Multi-criteria assessment of the Representative Elementary Watershed approach on the Donga catchment (Benin) using a downward approach of model complexity

International audienceThis study is part of the AMMA – African Multidisciplinary Monsoon Analysis – project and aims at a better understanding and modelling of the Donga catchment (580 km2, Benin) behaviour. For this purpose, we applied the REW concept proposed by Reggiani et al. (1998, 1999), which allows the description of the main local processes at the sub-watershed scale. Such distributed hydrological models, which represent hydrological processes at various scales, should be evaluated not only on the discharge at the outlet but also on each of the represented processes and in several points of the catchment. This kind of multi-criteria evaluation is of importance in order to assess the global behaviour of the models. We applied such multi-criteria strategy to the Donga catchment (586 km2), in Benin. The work is supported by a strategy of observation, undertaken since 1998 consisting in a network of 20 rain gauges, an automatic meteorological station, 6 discharge stations and 18 wells. The first goal of this study is to assess the model ability to reproduce the discharge at the outlet, the water table dynamics in several points of the catchment and the vadose zone dynamics at the sub-catchment scale. We tested two spatial discretisations of increasing resolution. To test the internal structure of the model, we looked at its ability to represent also the discharge at intermediary stations. After adjustment of soil parameters, the model is shown to accurately represent discharge down to a drainage area of 100 km2, whereas poorer simulation is achieved on smaller catchments. We introduced the spatial variability of rainfall by distributing the daily rainfall over the REW and obtained a very low sensitivity of the model response to this variability. Our results suggest that processes in the unsaturated zone should first be improved, in order to better simulate soil water dynamics and represent perched water tables which were not included in this first modelling study

Contribution au développement d'une modélisation hydrologique distribuée. Application au bassin versant de la Donga, au Bénin

In the aim of the development of the distributed, physically-based hydrological model POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental and socio-economic Responses), test and validation of the various modules should be conducted separately before incorporating them into the modelling structure. The preliminary version of POWER, called REW_V4.0 (Reggiani et al. 1998, 1999), was applied to the Donga catchment, Benin, in the context of the international program AMMA (Multidisciplinary Analysis of the African Monsoon). Data analysis allow to evaluate, in this particular modelling system, the representation of intermediate discharge, the evolution of the groundwater level, the evolution of the degree of soil saturation and then the improvement of the simulation when taking into account the spatial variability of rainfalls or soil properties. In order to improve the process representation into the POWER modelling system, a vadose zone module was developed and validated to represent more physically the vertical water transfers in the unsaturated zone. This module allows a quick resolution of the 1D Richards' equation (1931). This module is based on the numerical solution proposed by Ross (2003). Interception, transpiration and roots extraction phenomenon were added to the numerical solution in order to take into account soil surface covered by vegetation. The POWER application, with the vadose zone module developed would allow us to answer some questions raised by the REW_v4.0 model.Dans le cadre du développement du modèle hydrologique distribué et à base physique POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental and socio-economic Responses), le test et la validation des différents modules doivent être menés avant de les agréger ensemble dans leur structure commune. Le travail de thèse s'inscrit dans cette démarche. La version préliminaire de POWER, nommée REW_v4.0 (Reggiani et al. 1998, 1999), a été mise en place pour une modélisation du bassin versant de la Donga, située au Bénin dans le cadre du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine). Cette modélisation permet de représenter de façon spatialisée l'ensemble des processus dominants du cycle de l'eau. L'analyse des données disponibles sur le bassin versant permet d'évaluer dans ce type de modélisation, la représentation des débits intermédiaires, la représentation d'autres grandeurs telles que l'évolution de la hauteur de nappe ou la saturation du sol, puis l'apport de la variabilité spatiale de la pluie par rapport à une pluie uniforme sur le bassin ou l'apport de la variabilité spatiale des propriétés sols. Dans le but d'améliorer la représentation des processus au sein du modèle POWER, un module de transferts verticaux dans la zone non saturée a été développé et validé. Ce module permet la résolution rapide de l'équation de Richards (1931) 1D selon la solution numérique de Ross (2003) dans laquelle ont été inclus les phénomènes d'interception, de transpiration et d'extraction racinaire. L'application du modèle POWER comprenant le module de zone non saturée ainsi développé devrait permettre de répondre à un certain nombre de questions soulevées dans la mise en oeuvre du modèle REW_v4.0

