Impact du changement climatique sur les Ressources en Eau et les Extrêmes Hydrologiques dans les bassins de la Seine et la Somme
Résumé français
Résumé anglais
Justification
Objectifs
Sites retenus
Partenaires
Work packages
Programme de travail
Valorisation
Références citées
Le projet se décompose en 6 volets (V1 à V6), chaque volet ayant un responsable pour sa coordination, et étant détaillé ci-dessous.
V1.
Scénarios climatiques et désagrégation
V2. Modélisation hydrologique
V3. Analyse fréquentielle et prédétermination
V4. Inondations
V5. Agriculture, irrigation et pollution diffuse par les nitrates
V6. Transfert aux gestionnaires des bassins
V2. Modélisation hydrologique
V3. Analyse fréquentielle et prédétermination
V4. Inondations
V5. Agriculture, irrigation et pollution diffuse par les nitrates
V6. Transfert aux gestionnaires des bassins
V1. Scénarios climatiques et désagrégation (CERFACS, CNRM ; responsable : L. Terray)
Les ingrédients nécessaires à toute étude de régionalisation et d’impact sont d’une part des scénarios climatiques provenant en général de modèles de circulation générale atmosphérique (en mode forcé et/ou couplé) et d’autre part, des méthodes de désagrégation qui permettent de construire les fonctions de transfert entre la grande échelle représentée dans les modèles de climat et la petite échelle adaptée aux modèles d’impact. Ici, la petite échelle est celle qui caractérise la fonction de forçage des modèles d’impacts utilisés dans les volets V2 et V5.
Simulations climatiques
Les modèles atmosphériques utilisés dans ce projet seront forcés par le scénario A2 du SRES pour l’évolution des gaz à effet de serre. Les températures de surface de la mer seront issues d’un modèle couplé océan-atmosphère global, le modèle ARPEGE-OPA, qui a été utilisé pour les simulations numériques réalisées dans le cadre du 4ème rapport du GIEC. Deux simulations atmosphériques différentes du changement climatique seront utilisées :
- la première est issue d’un modèle global à résolution variable avec une résolution élevée sur la zone Euro-Atlantique. Il s’agit du modèle ARPEGE-climat version 3 (ARPEGE-VR3) développé par le CNRM et qui est utilisé dans le cadre du projet DISCENDO sur la détection et l’attribution du changement climatique à l’échelle régionale. Le modèle a une résolution d’au moins 100 km sur l’Europe et l’Atlantique Nord avec 60 km sur la France. Cette simulation est représentative de la période 2050-2099.
- la deuxième utilise une version plus récente du modèle ci-dessus, la version ARPEGE-VR4, légèrement différente en terme de résolution et de paramétrisations physiques de celle de DISCENDO. Aussi, la résolution horizontale est de 50 km sur l’Europe. La simulation utilisée est continue sur la période 2000-2050 dans le cadre du projet Européen ENSEMBLES et sera étendue jusqu’à la fin du 21ième siècle pour le présent projet.
La problématique de la désagrégation est ici de transformer l’information contenue dans les simulations de scénario réalisées avec les modèles atmosphériques en une fonction de forçage des modèles d’impact (hydrologiques, hydrogéologiques, agronomiques). Nous proposons d’utiliser les deux approches originales décrites précédemment, et aboutissant à des résultats différents pour l’aspect désagrégation :
- l'approche directe dite de correction variable
- l’approche en régime, selon la méthode développée dans le cadre du projet RIVAGES
On se propose donc :
- d’adapter et appliquer les 2 méthodes de désagrégation (correction variable et régime) à la simulation du climat présent DISCENDO et à la simulation continue ENSEMBLES. Il sera alors possible d’analyser les résultats et de valider la fonction de forçage avec des observations indépendantes (par exemple les données SQR4 – Stations Quotidiennes de Référence version 4) ;
- d’appliquer les 2 méthodes à une simulation DISCENDO sur la période 2050-2099 et à la simulation continue ARPEGE-VR4 d’ENSEMBLES;
- il sera possible de générer plusieurs échantillons de la fonction de forçage pour estimer la dispersion et quantifier l’incertitude associée.
