L aquifère alluvial du fossé rhénan supérieur : fonctionnement, vulnérabilités actuelles et prévisibles sous l impact du changement climatique

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1 L aquifère alluvial du fossé rhénan supérieur : fonctionnement, vulnérabilités actuelles et prévisibles sous l impact du changement climatique 27 septembre 2011 Doctorat préparé à l Ecole des Mines de Paris, Centre de Géosciences, et à l Université Pierre et Marie Curie, Sisyphe par Charlotte Thierion Direction de thèse : Florence Habets, Emmanuel Ledoux

2 Une ressource vitale et vulnérable Aquifère alluvial m 3

3 Une ressource vitale et vulnérable Aquifère alluvial m 3 Irrigation, industries AEP Zones humides

6 Une ressource vitale et vulnérable Densité élevée Agriculture intensive Aquifère alluvial m 3 Irrigation, industries AEP Zones humides

7 Une ressource vitale et vulnérable Densité élevée Agriculture intensive Absence de couverture Aquifère alluvial m 3 Irrigation, industries AEP Zones humides Concentrations en nitrates des eaux souterraines superficielles (Monit) 7

8 Contexte géographique et géologique Fossé rhénan supérieur Fossé d effondrement tectonique Aquifère alluvial

11 Processus de recharge Flux latéraux de subsurface Infiltration des cours d eau Pluie efficace Intensité et importances relatives mal connues Aquifère alluvial très perméable, nombreux cours d eau Importance des échanges surface-souterrain Sorties d eau : drainages par les cours d eau, prélèvements

12 Interactions surface-souterrain Études sur ces échanges : thermographie, phyto-écologie, jaugeages, hydrochimie estimations variables, représentativité limitée des méthodes de terrain infiltration dans la partie amont des cours d eau et drainage en aval Amont Aval Situation sur l Ill en mars 1987 (Esteves, 1988)

13 Interactions surface-souterrain Études sur ces échanges : thermographie, phyto-écologie, jaugeages, hydrochimie estimations variables, représentativité limitée des méthodes de terrain infiltration dans la partie amont des cours d eau et drainage en aval Temps Amont Echanges Aval Volume infiltré Niveaux piézométriques Échanges au cours d une crue de l Ill (Esteves, 1988)

14 Modélisations hydrogéologiques régionales Études de modélisation hydrogéologiques à l échelle régionale : LIFE (LfU, 1996) premier essai de modélisation transfrontalière en régime permanent collecte et harmonisation de données MoNit (LUBW, 2006) modélisation du transport des nitrates évolution de la pollution des eaux souterraines étude géologique détaillée des alluvions Bilans de la recharge de l aquifère Modèle Life : 49 m 3 /s Modèle Monit : 83 m 3 /s Précipitations Flux latéraux Infiltration cours d'eau Précipitations Flux latéraux Infiltration cours d'eau

15 Modélisations hydrogéologiques régionales Études de modélisation hydrogéologiques à l échelle régionale : LIFE (LfU, 1996) premier essai de modélisation transfrontalière en régime permanent collecte et harmonisation de données MoNit (LUBW, 2006) modélisation du transport des nitrates évolution de la pollution des eaux souterraines étude géologique détaillée des alluvions Bilans de la recharge de l aquifère Modèle Life : 49 m 3 /s Modèle Monit : 83 m 3 /s Précipitations Flux latéraux Infiltration cours d'eau Précipitations Flux latéraux Infiltration cours d'eau

16 Projet ANR VulNar : Programme Vulnérabilités Milieux et Climat Météo-France, LHyGeS, Sisyphe, Géosciences Modélisation hydrométéorologique par plusieurs approches Estimation des effets du changement climatique Évaluation des incertitudes (évolution du climat, paramètres hydrodynamiques) Taux d infiltration HPP-INV Paramètres hydrodynamiques MODCOU Évaporation directe depuis la nappe SIM

17 Problématiques de la thèse : Influence des bassins versants montagneux? Simulation des interactions surfacesouterrain? Quelle réaction de l hydrosystème à un changement climatique?