Evaluation d'une méthode numérique rapide pour la résolution de l'équation de Richards sur sol nu

A new numerical method for solving the 1D Richard's equation has been proposed by P. Ross (Agronomy J., 2003, in press). The Kirchhoff transform or degree of saturation is used instead of the classical matrix potential. The solution can be used both for saturated or non saturated soils. Hydraulic properties are described using the Brooks and Corey model. The soil is discretized into layers. Their thickness can be larger than in classical matrix potential methods, due to the use of a time and space varying weighing procedure for the calculation of fluxes between layers. This allows the use of a non iterative procedure, ensuring a very fast numerical solution. The accuracy of such solution was tested on bare soil in the present study. The new solution was compared with that of the SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer), a Soil Vegetation Atmosphere Transfer model, well calibrated and validated on several data sets. SiSPAT provides an iterative and accurate "reference solution" of coupled heat and water transfer equations. Five different soil types were chosen, some composed of several layers, in order to cover a wide range of hydraulic properties. Three climate forcings made of rain and evaporation cycles were used as boundary conditions. Dry and humid initial conditions were also compared.It appears that the new method is very fast compared to the computational time required by SiSPAT (several minutes): it takes less than a second to run a 500h simulation. Furthermore, water content variations in the different layers are accurately represented. Numeric results are very similar to those obtained with SiSPAT: relative errors on evaporation, drainage, ponding and water content are about 2%. The major differences are encountered for the surface layer, in relation with different calculations of the surface flux (infiltration or evaporation). The robustness, speed and accuracy of the solution open perspectives for the use of the Richard's equation into larger scale watershed models.Une nouvelle méthode de résolution de l'équation de Richards 1D a été proposée par P. Ross (Agronomy Journal, sous presse). Le potentiel de Kirchhoff ou le degré de saturation sont utilisés au lieu du traditionnel potentiel matriciel. La solution peut être utilisée pour les sols saturés ou non. Les propriétés hydrodynamiques sont décrites par le modèle de Brooks et Corey. Le sol est discrétisé en couches. Leur épaisseur peut être plus grande que pour les méthodes classiques utilisant le potentiel matriciel, grâce à l'utilisation d'une méthode de pondération spatialisée des conductivités hydrauliques pour le calcul des flux entre couches. On peut alors utiliser des procédures non itératives, ce qui assure une résolution numérique très rapide. La précision de cette solution a été testée pour sol nu dans cette étude. La nouvelle méthode a été comparée avec les résultats du modèle SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer), un modèle de transfert entre le sol, la végétation et l'atmosphère déjà validé sur de nombreux jeux de données. SiSPAT fournit une solution de référence précise des équations couplées de transfert d'eau et de chaleur. On a choisi cinq types de sol, certains formés de plusieurs horizons afin de couvrir une large gamme de propriétés hydrodynamiques. Trois forçages climatiques composés de cycles de pluie puis d'évaporation ont été utilisés comme conditions à la limites. Des conditions initiales humides et sèches ont aussi été comparées. La nouvelle méthode s'est révélée très rapide comparée aux temps de calcul requis par SiSPAT. Quelques secondes sont nécessaires pour une simulation de 500 h, contre quelques minutes pour siSPAT. De plus, l'évolution temporelle des teneurs en eau dans les différentes couches est simulée de manière précise. Les résultats sont très proches de ceux simulés par SiSPAT avec des erreurs relatives de l'ordre de 2% pour l'évaporation, le drainage, le "ponding" et les teneurs en eau. On trouve les différences les plus importantes pour la couche de surface, liées à des modes de calcul différents du flux à la surface (infiltration ou évaporation). La robustesse, la rapidité et la précision de la solution ouvrent de larges perspectives pour son utilisation dans des modèles hydrologiques de bassins versants

Développement et évaluation d'une solution numérique efficace de l'équation de Richards incluant l'extraction racinaire des plantes