Les scénarios climatiques A2 reconstitués dans le volet V1 seront utilisés par des modèles hydrologiques pour étudier l’impact sur la ressource en eau des bassins versants de la Seine et de la Somme. On utilisera 5 modèles différents, afin d’aborder les incertitudes liées à la modélisation hydrologique.
Choix des modèles hydrologiques
Les différents types de modèles hydrologiques seront représentés par : un modèle non distribué (GR4J, Perrin et al. 2003), deux modèles hydrogéologiques distribués (MARTHE, Thiéry 1990 ; MODCOU, Ledoux et al., 1989) et deux modèles hydrométéorologiques distribués (CaB, Ducharne et al. 2000; SIM, Habets et al . 1999). Tous les modèles ont déjà été utilisés sur les bassins versants étudiés, et certains d’entre eux sont ou vont être utilisés pour la prévision de débit (MODCOU, GR4J et MARTHE) et le suivi opérationnel du contenu en eau du sol (SIM). De plus les modèles MODCOU et CaB ont déjà participé à la première étude GICC sur la Seine, et les modèles CaB, MARTHE, MODCOU et SIM participent au projet PNRH-Somme visant à mieux comprendre les processus ayant conduit aux inondations de 2001.
Ainsi, l’impact du changement climatique sur les bassins de la Somme et de la Seine sera simulé avec 4 modèles différents : CaB, MODCOU et SIM sur les 2 bassins versants, MARTHE sur le bassin de la Somme, et GR4J sur le bassin de la Seine à Paris, ainsi que sur des petits basins amont de l’Yonne, du Serein, de l’Armançon et du Grand Morin.
Caractéristiques des modèles
L’atout de cette approche multimodèle repose sur les différences conceptuelles de ces différents modèles. En effet, le modèle GR4J étant un modèle de bassin à réservoirs, il représente de façon très implicite le fonctionnement des nappes. De plus, le modèle GR4J ayant peu de paramètres, il est facilement étalonné, et obtient généralement des résultats sur les petits bassins versants de meilleure qualité que ceux obtenus par les modèles distribués.
Les modèles hydrogéologiques MARTHE et MODCOU sont tous les deux distribués. Ils représentent les mêmes processus physiques (bilan hydrique de surface, transfert dans la zone non saturée, écoulements latéraux dans les nappes, échanges nappe-rivière, transfert en rivière), avec des formulations différentes. MARTHE, MODCOU et GR4J utilisent un pas de temps supérieur ou égal à la journée, et de ce fait, nécessitent un minimum de variables atmosphériques : les précipitations et évapotranspirations potentielles journalières, ainsi que les températures minimales et maximales journalières.
Les modèles hydrométéorologiques CaB et SIM se distinguent des modèles précédents, car ils résolvent les cycles diurnes des bilans d’eau et d’énergie en surface. Pour cela, ils nécessitent un grand nombre de variables atmosphériques en entrée : les précipitations (solides et liquides), la température et l’humidité de l’air, la vitesse de vent, les rayonnements visible et infra-rouge incidents, et la pression de surface. Ces deux modèles sont assez différents. En particulier CaB simule une zone saturée représentant de façon implicite la nappe de la craie (selon Beven and Kirkby, 1979), alors que dans SIM, les écoulements latéraux des nappes sont simulés explicitement.
Simulations des impacts du changement climatiques sur la ressource en eau
Les simulations seront faites en utilisant les 2 types de scénarios climatiques (continus et non continus) désagrégés établis dans le volet V1. Les nappes ayant un rôle important sur le fonctionnement des bassins versants de la Somme et de la Seine, il est important de bien les simuler. Cependant, le niveau des nappes évolue assez lentement, et il est fort probable qu’elles n’auront pas atteint un nouvel état d’équilibre d’ici la fin du siècle. L’utilisation de scénarios continus permettra de simuler l’évolution du niveau de ces nappes sur la période transitoire, en partant des conditions du temps présent. C’est donc un aspect essentiel de ce projet, car le scénario continu permettra une meilleure estimation des impacts du changement climatique sur les débits. De plus, le scénario continu permettra d’estimer la vitesse à laquelle s’effectueront les modifications induites par le changement climatique. On utilisera également les résultats de ces simulations pour initialiser de façon réaliste les simulations du scénario non continu, issu du projet DISCENDO.