18 Plan de la présentation Outils de modélisation hydrogéologique Construction de l application Modcou Impacts du changement climatique Conclusions, Perspectives

19 Principes de la modélisation hydrogéologique couplée : Forçages météorologiques (pluie, ETP, neige) Module de surface Bilan hydrique ETR, infiltration, ruissellement Transfert dans la zone non saturée Retard à l infiltration Ecoulement en rivières Routage dans les cours d eau Module souterrain Ecoulement en nappe Calcul des niveaux piézométriques Échanges napperivières

20 Modèle hydrogéologique MODCOU : surface Simulation des stocks de neige et gestion de la fonte en amont Calcul du bilan hydrique en surface : modèle conceptuel à réservoirs Forçages météorologiques Module de surface Transfert zone non saturée Ecoulement en rivières Module souterrain Échanges

21 Modèle hydrogéologique MODCOU : transferts Transfert dans la ZNS : cascade de Nash Nombre de réservoirs fonction de l épaisseur de ZNS Constante de temps fonction du matériau constitutif de la ZNS Routage des écoulements en rivière : modèle RAPID (David et al., 2010) V j in out ( x. Q ( t) + (1 x ). Q ( )) ( t) = K. t j j j j j Forçages météorologiques Module de surface Transfert zone non saturée Ecoulement en rivières Module souterrain Échanges

22 Modèle hydrogéologique MODCOU : souterrain Écoulement en nappe : différences finies pour la résolution de l équation de diffusivité ; modèle en transmissivités T : transmissivité H : cote piézométrique S : coefficient d emmagasinement Q : entrées et sorties d eau Forçages météorologiques Module de surface Transfert zone non saturée Ecoulement en rivières Module souterrain Échanges

23 Modèle hydrogéologique MODCOU : interactions Échanges surface-souterrain Nappe phréatique Nappe phréatique Nappe phréatique Forçages météorologiques Transfert zone non saturée Module de surface Module souterrain Ecoulement en rivières Échanges Q ech = Qlim min Qdis TP ( H 2 riv 1 2 H nap ) K. S T P = e 1 3

24 Développement du modèle hydrogéologique MODCOU sur le bassin du Rhin Supérieur Discrétisation du domaine d étude Forçages météorologiques Incertitudes sur les paramètres hydrodynamiques

25 Conceptualisation de l aquifère alluvial Écoulement Pas de niveau semi-perméable continu Un seul niveau aquifère

26 Discrétisation du domaine Lauterbourg Limites bassin en surface : lignes de crêtes (MNT) Bassin versant du Rhin entre Bâle et Lauterbourg Bâle Domaine souterrain : extension des alluvions rhénanes

27 Discrétisation du domaine Lauterbourg Surface : km² Souterrain : 4655 km² Bâle

28 Forçages météorologiques : analyse SAFRAN Zones climatiques homogènes (Quintana-Segui et al., 2008) Au sein d une zone : P, ETP, T = f(z) Partie allemande : données observées => correspondances avec zones SAFRAN (Météo-France)

29 Forçages météorologiques : analyse SAFRAN Raffinement du maillage sur le bassin : Précipitations (mm/an) Comparaison des données SAFRAN avec estimations plus anciennes (Perrin, 1991)

30 Forçages météorologiques : simulations de la neige Stocks de neige hauteurs = f(densité)

31 Calibration des fonctions de production - Définition des fonctions de production : Occupation des sols (CLC 2000) Types de sols (Géologie) 24 fonctions de production - Calage des paramètres : Données hydrométriques Stations Vosges et Sundgau Nash = 0.68 Nash = 0.74

32 Calibration des fonctions de production - Définition des fonctions de production : Occupation des sols (CLC 2000) Types de sols (Géologie) 24 fonctions de production - Calage des paramètres : Données hydrométriques Vignes Stations Vosges et Sundgau Nash = 0.68 Nash = 0.74

33 Calibration des fonctions de production - Définition des fonctions de production : Occupation des sols (CLC 2000) Types de sols (Géologie) 24 fonctions de production - Calage des paramètres : Données hydrométriques Stations Vosges et Sundgau Nash = 0.68 Nash = 0.74 Forêt alluviale

34 1. Introduction 2. Outils 3. Application 4. Impacts CC 5. Perspectives ¾ Calibration des fonctions de production Nash == Nash

35 Calibration des fonctions de production Nash = 0.68

36 Calibration des fonctions de production Nash = 0.74

37 Conditions aux limites de l aquifère Limites à potentiels imposés : Nord et Sud Flux provenant des bassins montagneux : Est et Ouest Débits imposés pour le Rhin et canaux dans la Hardt 1040 m 3 /s 0.5 m 3 /s 2 m 3 /s

38 Niveaux variables du Rhin et débits du canal de la Hardt Utilisation de résultats de Monit sur le Rhin Relation hauteurs / débits sur chaque maille d un bief Canal de la Hardt : 10 m 3 /s en été, 3 m 3 /s en hiver Dynamique piézométrique inversée