International audienceFrom the non iterative numerical method proposed by Ross (2003) for solving the 1D Richards' equation, an unsaturated zone module for large scale hydrological model is developed by the inclusion of a root extraction module and a formulation of interception. Two root water uptake modules, first proposed by Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001), were included as the sink term in the Richards' equation. They express root extraction as a linear function of potential transpiration and take into account water stress and a compensation mechanism allowing water to be extracted in wetter layers. The vadose zone module is tested in a systematic way with synthetic data sets covering a wide range of soil characteristics, climate forcing, and vegetation cover. A detailed SVAT model providing an accurate solution of the coupled heat and water transfer in the soil and the surface energy balance is used as a reference. The accuracy of the numerical solution using only the SVAT soil module, and the loss of accuracy when using a potential evapotranspiration instead of solving the energy budget are both investigated. The vadose zone module is very accurate with errors of less than a few percent for cumulative transpiration. Soil evaporation is less accurately simulated as it leads to a systematic underestimation of soil evaporation amounts. The Lai and Katul (2000) module is not adapted for sandy soils, due to a weakness in the compensation term formulation. When using a potential evapotranspiration instead of the surface energy balance, we evidenced a difference in partitioning the energy between the soil and the vegetation. A Beer-Lambert law is not able to take into account the complex interactions at the soil-vegetation-atmopshere interface. However, under field conditions, the accuracy of the vadose zone module is satisfactory provided that a correct crop coefficient could be defined. As a conclusion the numerical method proposed by Ross (2003) coupled with the Li et al. (2001) root extraction module provides an efficient and accurate solution for inclusion as a physically-based infiltration-evapotranspiration module into larger scale watershed models

Comparaison de modules d`extraction racinaires dans les modèles TSVA s`appuyant sur une transpiration potentielle ou résolvant le bilan d`énergie en surface

International audienceNumerical models simulating changes in soil water content with time rely on accurate estimation of root water uptake. This paper considers two root water uptake modules that have a compensation mechanism allowing for increase root uptake under conditions of water stress. These models, proposed by Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001) use a potential transpiration weighted, for each soil layer, by a water stress and a compensation function in order to estimate actual transpiration. The first objective of the paper was to assess the accuracy of the proposed root extraction models against two existing data sets, acquired under dry conditions for a winter wheat and a soybean crop. In order to perform a fair comparison, both modules were included as possible root water extraction modules within the Simple Soil Plant Atmosphere Transfer (SiSPAT) model. In this first set of simulations, actual transpiration was calculated using the solution of the surface energy budget as implemented in the SiSPAT model. Under such conditions, both root extraction modules were able to reproduce accurately the time evolution of soil moisture at various depths, soil water storage and daily evaporation. Results were generally improved when we activated the compensation mechanisms.When water balance models are run at larger scales or on areas with scarce data, actual transpiration is often calculated using models based on potential transpiration without solving the surface energy balance. The second objective of the paper was to assess the loss of accuracy in such conditions for the Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001) models. For this purpose we compared results from the SiSPAT model solving the surface energy balance with those of a degraded version where only potential evapotranspiration was imposed as input data. We found that actual transpiration and evapotranspiration were in general underestimated, especially for the Lai and Katul (2000) model, when we used the potential evapotranspiration as calculated from FAO standards. The use of crop coefficients improved the simulation although standard values proposed by the FAO were too small. The definition of the potential evapotranspiration was the major source of error in simulating soil moisture and daily evaporation rather than the choice of the root extraction models or the inclusion of a compensation mechanism. When used for water management studies, a sensitivity to the definition of potential evapotranspiration used to run the models is therefore advisable.Les modèles numériques simulant les variations du contenu en eau des sols dépendent d`une estimation précise de l`extraction racinaire. Cet article considère deux modules d`extraction racinaire, comprenant un mécanisme de compensation permettant une extraction racinaire accrue en cas de stress hydrique. Ces modèles, proposés par Lai and Katul (Adv. Wat. Res., 23, 2000) and Li et al. (J. Hydrol., 252, 2001) utilisent une évapotranspiration potentielle, pondérée, pour chaque couche, par une function de stress et une fonction de compensation, afin d`estimer la transpiration réelle. Le premier objectif de cet article était d`évaluer la précision de ces modules d`extraction racinaire par comparaison avec deux jeux de données, acquis dans des conditions de stress hydrique pour un blé d`hiver et un champ de soja. Afin de les comparer dans les mêmes conditions, les deux modules ont été introduits comme modules d`extraction racinaire dans le modèle SiSPAT. Dans ce premier jeu de simulations, la transpiration réelle était calculée à partir de la résolution du bilan d`énergie de surface. Dans ces conditions, les deux modules se sont montrés capables de reproduire avec précision les évolutions temporelles de la teneur en eau des sols à différentes profondeurs, le stock d`eau dans le sol et l`évaporation journalière. Les résultats étaient en général meilleurs quand on prenait en compte le mécanisme de compensation. Quand les modèles de bilan hydrique sont utilisés à grande échelle ou sur des zones avec peu de données, la transpiration réelle est souvent estimée à partir d`une transpiration potentielle, sans résoudre le bilan d`énergie. Le second objectif de cet article était de quantifier la perte de précision dans de telles conditions pour les modules de Lai et Katul (2000) et Li et al. (2001). Pour cela, nous avons comparé les résultats de SiSPAT, résolvant le bilan d`énergie, avec ceux d`une version dégradée où on ne considérait qu`une transpiration potentielle en entrée des modules d`extraction racinaire. Nous avons obtenu une sous-estimation de la transpiration réelle, plus particulièrement pour le modèle de Lai et Katul (2000), lorsque nous utilisions une evapotranspiration potentielle calculée selon la méthode de la FAO. L`utilisation de coefficients culturaux permet d`améliorer les résultats, même si les valeurs standard proposées par la FAO étaient trop faibles. La définition de l`évapotranspiration potentielle apparaît donc comme la source majeure d`incertitude pour la simulation de l`évolution du contenu en eau du sol et de l`évapotranspiration journalière, par rapport au choix du module d`extraction racinaire ou d`un mécanisme de compensation. Quand l`évapotranspiration potentielle est utilisée pour des études de bilan en eau, une étude de sensibilité à sa valeur de est donc recommandée

