Des modèles hydrogéologiques aux modèles de surface

Les premières représentations analytiques des écoulements souterrains furent proposées par Tóth (1963) au début des années 60. Les profils d’écoulement y sont décrits en résolvant ana- lytiquement l’équation de diffusion en régime permanent sur un bassin versant hypothétique. Son étude permit d’établir une hiérarchie des écoulements souterrains selon l’échelle spatiale considérée (cf. figure 1.8).

Par la suite, les progrès informatiques permirent l’essor des modélisations numériques, auto- risant ainsi l’étude de systèmes bien plus complexes impossibles à appréhender avec les solutions analytiques. Citons par exemple Freeze et Witherspoon (1966,1967,1968) qui furent parmi les premiers à développer un modèle pour simuler les écoulements souterrains, d’abord en régime permanent, puis en régime transitoire (Freeze,1971).

Mais, c’est dans les années 80 que les modèles hydrogéologiques régionaux se sont véritable- ment développés. Pour la plupart, ces modèles furent utilisés pour la prévision et la gestion de la ressource en eau à l’échelle régionale, ainsi que pour la compréhension des écoulements souter- rains et des relations nappe/surface dans le cadre d’études scientifiques. Le plus populaire est sans doute Modular Three-Dimensional Finite-Difference Groundwater Flow Model (MODFLOW)

1.3. La modélisation des écoulements souterrains 33 développé en 1988 par McDonald et Harbaugh (1988), et qui depuis a connu plusieurs évolu- tions (Harbaugh,2005; Harbaugh et al.,2000). En France, le modèle MODCOU a été développé dans le même esprit à l’École des Mines de Paris par Ledoux et al. (1989).

Si le développement des modèles hydrogéologiques s’est considérablement accru, la grande majorité des LSMs actuellement utilisés dans les modèles de climat n’inclut pas de représentation des processus d’écoulement souterrain. Les raisons invoquées sont diverses. Certains considèrent que la grande taille des mailles et la faible épaisseur de la couche de sol des LSMs rendent ces processus négligeables pour de telles applications à grande échelle, d’autant plus que l’absence de base de données globales sur les profondeurs de nappe ne facilite pas l’évaluation de ces processus (Yeh et Eltahir,2005a).

La plupart des LSMs actuels représentent donc la composante lente du sol via un drainage gravitaire à la base du sol. Plusieurs études ont utilisé le formalisme du modèle TOPography based hydrological MODel (TOPMODEL) (Beven et Kirkby, 1979) pour représenter la distri- bution de la profondeur de nappe au sein de la maille des modèles de climat (Ducharne et al.,

2000; Gedney et Cox,2003; Walko et al.,2000). Ce type d’approche permet le calcul d’un écou- lement de sub-surface afin d’assurer un débit de base vers la rivière. Un tel formalisme suppose cependant l’hypothèse d’une nappe à l’équilibre avec la surface et n’autorise aucune variation dynamique de la nappe ou de couplage explicite avec la surface.

Des études récentes ont pourtant montré le lien entre aquifère et variabilité climatique (Koster et Suarez, 2001; Yeh et Eltahir, 2005a). En interagissant avec les eaux de surface, les nappes influencent les échanges d’eau et d’énergie avec l’atmosphère. Une nappe proche de la surface aura comme conséquence d’augmenter l’humidité du sol, l’évaporation, et les débits de base en rivière, ce qui peut potentiellement avoir un impact sur le climat au moins à l’échelle régionale (Levine et Salvucci, 1999; Salvucci et Entekhabi, 1995; Yeh et al., 1998). Koster et Suarez (2001) ont montré que la mémoire à long terme de l’humidité du sol pouvait avoir un impact sur la variabilité climatique dans les régions de moyenne latitude. Or la persistance des variables hydrologiques tend justement à être sous-évaluée dans les modèles régionaux de climat, ce qui a pour conséquence des sols trop secs et des ruissellements trop marqués (van den Hurk et al., 2005). Ce manque de persistance se retrouve également dans d’autres composantes des modèles de climat, que ce soit en terme de température (Syroka et Toumi,2001), de précipitation (Bierkens et Hurk,2007) ou même de prévision d’évènements extrêmes (Weisheimer et al.,2011). Depuis plusieurs années, les eaux souterraines sont de plus en plus suspectées de jouer ce rôle de régulateur à long terme sur la variabilité climatique (Fan et al.,2007; Jiang et al.,2009; Lam et al., 2011; Maxwell et Miller,2005). C’est pourquoi, un nombre croissant de recherches se sont intéressés à la représentation des processus souterrains dans les CHSs implémentés dans les modèles de climats. La plupart de ces études ont été conduites en mode off-line, c’est-à- dire sans couplage avec un modèle atmosphérique, et sont forcées par des réanalyses de champs atmosphériques éventuellement corrigées de certains biais systématiques. Puisqu’il est impossible d’évaluer l’impact des rétroactions des aquifères sur l’atmosphère en mode off-line, ces études se sont principalement focalisées sur l’influence des aquifères sur les composantes du bilan en eau de surface et sur leur évaluation par rapport aux observations. Nous verrons cependant que certaines d’entre elles incluent un couplage avec l’atmosphère dans le but d’estimer l’impact des aquifères sur les champs atmosphériques et le climat. Le tableau 1.2 propose une liste non- exhaustive des travaux réalisés ces dernières années. Ces modèles peuvent se classer en deux catégories : les modèles à deux ou trois dimensions (2D ou 3D) et les modèles à une dimension (1D).