Au total, 3 méthodes de désagrégation seront disponibles : la méthode des perturbations utilisée dans les précédentes études GICC sur le Rhône et la Seine, la méthode de correction variable, et la méthode des régimes. Afin de quantifier les impacts liés à ces méthodes de désagrégation, 2 modèles vont simuler les impacts en utilisant les scénarios désagrégés par ces 3 méthodes : les modèles GR4J et SIM. Il sera alors possible de vérifier si les impacts sont les mêmes pour deux modèles hydrologiques très différents.
Analyse des impacts du changement climatique
L’analyse des impacts du changement climatique sur la ressource en eau portera sur plusieurs variables : évolution des débits, des niveaux piézométriques, de l’humidité des sols et de l’évapotranspiration. On regardera également les impacts sur les composantes du flux d’énergie, et sur la température du sol simulés par CaB et SIM. Les analyses des impacts du changement climatique seront différentes de celles qui ont été réalisées lors des précédentes études GICC (Rhône et Seine). En effet, les méthodes de désagrégation utilisées permettent d’analyser plus finement les impacts, notamment en terme d’extrêmes et de fréquences. On se propose donc, pour chaque variable d’intérêt, d’étudier l’évolution des valeurs associées aux différents quantiles. On s’intéressera en particulier aux quantiles 90% et 99%, afin d’étudier l’évolution des extrêmes.
Cependant, pour analyser les simulations continues, on ne peut utiliser les méthodes classiques, qui comparent les résultats obtenus sur l’ensemble de la période future simulée aux simulations temps présent. Un premier scénario continu avait été utilisé par Caballero et al. (2005), pour étudier les impacts sur le bassin versant de la Garonne. Dans cette étude, la période transitoire avait été séparée en périodes de 10 ans sur lesquelles était appliquée la méthode des perturbations mensuelles. Aussi, les impacts étaient analysés au pas de temps mensuel en moyenne sur des périodes de 10 ans.
Nous ne pouvons utiliser directement cette méthode, puisque nous voulons mener des analyses en fréquence, qui nécessitent un échantillon de cas important. On se propose donc de procéder à une analyse de la période transitoire par période glissante d’environ 20 ans (la durée idéale de la période restant à définir), et d’étudier sur ces périodes l’évolution des distributions des principales variables hydrologiques. Cela permettra d’évaluer l’évolution continue des valeurs associées aux différents quantiles. De plus, on essaiera d’estimer les tendances des évolutions des différentes variables étudiées.
Les analyses en fréquence seront menées sur des cycles annuels complets, mais, également, sur des périodes saisonnières, afin d’étudier les modifications des cycles saisonniers liées au renforcement du cycle annuel des précipitations simulé par les modèles de climat. En terme de débits, ces analyses seront menées au pas de temps journalier sur des stations hydrométriques prédéfinies. Pour les niveaux piézométriques, on étudiera l’évolution du niveau des aquifères en moyenne sur chaque couche. Les contenus en eau du sol seront analysés sur l’ensemble des deux bassins, et sur des sous-bassins prédéfinis. De même, les composantes du bilan d’énergie, et les températures de surface seront analysées en moyenne sur des sous-bassins versants. Les périodes de retour et les régimes de débits seront analysés plus en détail dans le volet V3.
Comparaison des impacts simulés par les différents modèles hydrologiques
Tous les modèles hydrologiques obtenant des résultats réalistes sur le temps présent, la comparaison des impacts du changement climatique sur la ressource en eau simulée par ces modèles permettra donc d’étudier les incertitudes associées à la modélisation hydrologique.
