Jean-Michel Fallot

The present study introduces the general strategy to implement a hydrological-hydraulic model to simulate flood risk in a high alpine catchment in Switzerland under uncertainty. The hydrological model to be used is based on the Water balance Simulation Model, WASIM-ETH (Schulla et al., 1997), a fully distributed hydrological model that has been successfully used previously in the alpine regions to simulate runoff, snowmelt, glacier melt, and soil erosion and impact of climate change on these. A sound sensitivity analysis is conducted in order to choose the discretization threshold derived from a Laser MNT model, to which the hydrological model yields the best compromise between performance and time computation. The study region is the Vallon de Nant catchment (10 km2) in the Swiss Alps. A previous research done in a low range mountainous catchment in Germany showed that the spatial uncertainty of rainfall is an important factor of uncertainty in the hydrological modelling. Given these findings and given the high variability of the rainfall in alpine catchments, a quite dense network of meteorological stations is used together with a runoff gauge to calibrate the hydrological model. Each step in the hydrological and the flood risk assessment undertakes uncertainty: evaluation of the main sources of uncertainty as well as the evaluation and communication of uncertainty is an important aspect of the proposed methodology. To calibrate the WASIM-ETH model, the Monte Carlo Markov Chain Bayesian approach is privileged (Balin, 2004, Schaefli et al., 2007). The Bayesian approach offers a straightforward way to deal with different sources of uncertainty and is used in the present research study in order to integrate uncertain input data and model structure to estimate parameters and build the hydrologic response of the study catchment and to propagate this for further flood mapping analyses.

ABSTRACT Hazard and risk assessment require, besides good data, good simulation capabilities to allow prediction of events and their consequences. The present study introduces a landslide hazards assessment strategy based on the coupling of hydrological physically based models with slope stability models that should be able to cope with uncertainty of input data and model parameters. The hydrological model used is based on the Water balance Simulation Model, WASIM-ETH (Schulla et al., 1997), a fully distributed hydrological model that has been successfully used previously in the alpine regions to simulate runoff, snowmelt, glacier melt, and soil erosion and impact of climate change on these. The study region is the Vallon de Nant catchment (10km2) in the Swiss Alps. A sound sensitivity analysis will be conducted in order to choose the discretization threshold derived from a Laser DEM model, to which the hydrological model yields the best compromise between performance and time computation. The hydrological model will be further coupled with slope stability methods (that use the topographic index and the soil moisture such as derived from the hydrological model) to simulate the spatial distribution of the initiation areas of different geomorphic processes such as debris flows and rainfall triggered landslides. To calibrate the WASIM-ETH model, the Monte Carlo Markov Chain Bayesian approach is privileged (Balin, 2004, Schaefli et al., 2006). The model is used in a single and a multi-objective frame to simulate discharge and soil moisture with uncertainty at representative locations. This information is further used to assess the potential initial areas for rainfall triggered landslides and to study the impact of uncertain input data, model parameters and simulated responses (discharge and soil moisture) on the modelling of geomorphological processes.

ABSTRACT Variations of temperature, precipitation and snow depths during the last 50-100 years, up to 1984, are investigated for mean cold season values (November to April) for 110 locations in the Former Soviet Union (FSU). Following quality checking, statistical analyses are performed on the data. There is cold season warming after 1953 or after 1966 over almost all the FSU apart from eastern Siberia, but temperature variations significantly affect the mean snow depths only in some sensitive areas of the Caucasus, central Asia, and the western European territory. Mean snow depth time series reveal contrasting local trends. Higher precipitation and snow depths are measured in eastern European Russia from 50° to 65 °N and in some areas of western Siberia at the beginning of the twentieth century. Otherwise, precipitation variations have little influence on the mean cold season snow depths over much of the FSU after 1930. Some predominant periodicities are detected for mean cold season temperature, but not for precipitation and snow depths.