Développement et évaluation d'une méthode numérique rapide pour la résolution de l'équation de Richards incluant l'extraction racinaire par les plantes

A new numerical method for solving the 1D Richard's equation has been proposed by P. Ross (Agronomy J., 2003, in press). The Kirchhoff transform or degree of saturation is used instead of the classical matrix potential. The solution can be used both for saturated or non saturated soils. Hydraulic properties are described using the Brooks and Corey model. The soil is discretized into layers. Their thickness can be larger than in classical matrix potential methods, due to the use of a time and space varying weighing procedure for the calculation of fluxes between layers. This allows the use of a non iterative procedure, ensuring a very fast numerical solution. Extensive tests showed that the new method was very accurate for bare soils. The next step was the addition of a root extraction module in order to account for plant transpiration. Two root water uptake modules with compensation mechanisms in case of water stress were chosen from the literature. They express the transpiration source term in the Richards equation as a linear function of a potential transpiration and take into account water stress and its effects on plant transpiration. These modules were proposed first by Lai and Katul (Adv. Water Resour., 2000) and Li et al. (J. Hydrol., 2001).The new version of the model has been tested in a systematic way with several soils characteristics, climate forcings, and evapotranspiration calculation. Like the tests without vegetation, the SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer) model was considered as a reference after implementation of the same roots modules. The numerical solution was also tested using a soybean data set. The variations and the cumulative values like drainage, water content, real transpiration and real evapotranspiration were in a good agreement with the SiSPAT modelling, with a relative error of less than 3%. The error on soil evaporation remained important (about 20%) on low cumulative values (less than 20mm), i.e. when LAI was close to 5; but was generally less than 10%.Une nouvelle méthode de résolution de l'équation de Richards 1D a été proposée par P. Ross (Agronomy Journal, sous presse). Le potentiel de Kirchhoff ou le degré de saturation sont utilisés au lieu du traditionnel potentiel matriciel. La solution peut être utilisée pour les sols saturés ou non. Les propriétés hydrodynamiques sont décrites par le modèle de Brooks et Corey. Le sol est discrétisé en couches. Leur épaisseur peut être plus grande que pour les méthodes classiques utilisant le potentiel matriciel, grâce à l'utilisation d'une méthode de pondération spatialisée des conductivités hydrauliques pour le calcul des flux entre couches. On peut alors utiliser des procédures non itératives, ce qui assure une résolution numérique très rapide. Des tests exhaustifs ont permis de montrer la précision et la robustesse de la méthode sur sol nu. L'étape suivante a été d'y adjoindre un module d'extraction racinaire afin de tenir compte de la transpiration par les plantes. Deux modules d'extraction racinaire possédant un mécanisme de compensation tirés de la littérature (Lai and Katul (Adv. Water Resour., 2000) et Li et al. (J. Hydrol., 2001)) ont été choisis. Ils expriment le terme puits racinaire dans l'équation de Richards comme une fonction linéaire de la transpiration potentielle et prennent en compte le stress hydrique et son effet sur la transpiration. La nouvelle version du modèle a été testée de manière systématique avec différentes propriétés hydrodynamiques du sol, différents forçages climatiques et différents modes de calcul de l'évapotranspiration. Comme les tests pour sol nu, le modèle SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer) a été utilisé comme modèle de référence après y avoir implantés les mêmes modules d'extraction racinaire. On a aussi utilisé un jeu de données sur soja. L'évolution temporelle des variables calculées ainsi que les valeurs cumulées du drainage, de la transpiration réelle et de l'évaporation du sol étaient en bon accord avec les valeurs issues de SiSPAT, avec une erreur relative inférieure à 3%. L'erreur sur l'évaporation du sol était plus importante (autour de 20%) pour des faibles valeurs du cumul (moins de 20mm), lorsque le LAI était proche de 5, mais était en général inférieure à 10%

