LIFE07 ENV /FR/ Guide d utilisation du modèle SEMEAU. Ref N : SQERRE/E&RE/R096/12_SR

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1 LIFE07 ENV /FR/ Guide d utilisation du modèle SEMEAU Ref N : SQERRE/E&RE/R096/12_SR Juin 2012

2 Table des matières 1 Les spécificités du modèle développé Structure générale du modèle Le modèle hydrodynamique Le modèle de transport conservatif Les paramètres du modèle Le modèle SEMEAU pas à pas Volet quantitatif Construction des fichiers de structure pour MODSUR Construction des fichiers METEO Module Forêt Volet MODSUR Module FORET Volet Programme secondaire NONSAT MODSUR ALIMNEWSAM NEWSAM Volet chlorures Construction des fichiers d entrée MODSUR Programme secondaire NONSAT PREPAFLU MODSUR ALIMNEWSAM NEWSAM Détail des simulations Etat sans influence du salage des routes Evolution du salage Etat Actuel... 35

3 5 Organisation du modèle Bibliographie Annexes...37

4 Introduction L outil de modélisation développé dans le cadre du projet SEMEAU (Rouquet, 2012) vise à reproduire le fonctionnement hydrodynamique, notamment à l interface sol/plante, et le transfert de solutés dans l hydrosystème de Volvic. Afin de modéliser l ensemble des processus observés dans cet hydrosystème complexe, un outil de modélisation modulaire a été conçu sur la base de l outil MODCOU, développé par l Ecole des Mines de Paris (Ledoux, 1980). La prise en main de cet outil de modélisation couplée à structure modulaire nécessite une notice d utilisation pour : - mieux comprendre les méthodes mises en œuvre pour la modélisation, - pouvoir utiliser dans des contextes similaires les méthodes développées. Dans la présente notice d utilisation de l outil SEMEAU sont détaillés : - les spécificités du modèle développé, - la structure conceptuelle du modèle, - la structure détaillée : o du modèle hydrodynamique o du modèle de transfert conservatif de soluté, - les périodes de simulation considérées, - la structure informatique du modèle. 1 Les spécificités du modèle développé Une première étude d état des lieux sur la modélisation, menée dans le cadre du projet SEMEAU (Ledoux et Rouquet, 2010), a permis de faire un bilan sur les méthodologies et outils utilisés dans le cadre de modélisations hydrologiques et hydrogéologiques, notamment en contexte de mise en œuvre de la Directive Cadre Européenne sur l Eau. Cette étude a permis de justifier le choix de l outil de modélisation couplé MODCOU développé par l Ecole des Mines de Paris, particulièrement adapté à la modélisation des écoulements de surface et souterrains. L outil MODCOU a donc servi de base à l élaboration d un modèle à l échelle du bassin versant de Volvic. Des modules supplémentaires ont 1

5 également été développés pour reproduire les processus hydrologiques observés dans ce système complexe. La modélisation quantitative intègre la structure et le fonctionnement hydrologique et hydrogéologique du bassin versant et permet de simuler le débit des petits bassins versants de socle, le débit des sources de front de coulée et la piézométrie de la nappe de Volvic. La modélisation qualitative concerne la simulation du transfert d'éléments conservatifs (chlorures). Elle permet de simuler les teneurs en chlorures observées dans les forages, cours d eau et sources de front de coulée. Le modèle développé sur la base des connaissances du fonctionnement de l hydrosystème de Volvic intègre les spécificités de ce site de moyenne montagne. Le modèle quantitatif prend en compte les phénomènes suivants : - la variation altitudinale des paramètres climatiques (P et ETP), - l influence de l occupation des sols, et notamment de la forêt (en distinguant forêt de feuillus, mixte et résineux) sur le bilan hydrique. Une méthode a été développée pour faire varier le potentiel d évapotranspiration et le stock d eau disponible pour l évapotranspiration en fonction de la surface foliaire, - le drainage vers les bassins d infiltration du Lambertèche de l ensemble des eaux s écoulant sur son bassin versant topographique et composé de socle affleurant. Cette eau est ensuite transférée vers la nappe au niveau des bassins d infiltration, - le drainage les alluvions du maar de Beaunit vers l Ambène s écoulant hors du système, et l infiltration des précipitations tombant sur les tufs du maar et le Puy de Verrières, - les échanges potentiels du Viallard avec la nappe en aval des forages d eau minérale, - l injection des flux du ruisseau de Moulet Marcenat vers le Viallard, - l infiltration à travers la zone non saturée en fonction de son épaisseur, à l aide d un modèle analogique de réservoirs en série (cascade de Nash), - le ruissellement diffus sur le socle sous couverture volcanique en direction de l aquifère (axes de paléovallées), - le drainage des eaux ruisselant sous couvert volcanique, notamment au niveau de la limite interprétative du bassin versant sous les Puys de Jumes et Louchadière, 2

6 - le transfert selon les mécanismes physiques décrits par l équation de diffusivité de l eau s écoulant dans la zone saturée jusqu aux sources de front de coulée. Le modèle qualitatif permet : - d intégrer les flux d entrée de chlorure d origine diverse (pluie, salage des routes, agriculture), - de calculer les flux de chlorures ruisselés, infiltrés, ou stockés dans les sols, - de répartir les flux de chlorures de la même manière que les flux d eau de surface (infiltration des flux du Lambertèche et d une partie du Viallard, injection des flux du ruisseau de Moulet Marcenat dans le Viallard), - de calculer le transfert des flux dans la zone non saturée en fonction de l épaisseur de celle-ci et de l effet de dilution, - de router les flux de chlorures sur la paléosurface et sous couverture volcanique, - de calculer le transfert de matière en zone saturée jusqu aux sources de front de coulée, - de calculer les concentrations au niveau de différents points d observation (forages, sources). Le modèle développé intègre donc les particularités du modèle conceptuel de fonctionnement de l hydrosystème volcanique complexe de Volvic. 2 Structure générale du modèle 2.1 Le modèle hydrodynamique La structure du modèle adoptée pour la modélisation quantitative de l ensemble du bassin versant de Volvic est la suivante (Figure 2, Annexe 1)Figure 2 : Structure du modèle quantitatif : - Un module forêt sous Excel permet de calculer l ETP d une forêt en fonction de l ETP Penman Monteith et de la surface foliaire (LAI). Le second volet du module forêt est intégré dans MODSUR1. En effet, les paramètres régissant la réserve en eau du sol disponible pour l évaporation (CRT et DCRT) varient en fonction du LAI. - un module nommé MODSUR1 calcule la répartition entre l évapotranspiration, l infiltration et le ruissellement et modélise les écoulements de surface par 3