Floods and dam overtopping risks, especially for earth fill dikes, during strong rainfall, preoccupy the authorities since a long time. In Switzerland, to assure a good protection, the extreme floods associated with very low probabilities must be estimated. Their determination is usually based on the statistical extrapolation of data available for long periods of time. The difficulty of this probabilistic method led to adaptation the concept of PMP-PMF (Probable Maximum Precipitation-Probable Maximum Flood) to Swiss conditions. This paper shows how the PMP-PMF method applied without regard the probability associated to the initial conditions of the simulation may lead exceptional flow values that seem unrealistic. A solution is proposed to estimate such probabilities for various initial conditions such as the rain-snow boundary or the wind direction and speed. These occurrence probabilities can then be included in the PMP-PMF calculations to lend more clarity to the likelihood of the extreme conditions that lead to such an event. For example, a very rare initial condition on the terrain could be combined with not so rare rainfall, so that the joint probability will not be too small, and vice-versa. A linear fit is then applied to the various simulation results in logarithmic scale, allowing for the estimation of the return period for extreme floods based on the estimated probability

The extent, and variability of seasonal snow cover are important parameters in the climate system. Changes in snow cover may provide an indicator of global climatic trends and are of considerable practical significance. The question of the most suitable indices of changes in snow cover conditions, in terms of their use for change detection and for monitoring applications, is discussed. The use of passive microwave-derived estimates of snow cover extent and water equivalent for continental and regional-scale mapping is illustrated. Problems in interpreting the microwave signatures, as well as difficulties in comparing such data to ground observations, are also noted. Up to now analyses have focused primarily on trends in Northern Hemisphere snow extent based on monthly averages using the NOAA weekly snow charts 1972-present, or on station data spanning 50-100 years. However, the latter are generally less readily available, or accessible. An overview is provided of current information...

Les constructions en Suisse et en Europe doivent etre dimensionnees pour subir sans dommages des vents extremes (rafales) avec une periode de retour d’au moins 50 ans. Des analyses de Gumbel ont donc ete effectuees sur des series de mesures d’une vingtaine d’annees a 67 endroits de la Suisse, afin de determiner les vitesses extremes des vents pour differents courants regionaux. Elles ont abouti a de bons resultats pour la majorite des endroits. Mais ces vitesses extremes ne peuvent etre extrapolees lineairement aux autres regions dans une topographie aussi accidentee que la Suisse. Un modele numerique tridimensionnel des ecoulements non hydrostatique a ete experimente pour calculer les champs de vent extremes en Suisse avec une resolution horizontale de 2 km et une periode de retour de 50 ans. Ces modelisations ont permis de reproduire de maniere satisfaisante ces vents extremes pour l’ensemble du pays. Toutefois, elles sous-estiment leurs intensites sur les reliefs jurassiens et alpins, comparativement aux vallees alpines et au Plateau Suisse.

Abrité par des chaînes de montagnes élevées, le Valais bénéficie d’un climat plus sec et plus ensoleillé que le reste du pays. Ses vignobles sont influencés par la température de l’air, le gel, les précipitations et l’ensoleillement, des paramètres qui varient d’une région à l’autre et qui ont évolué ces cent dernières années. État des lieux et perspectives liées au réchauffement climatique

L’etude des series pluviometriques faite pour 233 stations en Suisse revele que le nombre de jours avec de fortes precipitations (> 50 mm/jour) a passablement fluctue depuis 1900, mais qu’il a legerement augmente de 1900 a 1980 dans ce pays. Les 6 situations meteorologiques ayant le plus souvent provoque de fortes precipitations ont pu etre identifiees dans les differentes regions de Suisse a partir de la classification de Hess-Brezowsky disponible depuis 1881.

Das Forschungsprogramm CRUEX, welches vor rund 25 Jahren initiert wurde und die Erarbeitung der erforderIichen theoretischen Grund lagen sowie einer allgemein gultigen Methode fur die Abschatzung extremer Hochwasser in Hinsicht auf Talsperrensicherheit zum Ziel hatte, konnte mit dem Projekt CRUEX++ (2012-2017) zu Ende gefuhrt werden. ln diesem Beitrag werden die Resultate des abschliessenden Projekts CRUEX++ und die sich daraus ergebende neue Methode zur Abschatzung extremer Hochwasser mit Hilfe von PMP-PMF-Simulationen und statistischen Ansatzen fur den Sicherheitsnachweis von Talsperren vorgestellt. Die Ermittlung der massgebenden Extremniederschlage im Einzugsgebiet der Talsperre wird dabei mit den speziell fur die Schweiz entwickelten PMP-Karten vorgenommen. Die Vorgehensweise gemass der neuen Methode Cruex++ wird mit einem Anwendungsbeispiel illustrieft, und die Resultate werden mit denen konventionelIer statistischer Methoden verglichen. Dadurch konnen die Vorteile der neuen M...