39 Incertitude sur les paramètres hydrodynamiques Transmissivités HPP-INV Coefficients d échanges nappe-rivières Débits maximum d infiltration des rivières Niveaux d eau variables ou fixes dans le Rhin 12 simulations Q ech Qlim = min Qdis TP ( H riv H nap )

40 Incertitude sur les paramètres hydrodynamiques

41 Résultats : Échanges surface-souterrain Débits d échange moyen (m 3 /s) Infiltration Drainage Zones de drainage de la nappe

42 Résultats : Échanges surface-souterrain Zones de drainage de la nappe

46 Résultats : Échanges surface-souterrain Zones de drainage de la nappe Nash = 0.57

47 Résultats : Échanges surface-souterrain Zones de drainage de la nappe Nash = 0.36

48 Critères de qualités des simulations Stations hydrométriques Piézomètres Forte influence anthropique Zone de sous estimation Bassin potassique

49 Analyse par la méthode de Karhunen-Loève Décomposition des chroniques observées (Longuevergne et al., 2007) Signaux temporels extraits : processus influençant l évolution piézométrique ΔH obs obs ( t) = ak Yk ( t) k Écoulement annuel rivières vosgiennes Signal temporel issu de la décomposition Y ( 1 t ) : Plus de 50 % de la variance liée aux interactions avec les cours d eau

50 Analyse par la méthode de Karhunen-Loève H H ( t)... ( t) obs 1 obs 190 Analyse KLT Signaux (t) Y k H obs i (t) H sim (t) i Décomposition Poids ( ) a obs i, k t Poids ( ) a sim i, k t k Erreurs obs ( a i a sim 2, k i, k )

51 Analyse par la méthode de Karhunen-Loève Comparaison des décompositions des observations et des simulations obs a k sim a k a sim k a obs k

52 Analyse par la méthode de Karhunen-Loève Comparaison des décompositions des observations et des simulations 9 simulations retenues

53 Bilans de la recharge de l aquifère Débits (m 3 /s) Flux latéraux Pluie efficace Infiltration des cours d eau Recharge par les cours d eau : 80 % en moyenne Incertitude : ~ 14 %

54 Conclusions développement modèle Modèle hydrogéologique testé sur les conditions temps présent Estimation de la recharge moyenne Importance des cours d eau dans la recharge (80 % +/- 14 %) Estimation de la sensibilité du fonctionnement aux paramètres

55 Impacts du changement climatique sur le système alluvial du fossé rhénan Principes des études d impacts hydrologiques Évolutions projetées des variables météorologiques Impacts simulés sur l hydrosystème

56 Études sur le bassin du Rhin Commission Internationale pour l Hydrologie du bassin du Rhin Vulnérabilité Influence de la neige Partie aval : crues Premières études à l échelle du bassin dans les années 1990 Projet Rheinblick2050 (Görgen et al., 2010)

57 Études d impacts du changement climatique : principes A1B Figure Rheinblick2050 MODCOU Figure Julien Boé Figure IPSL

58 Évolutions de précipitations projetées en Europe Évolution projetée des précipitations dans l AR4 du GIEC (Boé, 2007) Hiver Été Contraste Nord-Sud de l Europe Zone d incertitude au centre Augmentation hivernale et diminution estivale

59 Évolution des variables météorologiques régionalisées 7 modèles climatiques testés avec le scénario SRES A1B (AR4 GIEC) Méthode de régionalisation statistique basée sur les régimes de temps Simulations sur 3 périodes : , et Précipitations Évolutions moyennes 2100 Précipitations : -5 % (+/- 4.8 %) Températures : +3.3 C (+/- 0.6 C) ETP : +20 % (+/- 5.5 %)

60 Évolutions spatialisées des précipitations annuelles Contrastes des évolutions plaine/montagne ou Nord/Sud Évolutions contrastées entre les différents modèles Importance des précipitations sur les massifs montagneux augmente

61 Conditions imposées pour le modèle hydrogéologique Prélèvements inchangés Potentiels imposés inchangés Débits du Rhin à Bâle : prise en compte de résultats Rheinblick2050 Modèle HBV, Rheinblick2050 ; modèle climatique ECHAM-REMO

62 Impacts sur les bilans hydriques en surface Infiltration : -16 % (+/- 11 %) Ruissellement : -12 % (+/- 9%) Concentration des écoulements sur les mois d hiver Forte dispersion entre les modèles Tendance nette à la baisse

63 Impacts sur les débits moyens Horizon 2100 Diminution globale à l horizon 2100 Évolution moins nette pour 2050

64 Impacts sur les débits extrêmes Crue décennale Horizon 2100

65 Impacts sur les débits extrêmes Débits d étiage Horizon 2100 Augmentation des débits de crues Sévérité accrue des étiages séries courtes

