WP2 Modélisation hydrologique

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1 Objectifs: Modélisation de l impact du changement climatique sur le fonctionnement hydrologique des bassins de la Seine et de la Somme à l aide de 5 modèles afin d aborder les incertitudes liées à la modélisation hydrologique Méthodes: simulation, évaluation et comparaison des modèles sur le temps présent (~30 ans) simulation du changement climatique : 2 méthodes de désagrégation (+anomalie) x 2 scénarios : 1 continu sur 100 ans, et 1 time slice de 40 ans avec 4 membres analyse des impacts en terme d évolution des moyennes et des quantiles de débits, de niveau piézométrique, d humidité des sols, et d évaporation Difficultés attendues : Analyse des impacts Difficultés techniques: gros volume de données à traiter, possible difficulté à comparer les modèles sur certaines variables (contenu en eau du sol) Difficultés théoriques: comment bien traiter les anomalies simulées avec le scénario continu? Comment bien traiter les extrêmes?

2 5 modèles Modèle CaB GR4J Marthe Caractéristiques Semi-distribué (sous bassin versant) Bilan d eau et d énergie Modèle global (non distribué) Modèle distribué Représentation explicite des nappes Bassins Seine et Somme Qqs sous bassins de la Seine et de la Somme Somme Modcou SIM Modèle distribué Représentation explicite des nappes Modèle distribué Représentation explicite des nappes Bilan d eau et d énergie Seine et Somme Seine et Somme

3 Simulation des impacts de changement climatique 1. Tous les modèles ne tourneront pas avec tous les scénarios désagrégés, ni sur tous les bassins. CaB et Modcou feront tous les runs sur les 2 bassins SIM une partie sur les 2 bassins Marthe: l ensemble sur la Somme? GR4 : l ensemble sur les sous bassins étudiés? 2. Préparation des forçages atmosphériques CAB et SIM utilisent un forçage complet au pas de temps horaire GR4J, MARTHE et MODCOU utilisent les précipitations et ETP journalières Questions: pour le calcul de l ETP, prendrons nous en compte l augmentation de la concentration en CO2? 3 Détermination état initial des nappes pour les modèles hydrogéologiques pour les simulations time-slice. On comparera la méthode classique, permettant d initialiser le niveau des nappes en supposant un régime permanent, avec les niveaux obtenus vers l horizon 2050 issus de la simulation continue

4 Analyse des impacts du changement climatique Les méthodes de désagrégation utilisées vont nous permettre d étudier les évolutions des moyennes, mais aussi des fréquences. Pour les simulations time-slice: on comparera les 50 ans de simulations aux chroniques observées et simulées temps présents sur les périodes disponibles (souvent inférieures à 50 ans) Pour les simulations continues: on se propose de faire une analyse des évolutions de fréquences sur une fenêtre glissante, avec une durée à définir (de l ordre de 20 à 30 ans). Les variables principalement étudiées seront les débits et la piézométrie, pour lesquelles on dispose d un grand nombre d observation temps présent. On élargira les analyses aux contenus en eau du sol, à l évapotranspiration, et à des variables du bilan d énergie par comparaison aux simulations temps présents uniquement.

5 Analyse des incertitudes On pourra a priori distinguer 3 sources d incertitudes: Celle liée aux modèles de climat : difficulté lié aux différences entre les simulations time-slice et continues Celle liée aux méthodes de désagrégation (3 méthodes max) Celle liée à la modélisation hydrologique

6 Domaines modélisés Seine ~ km2 Somme ~ 7000 Km2 Plus de 150 stations hydrométriques Plus de 100 piézomètres

7 Domaines modélisés Caractéristiques: Rôle très important des nappes aquifères Zone de cultures intensives (pour la Seine) Précipitation assez homogène toute l année

8 Présentation des modèles: MODCOU Simule les écoulements de surface et souterrains afin de reproduire les débits des rivières et le niveau des aquifères modélisés Données de forçage météorologie / ETP:Pluviométrie Evaporation (ETR) SURFACE Données de structure Paramètres physiographiques - altitudes - classes de sol - modes d occupation MODELE DE SURFACE Stock Infiltration Ruissellement RESEAU HYDROGRAPHIQUE ZONE NON SATUREE Paramètres hydrodynamiques - transmissivités - drainance - emmagasinement SOUTERRAIN MODELE SOUTERRAIN Relations nappe - rivière NIVEAUX PIEZOMETRIQUES