7 ruissellement sur des zones isochrones. Ce module intègre le schéma de drainage basé sur le MNT topographique et prend en compte le bassin versant étendu (correspondant à la réunion des bassins versants topographique et hydrogéologique), discrétisé en mailles de 50 m de côté. MODSUR 1 permet : o de réaliser le bilan hydrique, de manière spécifique pour chaque type de couverture végétale (notamment de la surface foliaire pour les zones de forêt) sur l ensemble des mailles du bassin versant, o de drainer la partie socle vers des mailles rivières (Lambertèche, Viallard, Moulet Marcenat, Ambène) ou vers des mailles d infiltration dans le cas de ruissellement diffus sur les versants, o d infiltrer la totalité de la lame d eau précipitée sur la partie volcanique et de réguler le transfert en zone non saturée (grâce à un premier réservoir d infiltration). - Un programme secondaire permet : o d infiltrer les eaux drainées par le Lambertèche au droit des bassins d infiltration, o l injection des eaux du ruisseau de Moulet Marcenat vers le Viallard, o d infiltrer une partie des eaux drainées par le Viallard. - Une arborescence de réservoir (NONSAT) permet de simuler l infiltration à travers dans la zone non saturée des matériaux volcaniques jusqu au substratum ou jusqu au toit de la zone saturée. Le nombre de réservoirs reliant une maille de la couche sus jacente et une maille de la couche sous-jacente est fonction de l épaisseur de la zone non saturée. - Un module de drainage souterrain nommé MODSUR2 intègre le schéma de drainage basé sur le «MNT socle» (construit sur la base d une interpolation à partir des isoaltitudes du substratum). MODSUR 2 : o reçoit les débits des mailles d infiltration (produits par les versants granitiques) et les lames d eau infiltrées directement sur le volcanisme, o draine les écoulements sur le MNT socle jusqu à la zone saturée. - Une couche d écoulement souterrain en milieu saturé nommée NEWSAM a une extension restreinte à l extension de la zone saturée : o reçoit les flux latéraux provenant de MODSUR2 et les flux verticaux provenant de NONSAT (part infiltrée sur les matériaux volcaniques à l aplomb de la zone saturée), 4

8 o prend en compte les prélèvements par pompage ou écoulement gravitaire et les débits réinjectés, o transfère les débits suivant l équation de diffusivité, par la méthode des différences finies, vers un unique exutoire correspondant aux sources de front de coulée, o calcule la côte piézométrique sur l ensemble des mailles et le débit des sources de front de coulée. Figure 1 : Impact de la forêt sur le bilan hydrique 5

9 Figure 2 : Structure du modèle quantitatif 2.2 Le modèle de transport conservatif L outil de base utilisé pour le développement de la modélisation du transport conservatif est le modèle quantitatif développé à l échelle de l hydrosystème de Volvic couplé au module forêt. Le fonctionnement de chaque module est détaillé ci-dessous. - Les données de base à intégrer en entrée du modèle sont : o les 6 itinéraires de salage et les 6 chroniques journalières de salage associées, o les 7 zones météo et les 7 chroniques journalières de flux de chlorure associées, o les flux liés à l élevage par parcelle constants au cours de l année. - MODSUR1 reçoit les flux d entrée sur chaque maille et à chaque pas de temps. Chaque maille est définie par : o un flux d eau journalier destiné au ruissellement et à l infiltration, o un stock d eau (Qstock) qui varie de jour en jour en fonction du bilan hydrique (P-ETR-Ruissellement-Infiltration). Le flux de sel stocké dans le sol est ainsi dilué dans ces réserves en eau du sol, 6

10 o un stock d eau fixe (talon) servant uniquement à diluer le flux de sel entrant même lorsque Qstock est très faible et que le flux d eau destiné à l écoulement est de l ordre du bruit de fond numérique. Par ailleurs, le talon permet de régler la dilution de sel localement dans le sol. A chaque pas de temps, chaque maille reçoit un flux d entrée, le dilue dans un volume d eau constitué par : Qrui+Qinf+Qstock+talon et calcule une concentration C. Le flux de sortie pour chaque maille est tel que : Fs=Qrui.C+Qinf.C. Les flux de chlorures infiltrés et ruisselés sont répartis de la même manière que les flux d eau. - Le programme secondaire : o calcule le flux total dans le Lambertèche et l infiltre au niveau de la maille correspondant aux bassins d infiltration, o calcule le flux dans le ruisseau de Moulet Marcenat et l ajoute au flux du Viallard, o calcule le flux total du Viallard et en infiltre une partie vers la nappe en fonction du coefficient d infiltration au niveau des mailles prédéfinies, o calcule les concentrations en entrée de Nonsat. - Le programme NONSATSW utilisé pour le modèle Volvic correspond à celui développé par Gomez (2002). Dans le modèle de Gomez, 2 types d eau sont considérées : o l eau qui circule par gravité, o l eau capillaire qui contribue au stockage de soluté. Gomez introduit un volume minimum Vmin qui représente l eau retenue dans la zone non saturée, identique à tous les réservoirs d une même colonne de zone non saturée. Pour limiter le mélange dans tout le réservoir, il a également introduit une stratification. A un pas de temps, une nouvelle strate j est introduite au sommet de la zone non saturée. Chaque strate est définie par un volume d eau et une concentration en chlorures. Ces strates s empilent sans mélange. Un effet piston est créé : une entrée au sommet du réservoir génère instantanément une sortie sous le réservoir. C est lors de la sortie d eau qu il peut y avoir un mélange. Une concentration moyenne est calculée dans le volume de sortie sur la base des strates drainées dans la partie basse du réservoir. Le volume transitant dans les réservoirs est : 7