66 Impacts sur les niveaux piézométriques moyens Horizon 2100 Baisses modérées Zone sud ouest : problèmes de simulations en temps présent

67 Impacts sur les bilans en eau de l aquifère alluvial S Monit Flux latéraux Pluie efficace Infiltration des cours d eau CCCMA ARPEGE ARP-T P MRI GISS MPI GFDL1 GFDL0 GISS-Q lim GISS-T P GFDL0-S GFDL0-Q lim GFDL0-T P ARP-S ARP-Q lim GISS-S

68 Impacts sur les bilans en eau de l aquifère alluvial Q lim = 25 L/s Flux latéraux Pluie efficace Infiltration des cours d eau CCCMA ARPEGE ARP-T P MRI GISS MPI GFDL1 GFDL0 GISS-Q lim GISS-T P GFDL0-S GFDL0-Q lim GFDL0-T P ARP-S ARP-Q lim GISS-S

69 Impacts sur les bilans en eau de l aquifère alluvial T P = 0.5 m²/s Flux latéraux Pluie efficace Infiltration des cours d eau CCCMA ARPEGE ARP-T P MRI GISS MPI GFDL1 GFDL0 GISS-Q lim GISS-T P GFDL0-S GFDL0-Q lim GFDL0-T P ARP-S ARP-Q lim GISS-S

70 Impacts sur les bilans en eau de l aquifère alluvial ARP-T P MRI GISS MPI GFDL1 GFDL0 CCCMA ARPEGE GISS-T P GFDL0-S GFDL0-Q lim GFDL0-T P ARP-S ARP-Q lim GISS-Q lim Flux latéraux Pluie efficace Infiltration des cours d eau GISS-SÉvolution de la recharge : Précipitations efficaces : -20 % (+/- 14 %) Infiltration des rivières : -8 % (+/- 4 %) Flux par les bordures : -15 % (+/- 12 %) Recharge totale : -9 % (+/- 4 %) Incertitude paramètres hydrodynamiques << incertitude évolution climatique

71 Conclusions impacts CC Crues plus intenses en hiver et étiages plus marqués en été Évolution peu marquée des niveaux piézométriques de la nappe alluviale Impacts potentiels sur les écosystèmes Augmentation de l importance relative de l infiltration des rivières Augmentation de la vulnérabilité aux pollutions surfaciques Diminution de la recharge moyenne de l aquifère

72 Conclusions générales Apports de l étude : Mise en place d un modèle couplé de l ensemble du bassin Plaine alluviale et bassins montagneux Estimations des flux de recharge de l aquifère ~ 140 m 3 /s dont 80 % pour les cours d eau Estimation des incertitudes liées aux paramètres hydrodynamiques ~ 14 % sur la recharge par les cours d eau Première estimation des impacts du changement climatique sur l aquifère alluvial Évolution du cycle hydrologique Évaluation des incertitudes associées Prépondérance de l incertitude sur l évolution climatique Limitations : Absence de spatialisation des paramètres des échanges nappe-rivières Absence de reprise évaporative de la nappe (zones humides)

73 Perspectives Travail sur les incertitudes dans VulNAR Comparaisons avec les modèles HPP-INV et SIM SIM : reprise évaporative de la nappe Autres évolutions environnementales à considérer Modifications des prélèvements anthropiques : Explore2070 Changement d occupation des sols : ANR Oracle Améliorations à apporter au modèle hydrogéologique Prise en compte de niveau d eau variables : plate forme EAU-Dyssée Spatialisation des paramètres des échanges nappe-rivières Impacts du changement climatique : Nouvelles projections climatiques dans le cadre de l AR5 du GIEC (2013) Amélioration des interactions entre eaux souterraines et atmosphère

74 Merci de votre attention

75 Mailles gouffres

76 Coefficients Tp : répartition calée par HPP-INV

77 Coefficients Tp : répartition calée par HPP-INV 1ère contribution (cours d eau) : référence et Tp HPP 3ème contribution (Rhin) : référence et Tp HPP

78 Méthode de régionalisation variables climatiques Pagé et al., 2010

79 Méthode de régionalisation variables climatiques Blocage (29%) Anticyclone Groenland (23%) Anomalies de pressions (NCEP, hpa) Anomalies précipitations (ECA,%) Fig: Julien Boé, CERFACS

80 Méthode de régionalisation variables climatiques Exemple de désagrégation pour la période hivernale : précipitations Anomalie modèle climatique Anomalie après désagrégation Figures J. Boé

81 Résultats scénarios A2 et B1 (modèle ARPEGE)