La méthode d’analyse étant commune aux différents modèles, il sera possible de comparer les différents impacts simulés pour chaque sous-bassin et sur la totalité des bassins. On regardera si la dispersion entre modèles peut être associée à leurs paramétrisations physiques : global vs distribué, hydrologique vs hydrométéorologique, simulation explicite des écoulements de nappe vs implicite. On regardera également si la dispersion varie avec la surface des bassins versants étudiés.
V3. Analyse fréquentielle et prédétermination (Cemagref Lyon, BRGM ; responsable : E. Leblois)
L’analyse fréquentielle des crues consiste à échantillonner chaque variable d’intérêt (au moins le débit de pointe d’une crue, ou son volume) et à l’ajuster à une loi statistique (par exemple la loi de Pareto pour les dépassements de seuil, qui correspond sous hypothèse d’un flux d’événements poissonien à une loi dite GEV pour les maximaux annuels, dont la classique loi de Gumbel est un cas particulier ; Lang et al. 1999, Coles, 2004). Le Cemagref maîtrise cette approche qu’il a développée en une variante intégrée dite « QdF », qui exploite la relation entre (1) les distributions statistiques des débits moyens sur diverses durées et (2) celle des débits dépassés sur les mêmes durées. Les premiers sont, à la durée près, assimilables à des volumes et déterminent la gestion physique des phénomènes, tandis que les deuxièmes conditionnent les ruptures de navigabilité, débordements, inondations et autres, soit beaucoup plus l’impact social des événements (Javelle, 2001 ; Sauquet et al. 2003 ; Lang et al, 2005).
Cette approche « QdF » permet :
- une synthèse descriptive de la variabilité considérée, y compris de certaines caractéristiques dynamiques importantes (durée des crues surtout) ;
- l’attribution rétrospective de fréquences expérimentales aux valeurs caractérisant les événements survenus ;
- surtout, la détermination d’un nombre limité d’événements représentatifs de l’aléa hydrologique, utilisables comme une famille de « crues de projet » que le milieu doit pouvoir gérer avec des dommages qui demeurent raisonnables eu égard à leur fréquence.
L’intérêt est de replacer au fil des décennies chacune des caractéristiques extrêmes, en particulier celles à vertu réglementaire pour la gestion opérationnelle des eaux (QMNA5) ou celles utilisées pour les scénarios d’inondation. Ceci pourra se traduire par le fait qu’une crue fixée pourra être décennale en début du XXI siècle, et éventuellement quinquennale à la fin.
L’incertitude de détermination de tels événements statistiques dépend bien sûr de la quantité d’information disponible. Dans ce projet, le recours à des simulations d’ensemble (pour les simulations non continues de DISCENDO) et à des simulations longues (pour la simulation continue, en « dérive progressive du climat ») donne suffisamment d’information pour évaluer (numériquement s’entend, et avec l’intervalle de confiance qui correspond) les grandeurs décennales et centennales usuellement retenues pour la caractérisation du risque d’inondation.
Plus délicat est le fait que dans le cas d’un réseau hydrographique étudié globalement, qui présente des concomitances importantes (Marne/Seine, Oise/Seine, Yonne/Seine, Hallue/Somme, etc…), la variabilité spatiale des événements empêche la construction d’une famille unique d’événements, homogènes en fréquence, qui serait utilisable pour le dimensionnement. Les techniques statistiques qui permettent d’aborder ces questions, relativement élaborées (e.g. Coles, 2004), sont un champ actuel de travail au Cemagref, dont les résultats ne seront mobilisés que s’ils étaient directement utilisables. Dans le cadre du présent programme, l’approche QdF « standard » sera plutôt menée indépendamment sur chaque bief (défini pour la présente tache V3 comme l’espace situé entre deux confluences).
Chaque événement hydrologique (Ei) identifiable dans les simulations de la tache V2 sera qualifié en date (di) et en débit (Qi) vis à vis de chacun des biefs, ceci permettant
- de sélectionner les sous-ensembles pertinents d’événements hydrologiques à simuler hydrauliquement, soit au niveau du bassin entier soit sur des sous-secteurs, afin d’obtenir une description efficace de l’aléa global,
- de qualifier chaque événement simulé, pour chaque bief, quant à sa période de retour (Tij) et d’exprimer comment cette période de retour évoluera au fil du siècle.