11 Vini 1( t) = Vouti( t) = ( Vi( t) V min) δ Pour des raisons numériques, un nombre maximum de strates est introduit (Smax). Ce nombre est uniforme. Lorsqu il est atteint au sein d un réservoir, les 2 strates supérieures sont mélangées. Ce mélange permet la diffusion. Plus Vmin est grand, plus le temps de transfert est long. Plus Smax est petit, plus le mélange des strates est fréquent. - MODSUR2 reçoit les flux en sortie de NONSATSW. Pour chaque maille, si une nappe est détectée en dessous, il infiltre directement les flux, sinon il réalise un routage isochrone jusqu aux mailles d infiltration en bordure de la zone saturée. Ce flux est ensuite transmis vers NEWSAM. - NEWSAM calcule le transport des flux d eau et de chlorures par phases de 10 jours. NEWSAM calcule les chroniques piézométriques, les débits des sources et les chroniques de concentration en chaque maille. Figure 3 : Structure du modèle de transfert conservatif 8

12 2.3 Les paramètres du modèle Les paramètres décrits dans le Tableau 1 seront calibrés dans des gammes de valeurs réalistes au regard de la connaissance du fonctionnement du système, afin de reproduire au mieux les variables observées (débit des cours d eau de socle, débit des sources de front de coulée, concentration en chlorures en différents points du système). Module Paramètre Définition / fonction FORET MODSUR1 Programme spécifique NONSAT MODSUR2 NEWSAM α coefficient d ajustement de l'influence du pouvoir évapotranspirant lié aux conditions atmosphériques sur l'etp [-] β coefficient d ajustement de l'etp en fonction du LAI [-] ε1 coefficient d ajustement du CRT en fonction de la surface foliaire [-] ε2 coefficient d ajustement du DCRT en fonction de la surface foliaire [-] R DCRT 0 CRT 0 FN volume initial dans le réservoir sol [mm] valeur minimale du stock en eau du sol [mm] valeur moyenne du stock en eau du sol [mm] valeur maximale de l infiltration sur un pas de temps [mm] CQR coefficient de tarissement du réservoir de ruissellement [-] QRMAX niveau de débordement du réservoir de ruissellement [mm] CQI coefficient de tarissement du réservoir d infiltration [-] QIMAX Talon tc1 Coef Viallard τ Vmin Nmax tc2 niveau de débordement du réservoir d infiltration [mm] volume minimum dans le réservoir sol permettant la dilution de soluté [mm] temps de concentration du bassin versant topographique [j] part du débit du Viallard qui s'infiltre vers la nappe [-] temps de percolation d un réservoir [j] volume minimum dans les réservoirs de la zone non saturée [m] nombre de strates maximales dans les réservoirs temps de concentration du paléo bassin versant (définis sur la base de la morphologie du substratum) [j] θ porosité efficace [-] e T épaisseur de l'aquifère [m] transmissivité [m 2 /s] S coefficient d'emmagasinement [-] Tableau 1 : Paramètres de calibration du modèle. En rouge : paramètres spécifiques du modèle de transport conservatif 9

13 3 Le modèle SEMEAU pas à pas 3.1 Volet quantitatif Construction des fichiers de structure pour MODSUR1 Un maillage a été réalisé à l échelle du bassin versant étendu (conjuguant les bassins versants topographiques et hydrogéologique). La taille des mailles est de 50 m x 50 m. Sur la base du MNT topographique, le réseau de drainage du module MODSUR1 a été calculé, en utilisant l outil HYDRODEM, développé au CEMAGREF de Lyon par Etienne Leblois. Sur la base de la cartographie de la morphologie du substratum, un MNT «substratum» a été calculé. Le réseau de drainage du module MODSUR2 a donc également pu être calculé grâce à HYDRODEM. Le logiciel HYDRODEM crée le fichier FicGeo qui contient les données sur la structure du bassin versant (maillage, réseau de drainage topographique). La deuxième étape consiste à constituer le fichier physio_forêt.txt. Ce fichier contient (Figure 4) : - le numéro de maille, - le numéro de fonction de production MODSUR1. On distingue 13 fonctions de production (notons que la fonction de production n 2 n est pas utilisée dans le modèle), - le numéro de fonction de production MODSUR2. Ces fonctions de production ne sont pas utilisées par MODSUR2, - les mailles d infiltration de MODSUR1 : notée 1 s il s agit d une maille d infiltration, 0 sinon, - les mailles d infiltration de MODSUR2 : notée 1 s il s agit d une maille d infiltration, 0 sinon, - les mailles rivière dans MODSUR1 : notée 1 s il s agit d une maille rivière, 0 sinon, - les mailles rivière dans MODSUR2 : notée 1 s il s agit d une maille rivière, 0 sinon. Les mailles rivière prises en compte dans Modsur2 correspondent aux 3 sources de front de coulée. 10

