Structures spatiales en hydrographie continentale

La compréhension de l'effet des hétérogénéités spatio-temporelles de surface sur la réponse hydrologique et l'adaptation par l'homme de ces hétérogénéités représentent un des enjeux majeurs de l'hydrologie tout en dépassant le cadre de la seule recherche académique. Les recherches en géographie quantitative que j'ai réalisées au cours de ces dix dernières années au sein de l'ENGREF puis d'AgroParisTech s'inscrivent dans cette problématique générale et se sont focalisées sur les hétérogénéités spatiales des supports de transfert des flux hydriques de surface concentrés : les réseaux hydrographiques au sens large (cours-d'eau, plans d'eau, ravines, etc). Les approches développées relèvent de modèles de représentation d'hétérogénéités spatiales sur réseau qui combinent des approches métrologiques (télédétection) et de modélisation spatiale stochastique (géostatistique), pour combler les données manquantes et estimer les incertitudes de représentation. Ainsi, comme je tenterai de l'illustrer, ces modèles de représentation spatiale stochastiques contribuent soit à mesurer l'effet de la précision de la représentation des réseaux sur la réponse hydrologique (finalité méthodologique) soit à explorer numériquement l'effet des hétérogénéités spatiales de réseaux sur la réponse hydrologique ainsi que leurs lois d'échelle (finalités cognitives et prédictives). Parce que les capacités d’adaptation des hétérogénéités spatio-temporelles de ces réseaux dans les paysages cultivés sont un enjeu fort agro-environnemental, j'envisage pour mon projet d'étendre ces modèles à la dynamique des propriétés des réseaux hydrographiques des agrosystèmes

Estimation of Surface Moisture Content and Evapotranspiration Using Weightage Approach.

Soil moisture (MC) and evapotranspiration (ET) are considered as the most significant boundary conditions controlling most of the hydrological cycle’s processes. However, monitoring them continuously over large areas using the high temporal-resolution optical satellites is very demanding. Satellites such as the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), have a coarse spatial resolution in their images. Thus it not only impedes the acquisition of an accurate MC and ET but also represents multispectral reflections from the holistic surface features. This beside their dependence on vegetation and ground coefficient when assessing MC and ET. The study aims to enhance the spatial accuracy by weighting the MC produced from different surface cover classes within the pixel. MC for each pixel is segmented into three (3) different classes namely urban, vegetation and multi surface cover according to their respective MC weightage. Secondly, to generate an improved actual ETa map by overlaying the segmented MC with a rectified ETo. Images from AVHRR and MODIS satellites were selected in order to generate MC and ET maps. Two powerful MC algorithms were used based on land Surface Temperature (Ts), vegetation Indices (VI) and field measurements of MC; which were conducted at variable depths to examine the depth influence on MC and Ts magnitudes

Apport de la modélisation hydrologique régionale à la compréhension des processus de crue en zone méditerranéenne