Les étiages seront examinés selon une approche analogue. Il est attendu une forte autocorrélation spatiale et temporelle des étiages et une dépendance évidente vis-à-vis de la composante souterraine ; on identifiera donc les durées de périodes continues avec des niveaux inférieurs à un seuil de débit et réciproquement les niveaux non dépassés pendant une durée fixée, conditionnés chaque fois aux niveaux piézométriques, dont les variations sont souvent pluriannuelles. Nous ciblerons sur le bassin de la Somme l’étude de la contribution des aquifères sur les régimes de crue et d’étiage. En effet, l’influence des nappes y plus prononcée que dans la Seine, et on y dispose d’un grand nombre d’observations de débit et de niveau de nappe sur l’ensemble du bassin (plus de 30 stations piézométriques et au moins 5 stations hydrométriques. Ce travail associera le BRGM pour l’étude des variations piézométriques.
V4. Inondations (Sisyphe, SOGREAH, Hydratec ; responsable : L. Oudin)
Afin d’illustrer l’impact du changement climatique sur les extrêmes hydrologiques, on s’intéressera à l’extension des zones d’inondations sur des crues type (par exemple de période de retour 10 ans), simulées à partir des modèles hydrologiques CaB, SIM et GR4J (V2) et identifiées à partir de l’analyse fréquentielle menée au volet V3.
Ces modèles simulent les débits sur l’ensemble du réseau hydrographique alors que les gestionnaires utilisent généralement les hauteurs d’eau et/ou les zones d’inondation afin d’évaluer les risques encourus par la population en période de crue. En outre, les dommages matériels dus aux inondations sont chiffrés à partir des niveaux d’eau atteints ou de surface de terres inondées. L’objectif de ce volet est donc de donner aux gestionnaires de bassins des éléments de réflexion sur les conséquences matérielles des crues dans l’optique d’un changement climatique. Notons que le but n’est pas de représenter les plaines d’inondation sur toute la superficie des bassins de la Seine et de la Somme, mais de donner un ordre de grandeur des extension des plaines d’inondation sur quelques zones sensibles.
Pour cela, les hydrogrammes de crue simulés par les modèles CaB, SIM et GR4J seront propagés le long des vallées inondables, ce qui permettra d’évaluer les niveaux d’eau atteints à certains points du réseau hydrographique. Deux modèle hydrauliques seront utilisés : le modèle développé par SOGREAH sur la vallée de la Somme et le modèle MRIF (Lepelletier et al., 1997) développé par Hydratec sur le bassin de la Seine. A partir des niveaux d’eau obtenus, les plaines d’inondation seront évaluées et représentées sous forme de cartes pour des zones sensibles identifiées sur les deux bassins.
L’analyse se fera par comparaison des zones d’inondation sous le climat actuel et sous le climat futur. On s'intéressera en particulier à la modification de l'extension des inondations décennales, ou de période de retour plus importante si on le peut, dans des zones sensibles:
- La vallée de la Somme d'Amiens à Abbeville ;
- La Seine à Paris ;
- La plaine alluviale de la Bassée, entre les confluences Seine-Aube et Seine-Yonne ; c'est une zone humide classée en ZNIEFF (zone naturelle d’intérêt écologique, faunistique et floristique), et on y trouve la centrale nucléaire de Nogent sur Seine.
V5. Agriculture, irrigation et pollution diffuse par les nitrates (ARMINES, Sisyphe, INRA ; responsable : P. Viennot)
D’une manière générale, sous climat perturbé ou non, l’irrigation a deux grands impacts sur les hydro-systèmes continentaux :
- des prélèvements importants pour l’irrigation en nappe phréatique sont susceptibles d’altérer, à terme, la ressource en eau générale du bassin ;
- l’irrigation modifie le développement des cultures (augmentation des rendements, diminution du cycle de végétation …) et par là même la mobilisation des nitrates par les plantes.