Les modèles 2D sont préférentiellement utilisés dans les études régionales climatiques ou de ressources en eau. Ces modèles sont essentiellement basés sur le couplage d’un modèle hy- drogéologique existant avec un modèle de surface. La conclusion majeure de ces études est de montrer que les aquifères améliorent le bilan d’eau des LSMs en rendant les couches de sol plus humides. Les variations basses fréquences de la nappe rendent le bilan de surface plus réaliste en augmentant d’une part l’évapotranspiration en période sèche et en améliorant d’autre part les débits de base en rivière. Citons par exemple les travaux de Gutowski et al. (2002) et York

34 Chapitre 1. Les ea ux souterraines d ans le cycle hydr ologique global

Type Modèle de surface Résolution Domaine Étude Couplage

avec AGCM

2D CLASP I & II (Gutowski et al.,₂₀₀₂₎ 2 km Bassin versant (40 × 40 km) York et al. (2002) _×

3D CLM-ParFlow (Maxwell et_{Miller, 2005)} 1 km Bassin versant (45 × 32 km) _{Ferguson et Maxwell (}Maxwell et al. (₂₀₁₀2007_{) ; Kollet}) ×

et Maxwell (2008)

2D

LEAF2-Hydro

(Miguez-Macho et al., 2007) 1.25 km Amérique du Nord

Fan et al. (2007) ; Miguez-Macho

et al. (2007)

Anyah et al. (2008) ×

Amazone _{Miguez-Macho et Fan (}Fan et Miguez-Macho (_2012a2010) ;_,b)

3D Xie et al. (2012) 10 km Bassin Versant (557 000 km2_{) Xie et al. (2012)}

2D

SIM (Durand et al.,1993;

Ledoux et al., 1989; Noilhan

et Planton,1989) ∼8 km

Adour Habets et al. (1999a,b)

Rhône Etchevers et al. (_(1999c2001₎) ; Habets et al.

Seine Rousset et al. (2004)

France Habets et al. (2008)

Rhin Thierion et al. (2012)

1D LSX-GW ou CLM-GW (Yeh et_{Eltahir,2005a,b) ∼300 km} Illinois Lo et al. (_{Eltahir (}2008,_2005a2010) ; Yeh et_,b)

1D VIC (Liang et Xie, 2003) 1/8˚ Bassin versant Liang et al. (2003)

60 km U.S.A Leung et al. (2011) _×

1D RegCM3 (Yuan et al.,2008) 60 km Chine Yuan et al. (2008) ×

1D SIMGM (Niu et al.,2007) 1˚ Global

Niu et al. (2007)

Lo et Famiglietti (2011) ×

32 km U.S.A Jiang et al. (2009) _×

1.3. La modélisation des écoulements souterrains 35 et al. (2002), qui ont proposé de coupler la colonne de sol d’un LSM basse résolution avec un modèle hydrogéologique régional 2D à plus fine résolution (MODFLOW pour l’étude de York et al. (2002)). La participation des aquifères à l’évapotranspiration en période sèche a été esti- mée à plus de 20 % dans la zone d’étude. Outre cet aspect, leur étude a démontré la faisabilité d’incorporer un modèle hydrogéologique dans un LSM.