Les précipitations maximales probables (PMP) représentent les pluies extrêmes les plus élevées raisonnablement possibles (période de retour d'environ 10'000 ans) qui sont notamment utilisées pour dimensionner des barrages contre des crues extrêmes. En Suisse, ces précipitations sont représentées sous forme des cartes avec une résolution horizontale de 2 km. Cet article présente la méthode nécessaire pour utiliser les cartes de type PMP dans le but final d'estimer la crue maximale probable (PMF) pour les barrages. Cette méthode a été développée suite aux problèmes rencontrés avec une application inadéquate des PMP. Ces problèmes peuvent être résolus par la distribution spatio-temporelle des PMP avec une résolution affinée conservant les données physiques. La conception de la méthode de distribution spatio-temporelle des précipitations se base sur la création de champ de pluie. Cette méthode a été validée en s'appuyant sur des évènements extrêmes de type supercellulair...

Extreme flood determination on the alpine basins in Switzerland by the PMP - PMF method. This paper presents a fine scale distributed hydrological model, developed for the estimation of probable maximum flood using either the PMP or extreme precipitation measured in the field. We chose a model of distributed type in order to be able to consider the distribution of rainfall in space and time, as well as the input variables and watershed characteristics. The developed model consists of three main parts. The first part is the distribution of rainfall in space and time ; then in the second part we modeled the flow of water on the surface and underground, including the infiltration and the exfiltration. The third part consists in the modeling of snow melt, based on the calculation of heat transfer. Hydrological models developed for the extreme rainfall of PMP type are difficult to adjust due to lack of data available for these events and the complexity of the terrain. The calculation for two Swiss test watersheds for two episodes of summer storm affects the estimation of model parameters. The results, validated with the Nash equation, show a good correlation between simulated and observed flows, which allows us to use these parameters in the calculation performed to determine the flood hydrograph of PMF type.Cet article présent un modèle hydrologique distribué à une échelle fine, développé pour l'estimation des crues maximales probables utilisent la PMP où de précipitations extrêmes mesurées ponctuellement sur le terrain. Nous avons choisi un modèle de type distribué pour pouvoir tenir compte de la distribution de la pluie dans l'espace et dans le temps, ainsi que des variables d''entrée et de caractéristiques du bassin versant. Le modèle développé est composé de trois grandes parties. La première partie correspond à la distribution de la pluie dans l'espace et dans le temps. La deuxième partie comprend la modélisation de l’eau de surface et dans le sous– sol incluant l’infiltration et l’exfiltration. La troisième partie consiste en la modélisation de la fonte des neiges, basée sur le calcul de transfert de chaleur. Les modèles hydrologiques développés pour les pluies extrêmes de type PMP sont difficiles à paramétrer en raison du manque de données disponibles pour ces événements et de la complexité du terrain. Le calcul effectué pour deux bassins versants test suisses et pour deux épisodes d'orage d'été concerne l'estimation des paramètres du modèle. Les résultats, validés avec l'équation de Nash montrent une bonne corrélation entre les débits simulés et ceux observés, ce qui nous permet de utiliser ces paramètres dans le calcul réalisé pour déterminer les hydrogrammes des crues de type PMF.Receanu Ramona-Georgeta, Hertig Jacques-André, Fallot Jean-Michel. Détermination des crues extrêmes dans les bassins alpins suisses par la méthode PMP-PMF . In: Evénements extrêmes fluviaux et maritimes. Leurs variabilités spatiales et chronologiques dans l'ouest de l’Europe. 34èmes journées de l’hydraulique Paris, 1 et 2 février 2012. 2012

Efficiency of gumbel analyses for determining extreme daily precipitation in Switzerland. Gumbel analyses were carried out on rainfall time-series at 151 locations in Switzerland for 4 different periods of 30 years in order to estimate daily extreme precipitation for a return period of 100 years. Those estimations were compared with maximal daily values measured during the last 100 years (1911-2010) to test the efficiency of these analyses. This comparison shows that these analyses provide good results for 50 to 60% locations in this country from rainfall time-series 1961-1990 and 1980-2010. On the other hand, daily precipitation with a return period of 100 years is underestimated at most locations from time-series 1931-1960 and especially 1911-1940. Such underestimation results from the increase of maximal daily precipitation recorded from 1911 to 2010 at 90% locations in Switzerland.