The hydrological risk associated with flash-floods in the mediteranean area is temporally and spatially variable. Recent works showed the vulnerability of mobile people during floods occurring on small catchments (area 1000 km²). The model used in this thesis is built within the LIQUID hydrological modeling platform, which allows a modular coupling of the chosen hydrological processes. The model is used without calibration, with the purpose to test different hypotheses on the hydrological functioning of catchments. The studied area is the Cevennes-Vivarais region (south-east of France). The first simulations show a high sensitivity of the model results to soil properties (hydraulic conductivity, thickness), and to the bottom flux boundary condition (deep percolation). A different behavior is observed between catchments located on sedimentary rocks and catchments located in the mountain area, on metamorphic schists. A version of the model which accounts for lateral surface and sub-surface flows is developed, and tested on the Cartaou (0.5 km²) experimental catchment. Preliminary results highlight the importance of lateral flow processes in flood generation at small spatial scales. A streamflow recession analysis is performed to estimate hydraulic and thickness properties of weathered rock horizons, which are not described by regional soil databases. The results show a hierarchy in the estimated parameters, in relation with geology. The weathered rock horizons are implemented in the hydrological model, which is used at the regional scale. Simulations performed over the 2008 year bring out the better results obtained when using the weathered rock layer, for flood events simulations as well as for long-term simulations. The results also show differences between the hydrological behavior of north catchments (Ardèche, Tarn) and south catchments (Cèze, Gardon, Vidourle), which can be linked to the geology.Le risque hydrologique associé aux crues rapides survenant en région méditerranéenne est variable dans l'espace et le temps. Des travaux ont montré une vulnérabilité forte des personnes mobiles face aux crues touchant les bassins versants de petite taille ( 1000 km²). Le modèle utilisé dans cette thèse est construit avec la plate-forme de modélisation LIQUID, qui permet un couplage « à la carte » de modules représentant les processus que l'on souhaite intégrer au modèle. C'est un modèle utilisé sans calibration, dans une démarche de test d'hypothèses de fonctionnement hydrologique des bassins. La zone d'étude est la région Cévennes-Vivarais. Les premières simulations effectuées montrent une sensibilité forte des résultats du modèle aux propriétés des sols (conductivité hydraulique, épaisseurs), ainsi qu'au type de condition limite employée (percolation profonde ou non). Une distinction apparaît entre les comportements en crue des bassins situés sur roche sédimentaire et des bassins schisteux situés sur les reliefs cévenols. Une version du modèle intégrant la représentation des écoulements latéraux de surface et de subsurface est également développée, et déployée sur le bassin expérimental du Cartaou (0.5 km²). Les premiers résultats soulignent l'important rôle joué par ces écoulements à petite échelle. Une méthodologie d'analyse des récessions de débit est mise en place pour l'estimation des propriétés hydrauliques et des épaisseurs des horizons de roche altérée, non-décrits par les bases de données des sols de la région. Les résultats de l'analyse suggèrent une hiérarchie dans les valeurs des paramètres, contrôlée par le type de géologie. Les horizons de roche altérée sont ensuite intégrés dans la version finale du modèle, qui est déployée à l'échelle de la région entière. Les simulations effectuées sur l'année 2008 montrent l'intérêt de la prise en compte de ces épaisseurs de roche altérée, tant pour la simulation des débits en crue que lors des périodes inter-événementielles. Les simulations mettent également en évidence des différences de comportement entre les bassins du nord de la région (Ardèche, Tarn) et ceux du sud (Cèze, Gardon, Vidourle) que l'on peut relier à la géologie

Dynamics of Vapor Compression Cycle with Thermal Inertia

The use of heating, ventilation, air conditioning, and refrigeration (HVACR) systems is always increasing. Reducing energy consumption has become necessary in modern times for environmental, economic and legislative reasons. Thus, there is ongoing research to improve the performance and reduce the negative environmental impact of these systems. HVACR systems are normally sized for peak load conditions. As a result, these systems operate under off-peak conditions most of the time by on-off cycling. The average efficiency of the system during cycling is lower due to transient losses caused by refrigerant migration and redistribution. This motivates a detailed understanding of the dynamics of vapor compression systems (VCS) for their improved design and performance. The dissertation contributes towards reducing energy consumption from HVACR by exploring both sides: improving the performance of current systems and developing highly energy efficient personal conditioning systems (PCS) which reduce the load of HVACR systems altogether. PCS reduce the energy consumption of building HVACR by up to 30%. Multi-physics modeling for thermo-fluid, electricity and mechanical domains is conducted to compare performance of four PCS employing different thermal storage options. The dissertation then focuses on vapor compression system based version of PCS called Roving Comforter, operating cyclically between its cooling and recharge mode. Exhaustive study of design space including optimization of thermal storage, operation with a natural refrigerant and alternate recharge modes is conducted to improve its overall coefficient of performance. The dissertation then presents comprehensive dynamic validated modeling of air-conditioning systems operating in cyclic operations to characterize cyclic losses. Parametric study with different operating conditions is carried out to provide guidelines for reduction of these cyclic losses. Secondly, a physically based model of the test setup for quantifying the cyclic losses of air-conditioning systems is developed and used to understand its influence on the cyclic losses. A new term called “Thermal Inertia Factor” is defined to enable more uniform rating of equipment from various test centers and help selection of actual energy efficient air-conditioners