Multi-criteria assessment of the Representative Elementary Watershed approach on the Donga catchment (Benin) using a downward approach of model complexity

This study is part of the AMMA - African Multidisciplinary Monsoon Analysis- project and aims at a better understanding and modelling of the Donga catchment (580 km2, Benin) behaviour in order to determine its spatially distributed water balance. For this purpose, we applied the REW concept proposed by Reggiani et al. (1998, 1999), which allows the description of the main local processes at the sub-watershed scale. Such distributed hydrological models, which represent hydrological processes at various scales, should be evaluated not only on the discharge at the outlet but also on each of the represented processes and in several points of the catchment. This multi-criteria approach is required in order to assess the global behaviour of hydrological models. We applied such multi-criteria strategy to the Donga catchment (586 km2), in Benin. The work was supported by an observation set up, undertaken since 1998 consisting in a network of 20 rain gauges, an automatic meteorological station, 6 discharge stations and 18 wells. The main goal of this study was to assess the model's ability to reproduce the discharge at the outlet, the water table dynamics in several points of the catchment and the vadose zone dynamics at the sub-catchment scale. We tested two spatial discretisations of increasing resolution. To test the internal structure of the model, we looked at its ability to represent also the discharge at intermediate stations. After adjustment of soil parameters, the model is shown to accurately represent discharge down to a drainage area of 100 km2, whereas poorer simulation is achieved on smaller catchments. We introduced the spatial variability of rainfall by distributing the daily rainfall over the REW and obtained a very low sensitivity of the model response to this variability. Simulation of groundwater levels was poor and our results, in conjunction with new data available at the local scale, suggest that the representation of the processes in the unsaturated zone should first be improved, in order to better simulate soil water dynamics and represent perched water tables which were not included in this first modelling study

Une discrétisation du bassin versant à plusieurs niveaux dans le modèle hydrologique POWER