Les barrages alpins en Suisse doivent etre dimensionnes pour resister a des crues extremes avec un temps de retour d’au moins 10.000 ans. La methode PMP-PMF a ete appliquee pour estimer des pluies et des crues extremes avec un temps de retour aussi eleve. Les PMP ont ete calculees avec un modele atmospherique et un modele de pluie pour plusieurs durees avec une resolution horizontale de 2 km. Ces modeles permettent de reproduire de maniere satisfaisante ces PMP pour l’ensemble du pays lorsqu’on les compare avec les precipitations extremes estimees pour un temps de retour de 500 ans a partir de methodes statistiques. Les PMP calculees par les modeles sont toutefois trop elevees sur plusieurs sommets alpins et trop basses au Sud des Alpes. Malgre ces approximations, elles peuvent etre utilisees pour calculer avec un modele hydrologique approprie des crues de securite avec un temps de retour d’au moins 10.000 ans pour les bassins versants en Suisse ayant une surface inferieure a 230 km2.

This chapter presents the main climate features in Switzerland for several parameters that might influence geomorphological elements and processes. In addition to altitude, the complex topography of Switzerland strongly influences air temperature and frost frequency by favouring cold air accumulation in the bottom of valleys and depressions. The Alps and Jura Mountains also generate cloud accumulations by orographic forcing and foehn effects that strongly influence mean precipitation and snowfall at a local scale. This chapter also presents variations of these climatic parameters in connection with the global climate warming observed in Switzerland for about a hundred years and particularly since the late 1970s as well as some projections for the future.

Ce papier presente une methode empirique pour estimer les chutes de neige moyennes a partir des precipitations et temperatures moyennes mensuelles mesurees sur des periodes de 30 ans par 28 stations climatiques en Suisse. Les chutes de neige ainsi estimees sont assez proches (± 25%) de celles mesurees par ces stations pour 2 periodes etudiees de 31 ans. On peut ainsi estimer assez precisement les chutes de neige moyennes en des endroits ou elles ne sont pas ou plus mesurees si on dispose de donnees pluviometriques et thermiques sur des periodes de 30 ans. On peut egalement faire des projections dans le futur des chutes de neige en Suisse a partir de ces estimations et des previsions des modeles climatiques regionaux effectuees pour les temperatures et precipitations moyennes sur des periodes de 30 ans. Les chutes de neige annuelles devraient diminuer de 35 a 42% au-dessous de 1400 m/mer et de 25 a 35% plus haut en Suisse d’ici a la fin du 21eme siecle.

Les precipitations journalieres extremes centennales ont ete estimees a partir de six lois statistiques differentes effectuees sur des series de mesures pluviometriques a 151 endroits en Suisse pour deux periodes de 50 ans. Ces estimations ont ete comparees avec les valeurs journalieres maximales mesurees durant les 100 dernieres annees (1911-2010) afin de tester l’efficacite de ces six lois. Cette comparaison revele que la loi de Gumbel avec la methode du maximum de vraisemblance et la loi Log-Normale sont globalement les meilleures pour estimer les precipitations journalieres centennales en Suisse alors que les lois Normale et de Weibull les sous-estiment le plus fortement par rapport aux valeurs journalieres maximales mesurees de 1911 a 2010. Mais la loi de Gumbel avec les methodes des moments et des moindres carres serait la plus efficace avec celle de Frechet pour estimer les precipitations journalieres centennales dans le futur si l’augmentation des precipitations journalieres...

Hydrological models developed for extreme precipitation of PMP type are difficult to calibrate because of the scarcity of available data for these events. This article presents the process and results of calibration for a distributed hydrological model at fine scale developed for the estimation of probable maximal floods in the case of a PMP. This calibration is done on two Swiss catchments for two events of summer storms. The calculation done is concentrated on the estimation of the parameters of the model, divided in two parts. The first is necessary for the computation of flow speeds while the second is required for the determination of the initial and final infiltration capacities for each terrain type. The results, validated with the Nash equation show a good correlation between the simulated and observed flows. We also apply this model on two Romanian catchments, showing the river network and estimated flow.

