Recherche d''une politique de gestion des stocks d''eau de barrages-réservoirs en vue de soutenir les étiages : 1. Élaboration d''un modèle alterné annuel apports-déficits

Lack of water supply during periods of deficient flow affects the economic potentiality of the great river valleys which are the most developed areas in the country. Reservoir dams built in the upper stream catchments store excess flow and provide controlled release in the dry season. Capital costs of construction and the consequences of failures justify a thorough study of operating rules.The low flows and conditional variability of availability of water call for carry-over procedures (reservoir capacity is sometimes greater than the mean available water). It is not possible to predict future sequence of flows, thus the carry-over rule is a statistical decision-making tool. The flow data are only one of the very many possible sources of information. But the analysis of flow data provides us with statistical measures to generate long series of synthetic inflows associated with summer deficits.A simplification has been introduced by choosing only the values which are absolutely necessary for optimal management research: available water volumes and reserve volumes for a flow threshold.Yearly alternate periods of excess and deficiency of water are defined by the values above and below a threshold of flow discharge at a location gage named “objective point”, where the reservoir effects are to be estimated. Yearly periods are described by water volumes, either inflows into reservoirs, or deficits below various thresholds of summer flow discharges. Marginal and conditional probability distributions of these volumes and the physical laws which mark their bounds and relationships were estimated on the basis of 31 years of daily flow records.The synthetic simulated series for 1000 years was compared to records of historical levels (since 1863). Extreme events such as sequences of dry years, have return periods of comparable magnitude.This synthetic series has a similar statistical character of short historical series and makes the analysis of operating rules possible.

Résumé

Les moyennes et basses vallées des fleuves ont en général polarisé le développement industriel et agricole, créant ainsi des besoins en eau croissants. L'implantation de barrages-réservoirs dans les hauts bassins peut contribuer à atténuer les graves conséquences de pénuries. Ils emmagasinent l'eau en période d'abondance et la restituent en étiage. L'importance des investissements et les conséquences d'une défaillance justifient une analyse minutieuse des conditions de gestion de ces retenues.L'aménagement du bassin de la Loire (France) prévoit des réservoirs de capacités importantes vis-à-vis des apports annuels moyens. La variabilité liée des étiages et des apports aux réservoirs, conduit à envisager des reports interannuels. La valeur optimale du report a un caractère statistique, en raison de l'indépendance des caractères hydrologiques des années successives.Une simplification a été recherchée, ne comportant que les grandeurs strictement indispensables à la recherche de la gestion optimale: volumes d'apports et volumes de soutien à un seuil de débit. Les périodes d'apports et de déficits sont définies annuellement par le franchissement d'un seuil de débit à la section objectif du soutien. Les états alternés ainsi obtenus sont caractérisés: (1) pour la période d'apports: par les volumes apportés aux divers réservoirs; et (2) pour la période de déficit: par les volumes déficitaires sous différents seuils de débit au point objectif.Les 31 années d'observations de débits dans le bassin ont permis l'estimation des lois de distributions marginales et liées de ces variables, ainsi que des contraintes physiques qui les bornent. Cette analyse a permis l'élaboration d'un modèle de génération simultanée d'apports aux réservoirs et d'étiages dans la vallée. Une série longue de 1000 ans a ensuite été générée par une méthode de Monte-Carlo.Les résultats de la simulation ont été confrontés aux observations historiques de hauteurs d'eau (110 ans). Les événements exceptionnels ont des fréquences d'ordre de grandeur comparable.Cette série synthétique permet d'envisager une analyse de la gestion dégagée du caractère particulier lié à la brièveté de la série historique.     

Utilisation des données d''un radar météorologique pour la simulation des écoulements en rivière à l''aide d''un modèle hydrologique matriciel

A good knowledge of the spatial and temporal distribution of precipitation is required for streamflow forecasting with a mathematical model. Thus, an operational method for correcting and integrating radar and station data with a minimum of operator intervention is under development. A total of 297 CAPPI maps at a height of 2 km have been used, each map representing a 2 h accumulation for 43 rainy days in the summer of 1978.Preliminary results have shown that it is necessary to detect and correct ground clutter as well as echoes coming from anomalous propagation. Thus, an algorithm has been developed to do so. In order to obtain a better idea on the necessity of correcting those echoes and on the efficiency of the algorithm, estimations of the mean areal daily rainfalls on the basin calculated from station data, are compared to estimations computed from (a) raw radar data, (b) radar data corrected with a ground clutter mask, and (c) radar data corrected with the developed algorithm, before and after calibration with station data. Similar comparisons between measured streamflows and streamflows computed by the CEQUEAU model, are presented, except for raw radar data. Actual results show that the identification and correction algorithm behaves very satisfactorily and could permit the operational use of radar data with hydrological models. Moreover, the sensitivity of the calibration factor on the number of meteorological stations is studied. It is shown that a relatively small number of stations may be used to calibrate the radar data. However, this number should be greater for convective than for continuous rain.