Within a distributed hydrological modelling, the discretisation of the watershed is often performed using a regular rectangular grid, which is not appropriated for correctly representing the surface heterogeneities and the hydrological processes that take place at different spatial and temporal scales. In order to better take into account the surface and subsurface properties of the catchment, two discretisation levels have been implemented in the POWER (Planner Oriented Watershed model for Environmental Responses) hydrological model. First, the watershed is divided into a series of elementary independent sub-basins, which are called the Representative Elementary Watersheds (REWs), on the basis of a Digital Terrain Model analysis. The number of REWs is determined as a function of the Strahler (1957) order. Following the approach by Reggiani et al. (Adv. Water Res., 1998, 1999 and Wat. Res. Res., 2000), the conservation equations for mass, momentum and energy may be averaged within each REW. Hence, each REW is considered to be the basic unit for modelling the stream flow network and the regional aquifer. For the modelling of the unsaturated/saturated water flow, a subsequent discretisation is performed and each REW is subdivided into a series of irregular vertical columns called the Representative Elementary Columns (RECs). The RECs are determined by the analysis and the classification of a series of superimposed GIS layers such as land use, soil texture and infrastructure maps. They constitute irregular volumes, subdivided into a fixed number of soil layers with different textural and/or structural properties. Infiltration, soil evaporation, plant transpiration and interception, surface ponding and leaching are modelled at the REC scale using a modified, efficient and accurate solution of the Richard's equation proposed by Ross (Agronomy J., 2003, in press) The same routine is applied to calculate the lateral surface and subsurface fluxes between adjacent RECs and the vertical water content redistribution within a REC. The link between RECs and REWs is provided by a weighted average of the RECs fluxes over a REW.An application of these two levels of discretisation to real hydrological basins will be presented.Dans un modèle hydrologique distribué, la discrétisation du bassin est souvent réalisée à l'aide d'une grille régulière, qui n'est pas appropriée pour représenter correctement les hétérogénéités de la surface et les processus hydrologiques qui ont lieu à des échelles d'espace et de temps différentes. Afin de mieux prendre en compte des propriétés de la surface et de la sub-surface dans un bassin, deux niveaux de discrétisation sont considérés dans le modèle hydrologique POWER ((Planner Oriented Watershed model for Environmental Responses). Tout d'abord, le bassin est divisé en une série de sous-bassins élémentaires, appelés les Representative Elementary Watersheds (REWs) à partir d'un modèle numérique de terrain. Le nombre de sous-bassins est déterminé par choix de l'ordre de Strahler (1957) retenu pour le découpage. Selon l'approche de Reggiani et al. (Adv. Water Res., 1998, 1999 and Wat. Res. Res., 2000), les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie peuvent être moyennées sur chaque REW. Dans POWER, chaque REW est, pour l'instant, considérée comme l'unité de base pour la modélisation des écoulements dans la rivière et dans la nappe. Pour la modélisation des flux dans la zone saturée-non saturée, un second niveau de discrétisation est réalisé à l'intérieur de chaque REW. Ce dernier est divisé en colonnes verticales, aux formes irrégulières, appelées les Representative Elementary Columns (RECs). Ces dernières sont déterminées par l'analyse et la classification d'une séries de couches de SIG superposées telles que l'occupation des sols, la texture du sol et l'infrastructure. Elles constituent des volumes irréguliers, subdivisés en un même nombre de couches aux propriétés texturale et/ou structurales qui peuvent être différentes. L'infiltration, l'évaporation du sol, la transpiration des plantes et l'interception, la saturation de la surface et les transferts de polluants sont modélisés à l'échelle du REC à partir d'une méthode numérique de l'équation de Richards rapide et précise (Ross, Agronomy Journal, 2003, in press). La même routine est utilisée pour calculer les écoulements latéraux et les écoulements de subsurface entre RECs voisins et la redistribution verticale à l'intérieur d'un même REC. Le lien entre les RECs et les REWs se fait par calcul de moyenne pondérée des flux sur l'ensemble des REWs

L'outil de modélisation hydrologique spatialisée Power : concepts scientifiques et insertion dans une plate-forme de modélisation intégrée