La population dans le bassin versant du Bandama blanc au nord de la Cote d’Ivoire est a majorite rurale et vit essentiellement de l’agriculture. Ce travail analyse les tendances des variables hydro-climatiques du bassin et leurs niveaux de significativite. Les methodes utilisees sont l’indice standardise et le test statistique non parametrique de Mann-Kendall. Les resultats revelent une tendance a la baisse, bien que peu significative, de la pluviometrie annuelle. Alors que, les precipitations de la saison pluvieuse et du mois le plus pluvieux ont fortement baisse. On constate une tendance a la hausse significative de la temperature et de l’evapotranspiration potentielle, alors que les ecoulements sont en forte baisse. Ces changements dans les series hydro-climatiques se sont produits dans les annees 1970 et 1980. Cette etude se differencie de celles deja realisees sur la variabilite climatique au Nord de la Cote d’Ivoire, par les tests statistiques utilises et la determination du n...

Malgre un bilan hydrique largement deficitaire dans le Sud-Est tunisien a climat aride, l'Homme a pu pratiquer l'agriculture en developpant la technique des Jessour. Cette technique est confrontee aujourd'hui au risque d'abandon suite aux changements socio-economiques qu'a connus cette region au cours des cinq dernieres decennies. Cet article fait le point de l'interet hydro-agricole des Jessour et presente les grandes lignes d'une recherche visant a evaluer le bilan hydrique de parcelles utilisant cette technique. Le but est de participer a la conservation de ce savoir-faire ancestral et d'optimiser son utilisation.

Des mesures meteorologiques et de la teneur en eau dans le sol a 8 profondeurs differentes ont ete realisees pendant une annee dans 2 parcelles situees au fond de 2 ravins a 130 m de distance, l’un est amenage en Jessour et l’autre est sans Jessour, en vue de quantifier les impacts de ces amenagements hydro-agricoles sur le bilan hydrique. Ces mesures ont montre que seuls 3 episodes pluvieux majeurs (> 20 mm) ont entraine une hausse significative de la teneur en eau dans le sol jusqu’a au moins 125 cm de profondeur. Pour ces 3 episodes, cette hausse a ete rapide et importante jusqu’a 125 cm dans la parcelle amenagee en Jesr, alors qu’une hausse semblable n’a ete mesuree que pour un bref episode pluvieux en aout 2018 dans la parcelle sans Jesr. Pour les deux autres episodes pluvieux plus longs survenus en novembre et decembre 2017, la hausse de la teneur en eau dans le sol a ete nettement plus lente et modeste dans la parcelle sans Jesr au-dela d’une profondeur de 35 cm. Les Jesso...

In this paper, we quantify the water balance of Jessour at the scale of agricultural plots. Jessour (plural of Jesr) are ancestral hydro-agricultural systems in the Dahar plateau (southeastern Tunisia). They consist of small dams built across wadis and gullies, which retain rainwater and sediments, hence enabling cropping. Despite arid climate conditions, Jessour allow the culture of the olive tree beyond its ecological limits. Weather monitoring stations were set up and soil moisture sensors installed down to a depth of 1.25 m in the soil in two neighboring gullies in the village of Zammour: one with a Jesr and one without. Laser granulometry and organic matter analyses were carried out on samples collected near the soil moisture sensors. Measurements were recorded from 28 September 2017 to 21 September 2018. From 10 to 12 November 2017, the region received 123.3 mm rainfall. The Jesr retained the equivalent of 410.3 mm of soil moisture to a depth of 1.25 m whereas the value in the...

