been developed. An analysis of vegetation impact has also been performed. The use of polarimetric datas instead of multipolarimetric data has allowed the improvement of weakly vegetated field soil moisture estimation.

This research also provided evidences that data assimilation of outlet streamflow observations improves simulations of streamflow at interior locations in the basin. However, assimilation of streamflow observations (outlet and interior) worsens soil moisture simulations. The assimilation of soil moisture observations highlighted the presence of a bias between the model and the observations. The elimination of this bias should be the subject of future research. Soil moisture data assimilation nevertheless allowed to notice that assimilation of observations coming from an unique station has a similar impact on simulations of soil moisture than assimilation of observations coming from five different stations. Furthermore, it highlighted the significance of assimilation frequency. Assimilation of soil surface moisture (remote sensing) observations at only two time periods over a 90 days period has very few impacts on simulations. Howsoever, assimilation of soil moisture observations combined with outlet streamflow observations improves streamflow simulations (both outlet and interior) without worsening soil moisture simulations.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse de doctorat présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [215]-229.
Mots-clés libres: Modèles hydrologiques. Mesures hydrodynamiques. Sols Humidité Mesure. Radar dans les sciences de la terre. Bassins hydrographiques Québec (Province) Anglais, Rivière des. Assimilation, CATHY, débit, Donnée, Observation, télédétection radar,
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Leconte, Robert
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Charbonneau, François
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 mars 2011 14:58
Dernière modification: 15 févr. 2017 00:28
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/661

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