14 Figure 4 : Fichier physio_foret.txt Figure 5 : maillage et occupation des sols (fonctions de production) 11

15 Le programme PREPAFP interroge ensuite les fichiers physio_foret.txt et FicGeo.txt et génère les fichiers de structure FicGeoNew.txt et FicGeoGou.txt. Le programme GEOCOU interroge les fichiers FicGeoNew.txt et FicGeoGou.txt et génère un ensemble de fichiers de structure (Fic10n, Fic11n, Fic18n, Fic19n pour FicGeoNew et Fic10g, Fic11g, Fic18g, pour FicGeoGou) Construction des fichiers METEO Dans un premier temps, le bassin versant est divisé en 7 zones météorologiques sur la base de tranches d altitudes de 100 m. Chaque zone météorologique est associée à des chroniques de paramètre météorologique (Précipitation, ETP prairie, ETP feuillu, ETP résineux, ETP mixte). Le fichier zones_meteo.txt indique pour chaque numéro de maille la zone météo associée (de 1 à 7). Les fichiers P_ETP.txt contiennent les chroniques de précipitations et d évapotranspiration potentielle pour chaque zone météo (soit 7 zones sur le bassin versant). Il existe un tel fichier météo pour chaque type de couvert végétal. Le détail de la construction de ces fichiers en fonction du type de couverture végétale est détaillé dans la partie Module Forêt Volet 1. Les précipitations journalières pour chaque tranche d altitude sont calculées sur la base des précipitations journalières mesurées à Volvic et d un gradient altitudinal annuel de 56 mm/100 m. L ETP Penman Monteith prise en compte pour le calcul de l ETP spécifique à chaque type de couvert végétal est calculé sur la base de l ETP journalière enregistrée à la station Inra de Saint Genest Champanelles et d un gradient altitudinal annuel de 24 mm/100 m Module Forêt Volet 1 L objectif est de construire des fichiers P_ETP.txt pour chaque type de couvert végétal. On distingue les types d occupation du sol suivants : prairies, forêt de feuillus, forêt de résineux, forêt mixte. Dans l objectif de calculer une ETP utilisable dans le modèle MODSUR1, une méthodologie a été développée en prenant en compte le pouvoir évaporant atmosphérique (ETP Penman Monteith) et la capacité du couvert végétal à transpirer (fonction de la surface foliaire, LAI). La formule retenue pour ce faire est de type : 12

16 ETPforêt = α ETPPM + β LAI Cette formule est appliquée pour calculer l ETP des différents types de couvert forestier. Pour les fonctions de production de type «prairie», l ETP Penman Monteith est appliquée. Les paramètres α et β ont été testés sur l échelle de variation suivante : - α varie de 0.2 à 1 : le terme αetp varie de 4 à 20 mm/mois en hiver et de 18 à 100 mm/mois en été (pour une forêt mixte), - β varie de 0 à 20 : le terme βlai varie de 0 à 40 mm/mois en hiver et de 0 à 140 mm/mois en été (pour une forêt mixte). Les calculs de l ETP des différents types de forêt sont réalisés dans les fichiers : - ETP_Rou_Feuillus.xls - ETP_Rou_Coniferes.xls - ETP_Rou_Mixte.xls Les fichiers contenant les données de précipitations et d ETP journalière pour chaque tranche d altitude et chaque type de couverture végétale sont : - P_ETP_Feuillus.xls - P_ETP_Coniferes.xls - P_ETP_Mixte.xls Les fichiers d entrée du modèle sont : - P_ETP_Prairie.txt - P_ETP_Feuillus.txt - P_ETP_Coniferes.txt - P_ETP_Mixte.txt MODSUR1 Le programme MODSUR1 («modsurforet») permet de calculer les bilans hydriques, les débits infiltrés et ruisselés, ainsi que le routage diffus par la méthode des isochrones jusqu aux biefs de rivière, et le transfert vers les exutoires de bassin versant. MODSUR 1 interroge l ensemble des fichiers de structure générés par GEOCOU, le fichier Meteo, ainsi que le fichier de données modsur.don, et génère le fichier fic08 contenant les 13

17 débits infiltrés, ruisselés et les volumes d eau stockés sur chaque maille. MODSUR1 écrit le fichier de synthèse listsur1.txt, dans lequel est spécifié le bilan en eau. Figure 6 : Extrait du fichier modsur1.don Les paramètres suivants sont renseignés dans le fichier modsur1.don : - le pas de temps de démarrage de la simulation (1), - le pas de temps de fin de la simulation (5114), - la valeur du talon (800, voir volet qualitatif). Si cette valeur est négative, MODSUR1 s initialise avec les résultats du Run précédent (le chemin d accès des fichiers à lire est à renseigner en en tête du fichier modsur1.don), - les données relatives aux fonctions de production (voir ci-après), - les temps de concentration des bassins versants (1 jour chacun). Chaque fonction est définie en fonction de la géologie et de l occupation des sols sur la maille concernée. Pour chacune des fonctions de production, les paramètres régissant le bilan hydrique sont à renseigner. Les paramètres DCRT (niveaux minimal du réservoir sol) et CRT (niveaux moyen du réservoir sol) conditionnent la quantité d eau disponible pour l écoulement ou l évapotranspiration. Le second réservoir réalise la séparation de l eau en lame ruisselée (QR) et en lame infiltrée (QI), en fonction du paramètre FN (seuil 14

18 d infiltration). Les paramètres QRMA et QIMA conditionnent la vidange des réservoirs de ruissellement et d infiltration. Figure 7 : Schématisation de la fonction de production (Thierion et al., 2012). Les paramètres LCRT et LDCRT permettent de faire varier le DCRT et le CRT, soit la quantité disponible pour l écoulement ou l infiltration, en fonction du LAI. Il s agit là du second volet du module FORET. Le fichier LAI.txt contient la LAI pour chaque type de couvert végétal (Prairie, Conifères, Feuillus, Mixte) au pas de temps journalier Module FORET Volet 2 Dans le modèle développé, la quantité d eau du sol mobilisable par une forêt pour satisfaire l ETP est variable dans le temps. En hiver, une forêt de feuillus va avoir tendance à mobiliser un volume d eau peu important. Pendant la période végétative ce volume va augmenter. Le volume d eau mobilisable pour satisfaire l ETP, géré par les paramètres CRT et DCRT est fonction du LAI et d un état de référence fixé. Le fichier LAI, synchrone des fichiers P-ETP, fournit en fonction du temps le LAI des différents types de végétation (prairie, conifères, feuillus, mixte) CRT = CRT0 + ε1 LAI DCRT = DCRT0 + ε2 LAI Avec DCRT>CRT En été la RFU forêt sera plus élevée, se qui permettra de favoriser l évapotranspiration et de réduire la production d eau. En hiver la RFU forêt sera plus faible, ce qui limitera l évapotranspiration et favorisera la production d eau. 15