Trace elements (TEs) transported by atmospheric fluxes can negatively impact isolated ecosystems. Modelling based on moss-borne TE accumulation makes tracking TE deposition in remote areas without monitoring stations possible. Using a single moss species from ombrotrophic hummock peatlands reinforces estimate quality. This study used a validated geomatic model of particulate matter dispersion to identify the origin of Cd, Zn, Pb and Cu accumulated in Sphagnum capillifolium and the distance transported from their emission sources. The residential and industrial sectors of particulate matter emissions showed the highest correlations with the TEs accumulated in S. capillifolium (0.28(Zn)-0.56(Cu)) and (0.27(Zn)-0.47(Cu), respectively). Distances of dispersion varied depending on the sector of emissions and the considered TE. The greatest transportation distances for mean emissions values were found in the industrial (10.6 km when correlating with all TEs) and roads sectors (13 km when correlating with Pb). The residential sector showed the shortest distances (3.6 km when correlating with Cu, Cd, and Zn). The model presented here is a new tool for evaluating the efficacy of air pollution abatement policies in non-monitored areas and provides high-resolution (200 × 200 m) maps of TE accumulation that make it possible to survey the potential impacts of TEs on isolated ecosystems.

Cet article presente une methode de calculs pour evaluer le potentiel eolien moyen annuel dans une topographie accidentee a partir de methodes d'ecoulements tridimensionnels. Cette methode a ete testee avec succes dans 2 regions du Jura suisse et elle permet d'identifier les sites les mieux ventiles et les plus rentables pour l'energie eolienne sur un vaste domaine.

Lausanne, ++41 (0)21 692 30 64, Jean-Michel.Fallot@unil.ch Résumé : Cet article présente un nouveau type de modèle hydrologique à maille très fine intégrant le calcul de la répartition spatio-temporelle d'une PMP (Précipitations Maximales Probables) non stationnaire. Le but est de déterminer l'hydrogramme de crue d'une PMF (Probable Maximum Flood) sur un bassin versant alpin en Suisse. La structure de la PMP est créée à l'aide d'une approche stochastique portant sur le déplacement de nuages. L'équation d'advection-diffusion est utilisée pour simuler une série de nuages dont les valeurs de précipitations seront par la suite introduites dans le modèle hydrologique. Des précipitations extrêmes non stationnaires seront en mesure d'activer la non linéarité de la réponse hydrologique d'un bassin versant. Cette analyse inclut une modélisation hydrologique suivie d'une modélisation hydraulique de l'écoulement de surface et souterrain faite en pren...

Ce rapport presente quelques aspects de la climatologie (vents, precipitations neigeuses) influencant les accumulations neigeuses a l'echelle generale. On distingue trois grands types de temps advectifs en fonction des courants et des precipitations observes dans les differentes regions des Alpes Suisses.- les advections d'Ouest a Nord avec barrage au Nord des Alpes et foehn du Nord sur l'autre versant,- les advections du Sud-Est a Sud-Ouest avec barrage au Sud des Alpes et foehn (du Sud) sur l'autre versant,- les advections du Nord a Est avec bise sur le Moyen Pays et temps generalement sec partout. Les hauteurs de neige fraiche moyennes ont ete recensees en quelques endroits representatifs. Elles augmentent avec l'altitude et l'exposition aux vents humides: les versants Nord et Sud des Alpes sont plus exposes que les regions intra-alpines. En ce qui concerne les hauteurs de neige fraiche cumulees, le mois le plus enneige est le mois de mars au Sud des Alpes et celui de janvier ailleurs. Les vents les plus violents se rencontrent en general sur les reliefs alpins et en hiver. Le chapitre aborde ensuite les effets des particularites de la topographie alpine a l'echelle regionale et locale sur les vents et les accumulations : vallee, arete, combe et rupture de pente. (Titre en allemand : Schutz von Alpenstrassen gegen Schneeanhaeufungen).

Protection against flooding is very important for a country like Switzerland with a varied topography and many rivers and lakes. Because of the potential danger caused by extreme precipitation, structural and functional safety of large dams must be guaranteed to withstand the passage of an extreme flood. We introduce a new distributed hydrological model to calculate the PMF from a PMP which is spatially and temporally distributed using clouds. This model has permitted the estimation of extreme floods based on the distributed PMP and the taking into account of the specifics of alpine catchments, in particular the small size of the basins, the complex topography, the large lakes, snowmelt and glaciers. This is an important evolution compared to other models described in the literature, as they mainly use a uniform distribution of extreme precipitation all over the watershed. This paper presents the results of calculation with the developed rainfall-runoff model, taking into account me...