Modélisation des crues de bassins karstiques par réseaux de neurones. Cas du bassin du Lez (France)

Karst is one of the most widespread aquifer formations in the world. Their exploitation provides fresh water to practically 25% of the global population. The high level of structure heterogeneity in these aquifers however makes them complex and their behavior is difficult to study, simulate and forecast. Artificial neural networks are machine learning models widely used in surface hydrology since the 90's thanks to their properties of parsimony and universal approximation. In this thesis, artificial neural networks are used to study karst aquifer behavior. Application is done on the Lez. This aquifer situated near Montpellier conurbation (400 000 inhabitants) provides fresh water for a large part of this population. First, a "classical" black box neural network is applied to simulate and forecast Lez spring discharge. A rainfall input selection method is proposed, using cross correlation analysis and cross validation method at the same time. Results show neural model efficiency in order to simulate and forecast the spring discharge of a complex karstic aquifer. The model was tested using two hydrologic cycles including the two most intense floods of the database. Hydrographs shows that neural model was able to forecast correctly the maximum flood discharge of these intense floods when they are higher than all discharges of the learning database. Forecasting is satisfactory until a one-day horizon. In a second time, extraction of the knowledge included in the black box is proposed. In order to constrain the model to provide physically plausible solution, a priori knowledge about aquifer geology is included into the network architecture. KnoX (Knowledge eXtraction) method proposed in this study aims at extract geological zone contributions to the Lez spring and corresponding response times. The KnoX methodology was applied to a fictitious hydrosystem built using a model with controlled parameters, in particular contributions of subbasin to the outlet and lag time of each subbasin. This application permitted to validate the KnoX methodology. Results obtained on the Lez basin are satisfactory and agree with current knowledge about this hydrosystem. In addition, the KnoX methodology allows refining this knowledge, in particular concerning delayed infiltration because of infiltration in perched aquifer and concerning Lez spring alimentation basin boundaries. Lastly the KnoX methodology is a generic methodology that can be applied on any basin with available discharge and rainfall data.Les karsts sont l'une des formations aquifères les plus présentes au monde. Exploités, ils fournissent de l'eau potable pour près de 25% de la population mondiale. Cependant la forte hétérogénéité de leur structure implique un comportement non-linéaire particulièrement difficile à simuler et à prévoir. Les réseaux de neurones formels sont des modèles d'apprentissage statistique qui ont été largement utilisés en hydrologie de surface depuis les années 1990, grâce à leurs propriétés de parcimonie et d'approximation universelle. Dans cette thèse, il est proposé d'utiliser les réseaux de neurones pour étudier le comportement des aquifères karstiques. L'aquifère du Lez est choisi pour appliquer le modèle par réseaux de neurones. Cet aquifère, situé près de l'agglomération de Montpellier (400 000 habitants), est exploité pour fournir de l'eau potable à une grande partie de l'agglomération. Dans un premier temps, un réseau de neurones " classique ", de type boîte noire, est appliqué à la simulation et à la prévision des débits de la source du Lez. Une méthode de sélection des entrées de pluie est proposée, couplant analyse par corrélations croisées et méthode de validation croisée. Les résultats montrent l'adéquation du modèle neuronal pour la simulation et la prévision du débit de la source d'un aquifère karstique complexe. Le test du modèle est effectué sur les deux cycles hydrologiques comportant les crues les plus intenses de la base de données. Les hydrogrammes montrent que le modèle neuronal a été capable de correctement prévoir les débits des crues majeures en test, qui sont supérieurs aux débits présents dans la base d'apprentissage du modèle. La prévision est acceptable jusqu'à un horizon de prévision de un jour. Dans un second temps, une méthode d'extraction des données contenues dans la boîte noire est proposée. Afin de contraindre le modèle neuronal à donner des valeurs physiquement interprétables, des connaissances a priori sur la géologie de l'aquifère sont incluses dans l'architecture du réseau de neurones. La méthode KnoX (Knowledge eXtraction) proposée dans cette étude permet d'extraire du modèle les contributions des différentes zones géologiques à la source du Lez ainsi que les temps de réponse correspondants. L'application de la méthode KnoX à un hydrosystème fictif dont on contrôle en particulier les temps de réponse et contributions des différents sous-hydrosystèmes fictifs a permis de valider cette méthode. Les résultats obtenus sur le bassin du Lez sont très satisfaisants et en adéquation avec les connaissances actuelles que l'on a sur ce système. De plus la méthode a permis d'affiner ces connaissances, notamment l'infiltration retardée par des aquifères perchés et les limites du bassin d'alimentation de la source du Lez. Enfin, la méthode KnoX est générique et applicable à tout hydrosystème pour lequel on dispose de mesures de pluie et de débit