19 3.1.6 Programme secondaire Un programme secondaire : - infiltre la totalité du débit du Lambertèche calculé au niveau de la maille correspondant aux bassins d infiltration (maille 3287), - calcule le débit dans le ruisseau de Moulet Marcenat et l ajoute au débit du Viallard, - lit le coefficient d infiltration du Viallard dans le fichier bidouil.don, - lit la liste des mailles d infiltration du Viallard (mailles_inf_viallard.txt), - calcule le débit total du Viallard et le débit infiltré vers la nappe en fonction du coefficient d infiltration, au niveau des mailles prédéfinies. Ce programme BIDOUIL génère le fichier fic08bis NONSAT Le programme NONSAT lit le fichier fic08bis et le fichier nonsatsel.don. Le fonctionnement de NONSAT est basé sur le modèle de NASH (n réservoirs en série qui se vidangent les uns dans les autres selon une loi de vidange exponentielle). Pour chaque maille le nombre de réservoirs permettant le transfert dans la zone non saturée est défini en fonction de l épaisseur de celle-ci. Chaque réservoir permet de simuler le transfert de l eau dans une épaisseur de zone non saturée de 10 m. 16

20 Figure 8 : Maillage et épaisseur de la zone non saturée Le fichier nonsatsel.don permet de définir : - le nombre de mailles (18164), - le nombre maximum de réservoirs dans une même colonne de zone non saturée (29). Si cette valeur est négative, NONSAT s initialise avec les résultats de la simulation précédente (le chemin d accès du fichier à lire est à renseigner en tête du fichier nonsatsel.don), - un paramètre de vidange (15) pour chaque série de réservoir (0 à 28 réservoirs), - un nombre de réservoirs pour chaque maille du modèle. 17

21 Figure 9 : Extrait du fichier nonsatsel.don Le programme NONSAT génère le fichier fic08ter et édite un fichier de bilan listsat.txt MODSUR2 Le programme PREPAMETEO interroge le fichier fic08ter et génère un fichier production lisible par MODSUR2. Le programme MODSUR2 («modsurrouquet») effectue uniquement un routage diffus sur le substratum (sous couverture volcanique) par la méthode des isochrones, jusqu aux mailles d infiltration, situées en limite de la zone saturée. Lorsqu une nappe est détectée à l aplomb de MODSUR2, les flux d eau sont directement transmis vers NEWSAM. MODSUR2 interroge l ensemble des fichiers de structure générés par GEOCOU, le fichier production, ainsi que le fichier de données modsur2.don, et génère le fichier fic08-m2 contenant les débits ruisselés infiltrés au droit des mailles d infiltration, ainsi que les volumes d eau stockés. MODSUR2 écrit le fichier de synthèse listsur2.txt. 18

22 Figure 10 : Extrait du fichier modsur2.don Les paramètres suivants sont renseignés dans le fichier modsur2.don : - le pas de temps de démarrage de la simulation (1), - le pas de temps de fin de la simulation (5114), - des données fictives de fonctions de production (non utilisé par MODSUR2), - les temps de concentration des 3 bassins versants (50 jour chacun) ALIMNEWSAM ALIMNEWSAM interroge les fichiers alimnewsam.don et fic08, pour générer un fichier d entrée lisible par NEWSAM (alitran), dont le pas de temps est défini par alimnewsam.don. Il permet également de générer des chroniques de débit pompé au pas de temps définit par alimnewsam.don. 19

23 Figure 11 : Extrait du fichier alimnewsam.don Le fichier alimnewsam.don contient : - les fichiers de lecture, - les pas de temps de début et fin de lecture («/» par défaut si l on considère l ensemble de la chronique d entrée), - le pas de temps de fonctionnement de NEWSAM (10) NEWSAM Description du module NEWSAM calcule l écoulement dans la zone saturée, définie par un maillage comprenant 3663 mailles, au pas de temps 10 jours. La méthode de calcul est basée sur les différences finies. NEWSAM prend en compte les débits infiltrés, les débits pompés ou injectés, et calcule le niveau piézométrique au droit de chaque maille et le débit des sources de front de coulée. NEWSAM lit le fichier alitran (qui contient les débits infiltrés vers la nappe) et le fichier de données newsam.don (Figure 12). 20

24 Figure 12 : Extrait du fichier newsam.don 21

25 Figure 13 : Extrait du fichier newsam.don Le fichier newsam.don contient : - les chemins d accès des fichiers d entrée et les unités logiques qui leur sont affectées (numéro indiqué devant le chemin d accès de chaque fichier), - le nombre de mailles de la zone saturée (3663), - la définition des points d observation avec : o le nombre de points d observation (10), o le numéro de maille et la couche concernée (ici 1 puisque le modèle Volvic simule un aquifère monocouche), - la définition des paramètres et leur mode de lecture (soit par lecture d un fichier défini, soit directement dans le fichier newsam.don), pour l initialisation et la simulation en régime transitoire. Chaque paramètre est défini par un code (voir Tableau 2). Code Paramètre 1 Cote piézométrique 2 Cote piézométrique imposée 3 Niveau de drainage des nappes 4 Cote de la base de l aquifère 5 Cote du toit de l aquifère 22