Résumé

La prévision des écoulements sur un bassin versant à l'aide d'un modèle mathématique requiert la connaissance de la distribution spatiale et temporelle des précipitations. Pour ce faire, une méthode opérationnelle de correction et d'intégration des images de radar et des données des pluviomètres demandant un minimum d'intervention de l'opérateur est actuellement en cours de développement. Les recherches effectuées jusqu'à maintenant ont porté sur l'étude de 297 images de radar de type CAPPI cumulées sur 2 h à une altitude de 2 km et réparties sur 43 jours pluvieux de l'été 1978.Les premiers résultats obtenus ont vite démontré la nécessité de détecter et de corriger les échos de montagnes et les échos provenant de propagation anormale. Un algorithme a donc été développéà cet effet. Afin de mieux juger de la nécessité de corriger ces échos et de l'efficacité de l'algorithme, des estimations de la pluie moyenne sur le bassin effectuées à l'aide des données aux stations, ont été comparées aux estimations obtenues à l'aide (a) des données de radar brutes, (b) des données de radar corrigées à l'aide d'un masque d'échos de montagnes, et (c) des données de radar corrigées à l'aide de l'algorithme développé, avant et après étalonnage par les données des pluviomètres. Des comparaisons similaires ont été effectuées entre les débits observés et les débits simulés à l'aide du modèle CEQUEAU sauf pour les données de radar brutes. Les résultats obtenus démontrent que l'algorithme d'identification et de correction développé se comporte de façon très satisfaisante et pourrait permettre d'utiliser de façon opérationnelle des données de radar avec un modèle hydrologique. De plus, une étude de la sensibilité du coefficient d'étalonnage en fonction du nombre de stations météorologiques utilisées indique qu'un nombre relativement restreint de stations peut être utilisé pour étalonner les données de radar. Toutefois, ce nombre doit être plus élevé pour un épisode de pluie convective que pour un épisode de pluie continue.     

Utilisation de la radio-magnétotellurique pour la reconnaissance en site aquatique

The radio-magnetotelluric method (Radio-MT) can be operated in water tanks to an adaptation of the electric field transducer. Measurements are very easy to carry out: the set of transducers (electric and magnetic field transducers) is towed on a raft behind a boat. The small dimension of the system makes it possible to perform resistivity profiling across rivers and thus to assess lateral variations of the underground proprieties across the watercourse with a better accuracy than is possible with the direct current prospecting method where the total length of the measurement array is over about 200 m. With the latter method only profiles parallel to the watercourse are possible if the river is not wider than a few hundred metres. This means that the two methods are complementary.We have performed several experiments and survey campaigns with this new method. With one of them, we have compared the resistivity results obtained by both methods along a 7 km long profile. The second survey campaign has helped to understand the geological structure of the surroundings of a river across which a dam construction is planned. Lastly, we have carried out resistivity measurements along the same profile, some 50 m long, three times, in a lake with three different water depths: dry lake, and waterdepths of 30 cm and 1 m. With this comparison we have been able to experimentally confirm the theoretical modelling of the effect of water on the Radio-MT resistivity measurements.The applications of Radio-MT in water are the same as those of DC prospecting: geological surveying and survey of the sediment on the water floor (mud, sands and gravels). Of course, unlike DC resistivity prospecting, Radio-MT cannot be used at sea where the skin depth of the electromagnetic waves is too small.

Résumé

La radio-magnétotellurique (Radio-MT) peut être mise en œuvre dans l'eau grâce à l'adaptation du capteur de champ électrique. Les mesures sont très simples: il suffit de remorquer l'ensemble des deux capteurs (de champ électrique et de champ magnétique) sur un flotteur derrière un bateau. Le faible encombrement du matériel permet de réaliser des profils de résistivité apparente en travers des cours d'eau et donc d'évaluer, avec une meilleure précision qu'en prospection électrique par courant continu, les variations des propriétés du sous-sol en travers de la rivière. En effet, en courant continu la longueur totale d'un dispositif est au minimum de 200 m et seuls les profils en long sont possibles si le cours d'eau étudié a une largeur inférieure à quelques centaines de mètres. En revanche, en Radio-MT, les sondages ne sont pas possibles, ce qui rend les deux méthodes complémentaires.Nous avons effectué plusieurs expérimentations et campagnes de reconnaissance avec cette nouvelle méthode: L'une a consisté à comparer le long d'un profil de 7 km les mesures obtenues avec les deux méthodes. La deuxième campagne de reconnaissance a aidé à comprendre la structure géologique détaillée dans l'environnement d'une riviére où la construction d'un barrage est projetée. Enfin, nous avons réalisé trois fois le même profil de 50 m de long sur un lac avec trois profondeurs d'eau différentes: lac à sec, 30 cm et 1 m d'eau environ. Nous avons pu ainsi confirmer expérimentalement les résultats de la modélisation théorique concernant l'effet de la couche d'eau sur les mesures.Les applications de la Radio-MT en site aquatique sont les mêmes que celles de la prospection électrique par courant continu: reconnaissance géologique, étude du sédiment formant le fond des cours d'eau (vase, sables, graviers). Naturellement, contrairement au courant continu, la Radio-MT n'est pas applicable en mer où la profondeur de pénétration des ondes électromagétiques est trop faible.