Karst flood modeling by artificial neural networks. Case study on the Lez catchment (Hérault, southern France)

Les karsts sont l'une des formations aquifères les plus présentes au monde. Exploités, ils fournissent de l'eau potable pour près de 25% de la population mondiale. Cependant la forte hétérogénéité de leur structure implique un comportement non-linéaire et les rendent particulièrement difficiles à étudier, à simuler et à prévoir. Les réseaux de neurones formels sont des modèles d'apprentissage statistiques qui ont été largement utilisés en hydrologie de surface depuis les années 1990, grâce à leurs propriétés de parcimonie et d'approximation universelle.Dans cette thèse, il est proposé d'utiliser les réseaux de neurones pour étudier le comportement des aquifères karstiques. L'aquifère du Lez est choisi pour appliquer le modèle par réseaux de neurones. Cet aquifère, situé près de l'agglomération de Montpellier (400 000 habitant), est exploité pour fournir de l'eau potable à une grande partie de l'agglomération.Dans un premier temps, un réseau de neurones « classique », de type boîte noire, est appliqué à la simulation et à la prévision des débits de la source du Lez. Une méthode de sélection des entrées de pluie est proposée, couplant analyse par corrélations croisées et méthode de validation croisée. Les résultats montrent l'adéquation du modèle neuronal pour la simulation et la prévision du débit de la source d'un aquifère karstique complexe. Le test du modèle est effectué sur les deux cycles hydrologiques comportant les crues les plus intenses de la base de données. Les hydrogrammes montrent que le modèle neuronal a été capable d'extrapoler puisque les débits prévus pour les crues majeures en test sont corrects et supérieurs aux débits présents dans la base d'apprentissage du modèle. La prévision est acceptable jusqu'à un horizon de prévision de un jour. Dans un second temps, une méthode d'extraction des données contenues dans la boîte noire est proposée. Afin de contraindre le modèle neuronal à donner des valeurs physiquement interprétables, des connaissances a priori sur la géologie de l'aquifère sont incluses dans l'architecture du réseau de neurones. La méthode KnoX (Knowledge eXtraction) proposée dans cette étude permet d'extraire du modèle les contributions des différentes zones géologiques à la source du lez ainsi que les temps de réponse correspondants. L'application de la méthode KnoX a un hydrosystème fictif dont on contrôle en particulier les temps de réponse et les contributions des différents sous-hydrosystèmes fictifs a permis de valider cette méthode. Les résultats obtenus sur le bassin du Lez sont très satisfaisants et en adéquation avec les connaissances actuelles que l'on a sur ce système. De plus la méthode a permis d'affiner ces connaissances, notamment l'infiltration retardée par des aquifères perchés et concernant la limite du bassin d'alimentation de la source du Lez. Enfin, la méthode KnoX est générique et applicable à tout hydrosystème pour lequel on dispose de mesures de pluie et de débit.Karst is one of the most widespread aquifer formations in the worlds. Their exploitation provides fresh water to practically 25% of the global population. The high level of structure heterogeneity in these aquifers however makes them complex and their behavior is difficult to study, simulate and forecast.Artificial neural networks are machine learning models widely used in surface hydrology since the 90's thanks to their properties of parsimony and universal approximation.In this thesis, artificial neural networks are used to study karst aquifer behavior. Application is done in the Lez. This aquifer situated near Montpellier conurbation (400 000 inhabitants) provides fresh water for a large part of this population.First, a “classical” black box neural network is applied to simulate and forecast Lez spring discharge. A rainfall input selection method is proposed, using cross correlation analysis and cross validation method at the same time. Results show neural model efficiency in order to simulate and forecast the spring discharge of a complex karstic aquifer. The model was tested using two hydrologic cycles including the two most intense floods of the database. Hydrographs shows that neural model was able to extrapolate the maximum flood discharge of the learning database. Forecasting is satisfactory until a one-day horizon.In a second time, extraction of the knowledge data included in the black box is proposed. In order to constrain the model to give physically plausible solution, a priori knowledge about aquifer geology is included into the network architecture. KnoX (Knowledge eXtraction) method proposed in this study aims at extract geological zone contributions to the Lez spring and corresponding response times. The KnoX methodology was applied to a fictitious hydrosystem built using a model with controlled parameters, in particular contributions of subbasin to the outlet and lag time of each subbasin. This application permitted to validate the KnoX methodology. Results obtained on the Lez basin are satisfactory and agree with current knowledge about this hydrosystem. In addition, the KnoX methodology allows to refine this knowledge, in particular concerning delayed infiltration because of infiltration in perched aquifer and concerning Lez spring alimentation basin boundaries. Lastly the KnoX methodology is a generic methodology that can be applied on any basin with available discharge and rainfall data