26 6 Transmissivité 7 Coefficient de drainance 8 Coefficient de transfert 9 Coefficient d emmagasinement a b c d e f g Porosité efficace Débit surfacique injecté Débit surfacique prélevé Débit injecté Débit pompé Débits limite des drains Concentration Tableau 2 : Paramètre et code associé dans newsam.don Initialisation Les cotes piézométriques sont initialisées soit par une simulation un régime permanent soit par lecture du fichier resutran de la simulation précédente (procédure d embrayage). Dans le cas où l initialisation est effectuée en simulant un régime permanent, il faut renseigner au choix : - la valeur de chaque paramètre lorsque leur définition est simple, - l unité logique du fichier de données à lire (exemple : unité logique 21 pour la transmissivité et l emmagasinement, unité logique 51 pour les débits pompés). Remarques : - pour la définition des côtes piézométriques imposées au niveau des sources (code paramètre 3), il faut spécifier le numéro de maille (exemple : 1361) et la cote pour chaque sources (exemple : 403) ; - pour la définition des coefficients de transfert imposés au niveau des sources (code paramètre 8), il faut spécifier le numéro de maille (exemple : 1361) et le coefficient pour chaque sources (1); - la présence d un # annule la lecture de l ensemble de la ligne. 23

27 Figure 14 : Extrait du fichier newsam.don Les résultats de la simulation en régime permanent sont écrits dans le fichier resuper. Le programme PREPAPIEZO permet de générer un fichier contenant la cote piézométrique calculée pour caque maille (piezo.txt). La piézométrie ainsi simulée peut être visualisée sur ArcGIS. Le fichier piezo.txt peut en effet être converti en database (.dbf) afin d effectuer une jointure avec une couche ArcGIS représentant le maillage. Dans le cas où l initialisation est effectuée en utilisant les résultats d une simulation précédente, le chemin d accès au fichier resutran concerné doit être spécifié en tête du fichier newsam.don (unité logique 27). Le chemin d accès au fichier resuper doit également être spécifié si l on souhaite récupérer le jeu de paramètres utilisé pour calculer le régime permanent. Pour récupérer les données de piézométrie de la simulation précédente, il est nécessaire d indiquer les lignes de lecture du fichier resutran concerné (soit l avant dernière ligne du fichier, 1523), resutran contenant les données de piézométrie et de concentration pour chaque pas de temps de 10 jours. Enfin, pour chaque paramètre à renseigner, le jeu de paramètres prévu pour le régime permanent peut être réutilisé, dans ce cas il faut indiquer l unité logique du fichier resuper (25) pour chaque paramètre. On peut également renseigner chaque paramètre soit par 24

28 lecture d un fichier de données soit en renseignant directement dans le fichier newsam.don la valeur du paramètre concerné. Figure 15 : Extrait du fichier newsam.don Simulation en régime transitoire Pour la simulation en régime transitoire, il faut spécifier dans le fichier newsam.don : - le nombre de pas de temps de calcul, le pas de temps considéré étant de 10 jours (exemple : 511), - les paramètres à prendre en compte s ils sont différents de ceux utilisés pour l initialisation. NEWSAM génère 2 fichiers de sortie : - resunewsam.txt contenant pour chaque source de front de coulée le débit simulé et la concentration en chlorures, - resupiez.txt contenant pour chaque piézomètre spécifié dans le fichier newsam.don, la côte piézométrique simulée à chaque pas de temps. 25

29 Ces fichiers de sortie peuvent être importés sur Excel (fichiers Np_Run «x» et Cl_Q_sources_Run «x», x correspondant au numéro de la simulation concernée). Notons que le modèle ne simule pas correctement de débit de chaque source de front de coulée. Il simule correctement le débit total des sources de front de coulée. Le programme DEPOUIL permet de générer un fichier bilan_newsam.txt qui contient, sur l ensemble de la période considérée, le bilan en eau de la zone saturée. 3.2 Volet chlorures Figure 16 : Extrait du fichier bilan_newsam.txt Construction des fichiers d entrée La pluie Les flux de chlorures provenant de la pluie sont répartis en 7 zones météorologiques. A chaque maille est affectée une zone météo. Pour chaque zone météo est élaborée une chronique de flux de chlorure sachant que : - la concentration en chlorure de la pluie est proportionnelle à la hauteur journalière, - le flux de chlorure par maille est tel que : FCl (kg/j)=[cl] x Pj x Surface de la maille Le salage des routes Plusieurs itinéraires sont à prendre en compte : camion communal Volvic, tracteur communal Volvic, salage Paugnat et salage départemental (pour lequel on a 3 itinéraires : Manzat, St Georges et Pontgibaud). Une liste de mailles est élaborée par itinéraire. Pour chaque maille, une chronique de flux de chlorure est calculée par itinéraire telle que : flux de Cl (g/j)=masse de Cl annuelle épandue / (Nombre de jours d épandage x Nombre de mailles). 26

30 Le nombre de jours d épandage par an est égal au nombre d occurrences neige relevées à la station MeteoFrance de Volvic. On considère également que la masse de sel épandue pour le salage des routes était nulle avant 1970 et qu elle a augmenté graduellement jusqu en 1985, en restant proportionnelle, année par année, à l IVH. Ne disposant pas des données d IVH avant 1978, nous avons considéré qu il était constant avant 1978 et égal à l IVH moyen sur la période , soit 23,4. Avant 1978, la quantité de sel annuelle épandue est essentiellement modulée par l évolution croissante sur la période L agriculture Le nombre d UGB 1 par maille a été défini. On considère un flux journalier constant au cours de l année de 15 kg/an.ugb soit 41 g/j.ugb. Le flux par maille est tel que : flux de Cl (g/j)= Flux moyen unitaire (g/j.ugb) x Nombre d UGB par maille L assainissement D après le diagnostic effectué sur le réseau du SIARR et les bilans hydrochimiques amontaval, les apports en chlorures liés aux fuites du réseau d assainissement semblent négligeables. Les flux de chlorures provenant de l assainissement n ont donc pas été pris en compte Les fichiers d entrée Le fichier maillage-entrees.txt contient pour chaque maille, le numéro d itinéraire, la zone météo et le nombre d UGB. Le fichier Cl_pluie.txt contient le flux journalier de chlorures provenant des précipitations pour chaque zone météo en g/j. Le fichier Cl_salage.txt contient le flux journalier de chlorures provenant du salage des routes pour chaque itinéraire de salage en g/j Construction d un fichier d entrée lisible par MODSUR1 Le programme PREPAFLU génère le fichier flux_sel_entree contenant, pour chaque pas de temps et pour chaque maille, le flux total entrant dans le modèle. 1 Unité Gros Bétail 27