Ce travail sera mené à l’aide de la chaîne de modélisation STICS-MODCOU, opérationnelle sur l’ensemble du bassin de la Seine (Gomez et al., 2003) et particulièrement bien adaptée à répondre à ce type de question puisque couplant un modèle agronomique (STICS, Brisson et al., 2003) au modèle hydrogéologique MODCOU. Une première étape sera de caractériser les besoins en eau par irrigation, qui peuvent être approchés selon deux méthodes distinctes :
- une méthode « à dire d’experts de l’INRA » qui fournira des règles d’irrigation : besoins moyens globaux annuels par grand type de culture (maïs, céréales, pommes de terre …) et par grande région agricole, calendrier d’application de cette irrigation.
- une seconde méthode, plus optimisée du point de vue gestion de la ressource en eau, consiste en l’utilisation du modèle agronomique STICS pour définir, à un pas de temps choisi, les besoins effectifs en irrigation. En effet, le modèle STICS permet de connaître, à chaque pas de temps de calcul et pour chaque petite région agricole du bassin, les besoins précis en eau nécessaires au développement optimal de la plante. Il devient alors possible d’estimer de manière théorique les quantités d’eau précises à apporter par irrigation à chaque pas de temps de calcul, comme cela a déjà été mis en œuvre dans la basse vallée de la Drome dans le cadre du projet GICC-Rhône.
Notons que nous n’avons pas les moyens pour l’instant de rendre compte des possibles rétroactions liées à l’irrigation, comme une limitation de celle-ci (soit directement par limitation des prélèvements soit indirectement par modification des successions culturales par exemple) si la demande « optimale » considérée s’avère incompatible avec une gestion durable de la ressource en eau.
V6. Transfert aux gestionnaires des bassins (tous les partenaires ; responsable : P. Ribstein)
Nous proposons de diffuser nos résultats aux acteurs de l’aménagement du territoire et de la gestion de l’eau dans les bassins versants étudiés, sous une forme adaptée pour leur permettre une expertise socio-économique de la modification des extrêmes hydrologiques, et définie avec eux. Parmi les questions sensibles dans ce cadre, on trouve les rejets urbains de temps de pluie et l'influence des inondations sur les infrastructures, les transports et la production d'énergie. Ce type d'analyse, même qualitative, est important pour étayer des stratégies d'adaptation au changement climatique, mais ces dernières ne seront pas abordées par ce projet. Nous nous limiterons à la restitution des avis fournis par les experts. En fonction des expériences passées, et des difficultés rencontrées, nous établirons dès le début du projet une liste des résultats importants pour l’analyse des experts, en concertation avec eux. Nous nous appuierons sur la possibilité nouvelle d’évaluer l’impact du changement climatique sur les événements extrêmes.
Ce travail bénéficiera des contacts des différents partenaires du projet avec ces acteurs opérationnels :
- Electricité de France et le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) impliqués dans le cadre du projet IMFREX ;
- L’Agence de l’Eau Artois-Picardie et les services municipaux d’Amiens et d’Abbeville dans le cadre des études sur la Somme ;
- Les acteurs impliqués dans le projet GICC-Seine qui a comporté un atelier de réflexion autour des principaux enjeux du CC en terme de gestion de l'eau, auquel ont participé 19 gestionnaires (MEDD, Ministère de l'Equipement, MEDIAS-France, DIREN, AESN, SIAAP, IIBRBS, Conseil Général des Hauts de Seine, Mairie de Paris) et 7 scientifiques invités (y compris des chercheurs d’EDF/R&D). La matinée fut consacrée à la présentation des principaux résultats du projet, et l’après-midi à une discussion libre avec les gestionnaires, ayant abouti à une liste de sorties de modèles et diagnostics particulièrement intéressants pour aller plus loin. Cet atelier fut jugé très productif de part et d'autre mais n’a pas eu de suite concrète. On peut aussi noter qu’un certain nombre des demandes de la part des gestionnaires du bassin ne pouvaient pas être satisfaites par le projet GICC-Seine, qui ne permettait pas d’aborder les événements extrêmes.