L'outil de modélisation hydrologique POWER est en cours de développement, en partenariat entre le Cemagref, le LTHE et Hydrowide. L'objectif des travaux en cours est d'évaluer la pertinence de la représentation du système hydrologique dans POWER. Contexte : Les gestionnaires de ressources en eau à l'échelle d'un bassin versant disposent actuellement d'une solution de modélisation hydrologique dite globale et d'une solution de modélisation hydrologique dite distribuée ou spatialisée. Si la première est simple à mettre en oeuvre, elle fait abstraction des processus physiques qui se déroulent sur un bassin versant. Elle présente vite des limites en cas de modification du paysage (occupation du sol, climat etc.). Un re-calibrage du modèle est alors nécessaire et ces modélisations sont difficilement utilisables sur des bassins non jaugés. La seconde solution intègre l'hétérogénéité spatiale du paysage dans la modélisation. Toutefois, les outils disponibles posent également un certain nombre de difficultés à l'utilisation. Un trop grand nombre de paramètres est en effet souvent nécessaire à la mise en oeuvre de la solution. L'adéquation entre l'échelle de représentation des processus et les échelles où ces processus sont fonctionnelles est aussi une question majeure dans ces modèles. D'autres part, plusieurs combinaisons de paramètres peuvent produire le même résultat. Tous ces éléments induisent donc pas mal d'incertitudes sur les résultats de ces modèles spatialisées. Dans ce contexte, Reggiani et al (1998, 1999) ont proposé un cadre de représentation des systèmes hydrologiques qui essaie de limiter le nombre de paramètres tout en proposant une approche unifiée pour les différents processus. Ce sont ces approches qui ont sous-tendu le développement de l'outil de modélisation POWER. Concepts scientifiques de l'outil de modélisation POWER : Le cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques proposé par Reggiani et al (1998, 1999) repose sur deux principes essentiels : · Une discrétisation spatiale du bassin versant en sous bassins versant (REW), et la définition de cinq zones d'écoulement ou volumes de contrôle au sein des REW (Zone Non Saturée, Zone Saturée, Surface Non Saturée, et Rivière). La formulation des équations de conservation, moyennées à l'échelle des volumes de contrôle. Dans l'outil de modélisation POWER une formulation plus fine des zones d'écoulement au sein des REW est proposée, à travers l'intégration de deux niveaux supplémentaires de discrétisation : (1) Une discrétisation en REC (colonnes élémentaires de sol), pour la prise en compte de l'hétérogénéité spatiale dans les REW et (2) une discrétisation en CELL (cellules ou horizons) pour la prise en compte de l'hétérogénéité verticale au sein des colonnes élémentaires. Cette formulation conduit à une représentation du bassin versant en objets élémentaires qui interagissent entre eux par des échanges de flux. La problématique de modélisation hydrologique spatialisée est réduite à une recherche des termes d'échange entre zones d'écoulement et à une recherche d'équations de fermeture de bilan. L'implémentation informatique du fonctionnement des systèmes hydrologiques tel qu'il est décrit est réalisée sur une plate forme de modélisation intégrée LIQUID développée par Hydrowide. Description du fonctionnement des systèmes hydrologiques et implémentation sur la plate forme LIQUID. La plate forme de modélisation intégrée LIQUID : La plate forme de modélisation LIQUID est basée sur les principes de la programmation orientée objet. Elle est de ce fait adaptée à la représentation du système hydrologique suivant les concepts présentés ci-dessus. Elle offre également un certain nombre d'avantages pour la modélisation environnementale : · Elle permet une implémentation informatique du bassin versant tel que le conçoit l'hydrologue en raison de sa grande modularité. · Elle repose sur une structure souple permettant de modéliser divers processus à leurs échelles spatio-temporelles propres, et d'assembler différents modèles dans une même plate forme. Sa structure permet de faire une modélisation du paysage "sur mesure". · Elle utilise des principes de modélisation comportementale qui offrent la possibilité à chaque élément du paysage de réagir diversement à des sollicitations multiples. · Elle est dotée d'une fonctionnalité basée sur des interruptions temporelles (Scheduler) pour gérer différents processus à leurs propres échelles de temps sans avoir recours à des interpolations temporelles. · Elle met à la disposition des utilisateurs, un ensemble de bibliothèques utiles dans les applications de modèles environnementaux et physiques. Utilisation de la plate forme LIQUID pour le développement de POWER Cette plate-forme est actuellement utilisée pour la construction de l'outil de modélisation POWER. Précisément, on s'attache à une formulation plus fine des zones d'écoulement dans les REW, à la description du fonctionnement des échanges entres les volumes élémentaires et à l'implémentation sur la plate forme. Une application au bassin versant de la Saône est prévue pour évaluer cet outils de modélisation, à travers une analyse des sorties et des scénarios de changements d'occupation du sol et de modification climatique. Nous présenterons les concepts scientifiques sur lesquels repose l'outil POWER, une brève description de la plate forme de modélisation LIQUID. Une illustration de la construction d'un module pour représenter un système hydrologique et son fonctionnement dans la plate forme sera présentée