31 3.2.2 MODSUR 1 MODSUR1 (modsurrouquet) reçoit les flux d entrée sur chaque maille et à chaque pas de temps. Chaque maille est définie par : - un flux d eau journalier destiné au ruissellement et à l infiltration, - un stock d eau (Qstock) qui varie de jour en jour en fonction du bilan hydrique. La concentration en sel stocké dans le sol pourra ainsi varier en fonction des réserves en eau du sol, - un stock d eau fixe (talon) servant uniquement à diluer le flux de sel entrant même lorsque le stock d eau dans le sol est nul et que le flux d eau destiné à l écoulement est de l ordre du bruit de fond numérique. Par ailleurs, le talon permet de régler la dilution de sel localement et le flux de sel en sortie. Le talon est à renseigner dans le fichier modsur1.don en ligne 18 (en m 3 ). Si cette valeur est négative, MODSUR1 s initialise avec les résultats de la simulation précédente (le chemin d accès des fichiers à lire, unités logiques 76 et 89, est à renseigner en tête du fichier modsur1.don). A chaque pas de temps, chaque maille reçoit un flux de soluté, le dilue dans un volume d eau constitué par : Qrui+Qinf+Qstock+talon et calcule une concentration C. Chaque maille stockera ainsi : - une quantité de sel fixe fonction du talon ; - une quantité de sel variable fonction de Qstock. Pour chaque maille, le flux destiné au ruissellement est Frui=Qrui.C et le flux destiné à l infiltration Frui=Qinf.C. MODSUR 1 génère le fichier fic88 contenant les flux de chlorures infiltrés, ruisselés et les volumes d eau et concentrations stockées. MODSUR 1 écrit le fichier de synthèse listsur1.txt contenant le bilan de flux de chlorures Programme secondaire Le programme secondaire : - infiltre la totalité du flux de chlorure du Lambertèche calculé au niveau de la maille exutoire correspondant aux bassins d infiltration (maille 3287), - calcule le flux de chlorure dans le ruisseau de Moulet Marcenat et l ajoute au flux de chlorure du Viallard, 28

32 - lit le coefficient d infiltration du Viallard dans le fichier bidouil.don, - lit la liste des mailles d infiltration du Viallard (mailles_inf_viallard.txt), - calcule le flux de chlorure total du Viallard et le flux de chlorure infiltré vers la nappe en fonction du coefficient d infiltration, au niveau des mailles prédéfinies. Le programme secondaire génère le fichier fic88bis NONSAT Le programme NONSAT lit le fichier fic88bis et le fichier nonsatsel.don. Le programme NONSAT utilisé pour le modèle Volvic correspond à celui développé par Gomez (2002). Dans le modèle de Gomez, 2 types d eau sont considérées : - l eau qui circule par gravité, - l eau capillaire : qui contribue au stockage du soluté. Gomez (2002) introduit un volume minimum Vmin qui représente l eau retenue dans la zone non saturée, identique à tous les réservoirs d une même colonne de zone non saturée. Vmin peut varier dans l espace en fonction des types de sol. Pour limiter le mélange dans tout le réservoir, il a également introduit une stratification. Le Vmin (en m) est à renseigner dans le fichier Nonsatsel.don, il correspond à la troisième colonne du listing des 29 zones. A chaque pas de temps, pour chaque réservoir de la zone saturée, une nouvelle strate j est introduite. Chaque strate est définie par un volume et une concentration. Ces strates s empilent au sein d un même réservoir. Un effet piston est créé : une entrée au sommet du réservoir génère instantanément une sortie sous le réservoir. C est lors de la sortie d eau qu il peut y avoir un mélange. Une concentration moyenne est calculée dans le volume de sortie sur la base des strates drainées dans la partie basse du réservoir. Le volume transitant dans les réservoirs est : Vouti(t) = (Vi(t) Vmin) δ Avec : dt δ = 1 exp τ - Vout i(t) : volume sortant du réservoir i au pas de temps t, - V i(t) : volume du réservoir i au pas de temps t, - Vmin : volume minimal dans chaque réservoir d une colonne de zone non saturée, 29

33 - δ : coefficient de drainage, - τ : temps de percolation. Figure 17 : Représentation du transfert de soluté dans NONSAT avec 2 réservoirs (Philippe et al., 2011) Si Vmin est grand, le temps de transfert est plus long. Pour des raisons numériques, un nombre maximum de strates est introduit. Ce nombre est uniforme. Lorsqu il est atteint au sein d un réservoir, les 2 strates supérieures sont mélangées. Ce mélange permet la diffusion. Si Smax est petit, on augmente la diffusion en favorisant le mélange des strates. 30

34 Figure 18 : Extrait du fichier nonsatsel.don Le programme NONSAT génère le fichier fic88ter, contenant les flux d eau et de soluté calculés, et le fichier listsat.txt contenant le bilan des flux de chlorures PREPAFLU2 PREPAFLU2 prépare les flux d eau et de soluté (calculé à partir des débits et des concentrations en sortie de NONSAT) et crée les fichiers production et producsel correspondant aux fichiers d entrée pour MODSUR MODSUR2 MODSUR2 (modsurrouquet) reçoit les flux préparés par PREPAFLU2. A l aplomb de chaque maille, si une nappe est détectée, MODSUR2 infiltre directement les flux de chlorures, sinon il réalise un routage isochrone pour les flux de soluté de la même manière que pour les flux d eau, jusqu aux mailles d infiltration. Au niveau des mailles d infiltration ce flux de soluté est infiltré vers la zone saturée. Le programme MODSUR2 génère le fichier fic88sel-m2. 31