Modélisation des crues de bassins karstiques par réseaux de neurones. Cas du bassin du Lez (Hérault)

Les karsts sont l'une des formations aquifères les plus présentes au monde. Exploités, ils fournissent de l'eau potable pour près de 25% de la population mondiale. Cependant la forte hétérogénéité de leur structure implique un comportement non-linéaire et les rendent particulièrement difficiles à étudier, à simuler et à prévoir. Les réseaux de neurones formels sont des modèles d'apprentissage statistiques qui ont été largement utilisés en hydrologie de surface depuis les années 1990, grâce à leurs propriétés de parcimonie et d'approximation universelle.Dans cette thèse, il est proposé d'utiliser les réseaux de neurones pour étudier le comportement des aquifères karstiques. L'aquifère du Lez est choisi pour appliquer le modèle par réseaux de neurones. Cet aquifère, situé près de l'agglomération de Montpellier (400 000 habitant), est exploité pour fournir de l'eau potable à une grande partie de l'agglomération.Dans un premier temps, un réseau de neurones classique , de type boîte noire, est appliqué à la simulation et à la prévision des débits de la source du Lez. Une méthode de sélection des entrées de pluie est proposée, couplant analyse par corrélations croisées et méthode de validation croisée. Les résultats montrent l'adéquation du modèle neuronal pour la simulation et la prévision du débit de la source d'un aquifère karstique complexe. Le test du modèle est effectué sur les deux cycles hydrologiques comportant les crues les plus intenses de la base de données. Les hydrogrammes montrent que le modèle neuronal a été capable d'extrapoler puisque les débits prévus pour les crues majeures en test sont corrects et supérieurs aux débits présents dans la base d'apprentissage du modèle. La prévision est acceptable jusqu'à un horizon de prévision de un jour. Dans un second temps, une méthode d'extraction des données contenues dans la boîte noire est proposée. Afin de contraindre le modèle neuronal à donner des valeurs physiquement interprétables, des connaissances a priori sur la géologie de l'aquifère sont incluses dans l'architecture du réseau de neurones. La méthode KnoX (Knowledge eXtraction) proposée dans cette étude permet d'extraire du modèle les contributions des différentes zones géologiques à la source du lez ainsi que les temps de réponse correspondants. L'application de la méthode KnoX a un hydrosystème fictif dont on contrôle en particulier les temps de réponse et les contributions des différents sous-hydrosystèmes fictifs a permis de valider cette méthode. Les résultats obtenus sur le bassin du Lez sont très satisfaisants et en adéquation avec les connaissances actuelles que l'on a sur ce système. De plus la méthode a permis d'affiner ces connaissances, notamment l'infiltration retardée par des aquifères perchés et concernant la limite du bassin d'alimentation de la source du Lez. Enfin, la méthode KnoX est générique et applicable à tout hydrosystème pour lequel on dispose de mesures de pluie et de débit.Karst is one of the most widespread aquifer formations in the worlds. Their exploitation provides fresh water to practically 25% of the global population. The high level of structure heterogeneity in these aquifers however makes them complex and their behavior is difficult to study, simulate and forecast.Artificial neural networks are machine learning models widely used in surface hydrology since the 90's thanks to their properties of parsimony and universal approximation.In this thesis, artificial neural networks are used to study karst aquifer behavior. Application is done in the Lez. This aquifer situated near Montpellier conurbation (400 000 inhabitants) provides fresh water for a large part of this population.First, a classical black box neural network is applied to simulate and forecast Lez spring discharge. A rainfall input selection method is proposed, using cross correlation analysis and cross validation method at the same time. Results show neural model efficiency in order to simulate and forecast the spring discharge of a complex karstic aquifer. The model was tested using two hydrologic cycles including the two most intense floods of the database. Hydrographs shows that neural model was able to extrapolate the maximum flood discharge of the learning database. Forecasting is satisfactory until a one-day horizon.In a second time, extraction of the knowledge data included in the black box is proposed. In order to constrain the model to give physically plausible solution, a priori knowledge about aquifer geology is included into the network architecture. KnoX (Knowledge eXtraction) method proposed in this study aims at extract geological zone contributions to the Lez spring and corresponding response times. The KnoX methodology was applied to a fictitious hydrosystem built using a model with controlled parameters, in particular contributions of subbasin to the outlet and lag time of each subbasin. This application permitted to validate the KnoX methodology. Results obtained on the Lez basin are satisfactory and agree with current knowledge about this hydrosystem. In addition, the KnoX methodology allows to refine this knowledge, in particular concerning delayed infiltration because of infiltration in perched aquifer and concerning Lez spring alimentation basin boundaries. Lastly the KnoX methodology is a generic methodology that can be applied on any basin with available discharge and rainfall data.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Complexity selection of a neural network model for karst flood forecasting: The case of the Lez Basin (southern France)

