Note publique d'information : La méthode SCHADEX (Simulation Climato-Hydrologique pour l'Appréciation des Débits
EXtrêmes) est, depuis 2007, la méthode de référence pour le calcul de la crue de projet
servant au dimensionnement des évacuateurs des barrages d'EDF (Électricité De France).
Cette méthode vise à estimer les quantiles extrêmes de débits par un procédé de simulation
stochastique qui combine un modèle probabiliste de pluie et un modèle hydrologique
pluie-débit. L'objectif principal de cette thèse est la « validation » de la méthode
SCHADEX, la compréhension de ses possibilités et de ses limites, notamment par des
études de sensibilité aux hypothèses sous-jacentes et par sa confrontation à la plus
large gamme possible d'observations (régions et climats contrastés, taille variable
de bassins versants). La première étape de ce travail a porté sur la description probabiliste
des événements pluvieux générateurs de crues, avec notamment l'introduction d'une
distribution des pluies observées conditionnée par type de temps (distribution MEWP,
Multi-Exponential Weather Patterns). Pour valider ce modèle probabiliste, nous avons
comparé ses résultats à ceux de modèles classiques de la théorie des valeurs extrêmes.
En nous appuyant sur une large base de données de stations pluviométriques (478 postes
localisés en France, Suisse et Espagne) et sur une technique de comparaison orientée
vers les valeurs extrêmes, nous avons évalué les performances du modèle MEWP en soulignant
la justesse et la robustesse de ses estimations. Le procédé de simulation hydrologique
des volumes écoulés suite à des événements pluvieux intenses (processus de simulation
semi-continue) a été décrit en soulignant son caractère original et parcimonieux du
point de vue des hypothèses d'extrapolation nécessaires, et sa capacité à extraire
le maximum d'information des séries chronologiques traitées. En nous appuyant sur
une base de données de 32 bassins versants, nous avons analysé la sensibilité de cette
méthode (i) à ses paramètres de simulation (i.e. nombre de tirages, etc.), (ii) au
modèle probabiliste de pluie et (iii) au modèle hydrologique pluie-débit. Cette étude
nous a permis de figer certains paramètres de simulation et surtout de hiérarchiser
les étapes et les options de simulation du point de vue de leurs impacts sur le résultat
final. Le passage des quantiles extrêmes de volumes à ceux des débits de pointe est
réalisé par un facteur multiplicatif (coefficient de forme), identifié sur une collection
d'hydrogrammes. Une sélection de ces hydrogrammes par une approche semi-automatique,
basée sur une technique d'échantillonnage sup-seuil, a été développée. Globalement,
ce travail a permis de reformuler, justifier et vérifier les hypothèses de base de
la méthode, notamment celles liées à l'aléa pluviométrique ainsi qu'à l'aléa « état
hydrique » du bassin versant, et celles liées au procédé de simulation hydrologique
semi-continue des écoulements. Des améliorations et des simplifications de certains
points de la méthode ont aussi été proposées pour des estimations de débit extrêmes
plus fiables et robustes. Une adaptation de la classification des journées par type
de temps a été proposée pour étendre le calendrier de référence, de 1953-2005 à 1850-2003,
en exploitant des informations simplifiées sur les champs de pression. La procédure
de simulation hydrologique a été améliorée, notamment en conditionnant le tirage des
épisodes pluvieux au type de temps, ce qui permet de mieux prendre en compte la dépendance
pluie- température. Ces travaux ne mettent certainement pas un point final au développement
de la méthode SCHADEX mais la fondent sur des bases méthodologiques saines et documentées.
Ils proposent des perspectives de recherche sur des thématiques variées (e.g. prise
en compte de variabilité de la forme des hydrogrammes de crue pour le passage au débit
de pointe, modélisation hydrologique, estimation de crues extrêmes en bassins non
jaugés ou en contexte non-stationnaire).
Note publique d'information : Since 2007, EDF (Électricité de France) design floods of dam spillways are computed
using a probabilistic method named SCHADEX (Climatic-hydrological simulation of extreme
foods). This method aims at estimating extreme flood quantiles by the combination
of a weather patterns based rainfall probabilistic model and a conceptual rainfall-runoff
model. The aim of this PhD thesis is to “validate” SCHADEX method by assessing its
potential and its limits with a sensitivity analysis of its hypothesis and with a
comparison to the widest possible range of data (various regions and climates, different
watershed sizes). In the first part of this thesis we describe the stochastic generation
process of rainfall events. We introduce a rainfall probabilistic model based on weather
pattern classification, called MEWP (Multi-Exponential Weather Pattern) distribution.
To validate the MEWP model, we compare it to the standard probabilistic models of
extreme values theory. Basing on a wide rainfall dataset (478 raingauges located in
France, Switzerland and Spain) and on new specific criteria, we evaluate the suitability
of MEWP model in terms of reliability and robustness. In the second part of this work,
the hydrological simulation process of volumes, called semi-continuous simulation
process, is introduced. We highlight the efficiency and the originality of this process
link to its ability to mix various hydrological data for extreme flood estimation
while keeping parsimonious extrapolation hypothesis. Basing on a dataset of 32 watersheds,
we realize a sensitivity analysis of this process to (i) simulation parameters (i.e.
number of simulation, etc.), (ii) to rainfall probabilistic model and (iii) to rainfall-runoff
model. This study allows us to fix some simulation parameters and especially to prioritize
the simulation steps and options by their impact on final results. The third part
is about the passage from extreme volumes quantiles to extreme peak flows quantiles
that is done by a peak flows ratio. This ratio is computed on a hydrograms sample
that is extract from flood time series by a specific peak over threshold sub-sampling
developed in this thesis. Globally, we reformulate, justify and verify the basic assumptions
of the method, with a special focus on rainfall risk, hydrological risk and semi-continuous
simulation process. In order to make extreme flood estimations more reliable and robust
same improvements and simplifications of the method are proposed. To widen the available
period of the weather pattern classification from 1953-2005 to 1850-2003, we computed
another weather pattern classification based on shade geopotential information. To
take into account precipitation-temperature dependency, the simulation process is
improved conditioning the generation of rainfall events by weather pattern sub-sampling.
Certainly this thesis does not put the end to SCHADEX method developments but ground
it on sound and documented basis. Such future investigations about variability of
shape flood hydrograms, comparison of hydrological model in extrapolation domain,
extreme flood risk estimation on ungauged watershed and in non-stationary context,
are planned.