35 3.2.7 ALIMNEWSAM AlimNewsam prépare le fichier alitransel contenant les flux de chlorures lisibles par NEWSAM NEWSAM NEWSAM calcule le transfert de chlorures dans la zone saturée, comprenant 3663 mailles, au pas de temps 10 jours. NEWSAM prend en compte les flux de chlorures infiltrés, les flux de chlorures pompés ou injectés, et calcule l évolution des concentrations au niveau des points d observation, notamment au niveau des sources de front de coulée. NEWSAM lit le fichier alitransel (qui contient les flux de chlorures infiltrés vers la nappe) et le fichier de données newsam.don. Pour la simulation du transfert de chlorures, il faut renseigner dans le fichier newsam.don : - les chemins d accès des fichiers d entrée en face des unités logiques qui leur sont affectées, - les points d observation avec : o le nombre de points d observation (10), o le numéro de maille et la couche concernée (ici 1 puisque le modèle Volvic simule un aquifère monocouche), - les paramètres pris en compte et leur mode de lecture. Chaque paramètre est sont définis par un code (voir volet quantitatif) Initialisation Lors de l initialisation, les concentrations sont initialisées par lecture du fichier resutran du Run précédent (procédure d embrayage). Le chemin d accès au fichier concerné doit être spécifié en tête du fichier newsam.don (unité logique 27). Pour récupérer les données de concentration de la simulation précédente, il est nécessaire d indiquer les lignes de lecture du fichier resutran concernées (soit la dernière ligne du fichier, 1524), resutran contenant les données de piézométrie et de concentration pour chaque pas de temps de 10 jours. 32

36 Figure 19 : Extrait du fichier newsam.don Simulation en régime transitoire Pour la simulation en régime transitoire, il faut spécifier la lecture des flux d entrée dans le fichier alitransel (unité logique 50). Figure 20 : Extrait du fichier newsam.don NEWSAM écrit les résultats du calcul en régime transitoire dans le fichier resutran. Il génère également un fichier listsam, contenant les bilans à chaque pas de temps. Il génère également les fichiers suivants : - resunewsam.txt contenant pour chaque source le débit simulé et la concentration en chlorures, - resucon.txt contenant pour chaque piézomètre spécifié dans le fichier newsam.don, la concentration en chlorures simulée à chaque pas de temps. Ces fichiers de sortie peuvent être importés sur Excel (fichiers Cl_piezo «x» et Cl_Q_sources_Run «x», x correspondant au numéro de la simulation concernée). 33

37 Le programme DEPOUIL permet de générer un fichier bilan_newsam.txt qui contient, sur l ensemble de la période considérée, le bilan en chlorures de la zone saturée. Figure 21 : Extrait du fichier bilan_newsam.txt 4 Détail des simulations 4.1 Etat sans influence du salage des routes L objectif est de reconstituer les teneurs en chlorures sans influence du salage des routes (état existant à la fin des années 60). L état initial est simulé avec les précipitations et l ETP d une période où ces données climatiques journalières sont bien connues, soit du 01/01/1996 au 31/12/2009 (période identique au Run3 représentant l état actuel). Cette simulation comprend 5114 pas de temps. Cette simulation prend en compte : - les apports agricoles identiques à l actuel, - les teneurs en chlorures des pluies calculées sur la base des pluies journalières de 1996 à 2009, - les prélèvements mensuels moyens uniquement sur Arvic, Volvillante et la galerie du Goulet. Aucune réinjection n est prise en compte, - la pluie et l ETP de 1996 à Evolution du salage L objectif est d intégrer dans le modèle l augmentation progressive de l épandage de sel sur le réseau routier. On considère que le salage des routes a commencé en 1970 et a augmenté jusqu en Cependant nous ne disposons des données de pluie journalière que depuis La période de simulation considérée va donc du 01/01/1975 au 31/12/1995. Cela correspond à 7670 pas de temps. 34

38 Les données utilisées sont les suivantes : - épandage de sel routier marqué par une évolution graduelle jusqu en 1985, et suivant les fluctuations de l IVH. Ne disposant pas de l IVH avant 1978 nous avons considéré un IVH moyen pour les années antérieures, - apports agricoles identiques à l actuel, - teneurs en Cl des pluies calculées sur la base des pluies journalières de 1975 à 1995, - prélèvements mensuels moyens avec introduction progressive des ouvrages au fur et à mesure de leur mise en place, - pluie et ETP de 1975 à Etat Actuel L objectif est de simuler le fonctionnement actuel de l hydrosystème. La période de simulation considérée va du 01/01/1996 au 31/12/2009, 5114 pas de temps. Les données utilisées sont les suivantes : - épandage de sel routier suivant les fluctuations de l IVH, - apports agricoles, - teneurs en Cl des pluies calculées sur la base des pluies journalières de 1996 à 2009, - prélèvements mensuels puis journaliers avec introduction progressive des ouvrages au fur et à mesure de leur mise en place, - pluie et ETP de 1996 à Organisation du modèle La structuration du modèle a été conçue en prenant en compte la procédure de simulation par séquences. Les différents éléments du modèle sont répartis dans les compartiments suivants : - répertoire Base : contient les fichiers de structure invariables du modèle ; - répertoire Source : contient les programmes fortran ; - sur la racine : les exécutables DOS ; - un répertoire pour chaque simulation (Run) fonctionnant séquentiellement. Chaque répertoire contient les fichiers entrées-sorties spécifiques à chaque période simulée. Un modèle spécifique permettant de calculer le régime permanent sur la base de données de la simulation pourra être réalisé de manière facultative. 35

39 6 Bibliographie Ledoux E., Rouquet S., Etat des lieux sur la modélisation hydrologique et hydrogéologique et applicabilité dans le cadre de projets européens. Rapport du projet Européen SEMEAU, 41p. Rouquet S., Etude du fonctionnement hydrogéologique et modélisation de l'hydrosystème de Volvic. Prise en compte du rôle hydrologique joué par la forêt. PhD Ecole des Mines Paristech,

40 7 Annexes Annexe 1 : Structure informatique du modèle 37