9 Présentation des modèles: MODCOU Calcul du bilan hydrique basé sur un modèle à réservoirs (fonction de production)

10 Présentation des modèles: MODCOU Modèle distribué

11 Présentation des modèles: MODCOU Représentation du bassin de la Seine résolutions: mini 1km; maxi 8km Surface ~ mailles Couches aquifères ~ mailles Oligocène Eocène Craie Simulations temps présent depuis 1970; Impacts du changement climatique dans le cadre du GICC-Seine

12 Présentation des modèles: MODCOU Représentation du bassin de la Somme résolutions mini 250m; maxi 1km 1 seule couche aquifère (Craie) mailles de surface mailles souterraines Simulations temps présent depuis 1985 (focus sur l inondation de 2001)

13 Présentation des modèles: SIM Entrées Analyse SAFRAN Sorties Analyses ARPEGE ou ECMWF Observations de surface Forçage atmosphérique: Pluie, neige, humidité, rayonnements incidents, température,vent rature,vent Schéma de surface ISBA Transferts d eau d et de chaleur entre le sol, la végétation v et l atmosphl atmosphère Photosynthèse, se, Végétation interactive Qr Neige G E H Qi Modèle hydrologique MODCOU Rétroaction de la nappe sur l humiditl humidité des sols Nappe Débits journaliers

14 Présentation des modèles: SIM ISBA Calcul des flux d eau et d énergie à la surface 3 niveaux dans le sol Réservoir de neige Réservoir d interception de la végétation Cartographie des paramètres issue de la base de données ECOCLIMAP, résolution 1km.

15 Présentation des modèles: SIM Modèle distribué Dans l application France: Prise en compte des aquifères de la Seine, mais pas de la Somme Résolution du calcul des bilans de surface (ISBA): 8km Résolution de Modcou inchangée Simulations temps présents depuis 1970; Impacts du changement climatique dans le cadre du GICC-Rhone; d une étude pour l Agence Adour Garonne;

16 Présentation des modèles: SIM Application Somme réalisée dans le cadre du projet PNRH-Somme Simulation ISBA à 1km de résolution Couplage (mode forcé) avec Marthe et Modcou Nécessité d intégrer la nappe Somme de Modcou dans SIM-France Simulations temps présents depuis 1985;

17 Présentation des modèles: GR4J PE P interception En Pn AE Ps Pn-Ps X1 S Perc SH1(X4) SH2(X4) Q9 Q1 X3 R F(X2) Modèle conceptuel global, à réservoirs Pas de temps journalier Fonction de production Fonction de transfert 4 paramètres Développé par le Cemagref Testé sur un grand nombre de bassins versants (>2000) Qr Qd Q

18 X1 PE En AE S Perc Ps P Pn interception Pn-Ps Présentation des modèles: GR4J Données nécessaires Pluie journalière moyenne sur le bassin ETP moyenne sur le bassin (des données journalières interannuelles suffisent) Débit journalier (pour caler le modèle) X SH1(X4) SH2(X4) Q9 Q1 R F(X2) Qr Qd Q Longueur de chronique : 4-5 ans pour un calage optimal Initialisation - Mise en route : 1 an Optimisation des paramètres Méthode «pas-à-pas évolutive»

19 Présentation des modèles: GR4J Atouts du modèle dans le cadre du projet 1. Bonne efficacité du modèle sur le bassin 2. Déjà testé et calé pour certains bassins 3. Le comportement des bassins amonts est bien représenté 4. Simplicité par rapport aux autres modèles 5. Rapidité du calage et des simulations La Seine à Paris Le Loing à Episy L Yonne à Gurgy La Marne à la Ferté Le Grand Morin à Pommeuse La Seine à Bazoches L Yonne à Courlon L Armançon à Tronchoy Le Serein à Chablis Utilisations de GR4J sur le bassin de la Seine à Paris (Etude réalisée pour la DIREN IDF)

20 Présentation des modèles: GR4J Limites du modèle dans le cadre du projet Modèle global donc simulations uniquement à l exutoire des bassins jaugés Besoin d adaptation pour les bassins à régime très influencé (juste en aval des barrages) Représentation des apports/pertes souterraines extrêmement simplifiée Dépendance des paramètres calés aux variables climatiques -> Quelle garantie en cas de non-stationnarité climatique?

21 Présentation des modèles: CAB Développé pour les MCG, mais unité de référence = bassin hydrologique Topographie distribution de l'humidité du sol 3 fractions pour les bilans d'eau et d'énergie (approche TSVA)

22 Présentation des modèles: CAB Modèle semi-distribué (en sous bassin versant)