International audienceA neural network model is applied to simulate the rainfall-runoff relation of a karst spring. The input selection for such a model becomes a major issue when deriving a parsimonious and efficient model. The present study is focused on these input selection methods; it begins by proposing two such methods and combines them in a subsequent step. The methods introduced are assessed for both simulation and forecasting purposes. Since rainfall is very difficult to forecast, especially in the study area, we have chosen a forecasting mode that does not require any rainfall forecast assumptions. This application has been implemented on the Lez karst aquifer, a highly complex basin due to its structure and operating conditions. Our models yield very good results, and the forecasted discharge values at the Lez spring are acceptable up to a 1-day forecasting horizon. The combined input selection method ultimately proves to be promising, by reducing input selection time while taking into account: i) the model's ability to accommodate nonlinearity, and ii) the forecasting horizon

Neural networks for karst spring management. Case of the Lez spring (Southern France)

International audienc

Optimization of the generalization capability for rainfall–runoff modeling by neural networks: the case of the Lez aquifer (southern France)

International audienc

Neural networks for karst groundwater management: case of the Lez spring (Southern France)

International audienceKarst aquifers provide water resources for a large part of the Mediterranean population and water resources become a strategic problem during summer when the population increases due to tourism. To help managers to optimize the exploitation of karst aquifer waters this paper studies the ability of a neural model to efficiently simulate and forecast water table levels a few months ahead during the dry season. The neural model is a recurrent multilayer perceptron that learns the relations between inputs (mainly rainfall and pumping discharge) and output (water table level). After a training step using several years of data, the model is assessed on a never seen year to be validated. Particular attention is devoted to the dry season (May\textendashSeptember). The model achieved good forecast of the maximal observed drawdown. To investigate the usefulness of the model as an operational tool, various scenarios of future rainfalls and future pumping are proposed and associated forecasts are analysed. Scenarios are the following: zero-rainfall scenario and mean forecast rainfall 1 week ahead; in both cases, the model proposes accurate estimations of the maximal drawdown. In a second step, pumping scenarios are investigated: a mean pumping scenario during the dry season and the maximum pumping scenario taking into account the actual pumps. One more time, it is demonstrated that the maximal drawdown can be efficiently forecast for the dry season. The methodology is generic and can thus be used with profit by managers on other karst aquifers

Influence of the Initialization ofMultilayer Perceptron for Flash FloodForecasting: Design of a Robust Model

International audienc

Intégration de l’estimation de l’humidité du bassin dans la prévision des crues éclair par apprentissage statistique

International audienc