Citons également les travaux plus récents de Fan et al. (2007) et Miguez-Macho et al. (2007), dans lesquels un modèle d’aquifère 2D a été développé et appliqué sur l’Amérique du Nord sur une grille de 1.25 km de résolution. L’humidité totale du sol est améliorée grâce aux remontées capillaires de la nappe et l’évaporation en période sèche est plus réaliste. Ces effets ont princi- palement lieu dans les régions où la nappe d’eau est proche du sol ou affleure, typiquement les zones humides et les vallées basses proches des rivières. Cette étude insiste également sur le rôle stabilisateur joué par les nappes sur les variations d’humidité des sols.

Enfin, à Météo France, le modèle hydrométéorologique SIM a été développé en collaboration avec le Centre de Géosciences de Mines ParisTech dans le but de simuler les flux d’eau et d’énergie à la surface, ainsi que l’évolution du débit des rivières et des principales nappes en France (Habets et al., 2008). Il s’utilise notamment dans les études d’impacts du changement climatique sur le débit des rivières, pour la prévision des ressources en eau, et en opérationnel pour la surveillance des débits de crue. Nous reviendrons en détail sur la description de ce modèle dans le chapitre 3.

Ces modèles régionaux nécessitent un grande nombre de données pour être calibrés. De plus, ils fonctionnent généralement à de fines résolutions. Ces contraintes les rendent difficiles à mettre en oeuvre pour des applications à grande échelle. A l’échelle globale, Arora et al. (1999) et Decharme et al. (2010) ont proposé une alternative simple en considérant un réservoir souterrain de stockage supplémentaire dans les RRMs. En permettant de retarder le drainage profond du LSM vers la rivière d’une durée imposée (30 jours dans Decharme et al. (2010)), un débit de base est assuré ce qui améliore ainsi les débits en période sèche. Ce type d’approche conceptuelle et purement hydrologique ne prend cependant pas en compte la dynamique propre des nappes. Aucun schéma d’aquifère n’est explicitement résolu, et le couplage avec le sol du LSM est impossible.

Des approches plus réalistes ont été proposées en considérant l’aquifère comme une extension de la colonne de sol déjà existante dans le LSM. Ces modèles 1D ne prennent généralement pas en compte les possibles transferts souterrains latéraux. Peu d’entre eux ont pour l’instant été appliqués à l’échelle globale. Le manque d’observations et le coût numérique supplémentaire engendré par les multiples couches de sols nécessaires à l’extension de la colonne de sol jusqu’à l’aquifère restent encore des obstacles importants. Mais aujourd’hui, l’avènement des produits satellitaires fournissant des données à l’échelle du globe offre de nouvelles perspectives. Ainsi, Niu et al. (2007) ont développé et appliqué un schéma d’aquifère simple à l’échelle globale en utilisant les estimations de stocks d’eau terrestre (Terrestrial Water Storage (TWS)) fournies par le satellite GRACE pour évaluer leur modèle. Une couche supplémentaire a ainsi été rajoutée sous la colonne de sol de l’aquifère permettant de simuler les variations de hauteur de nappes et les échanges entre l’aquifère et les couches supérieures (drainage et remontées capillaires).

Pour conclure cet état de l’art, signalons également les études récentes qui se sont intéressées à l’impact des eaux souterraines sur le climat régional en couplant un modèle de climat avec un modèles de surface. L’inclusion des eaux souterraines dans les simulations des modèles de climat peut augmenter et stabiliser l’humidité des sols et l’évapotranspiration, refroidir la surface et améliorer les précipitations. Anyah et al. (2008) et Jiang et al. (2009) ont montré sur l’Amérique du Nord qu’en utilisant deux modèles couplés distincts, les nappes d’eau augmentaient de ma- nière réaliste les précipitations en période sèche, principalement grâce à une augmentation de l’évapotranspiration. Yuan et al. (2008) ont mise en évidence sur la Chine une augmentation des précipitations dans les régions humides due à l’influence des eaux souterraines sur la circulation atmosphérique de grande échelle. Plus récemment, Lo et Famiglietti (2011) ont couplé le schéma développé par Niu et al. (2007) avec un modèle de climat dans le but d’observer la réponse des précipitations aux variations des stocks d’eau souterraine à l’échelle globale. Leurs résultats sont

36 Chapitre 1. Les eaux souterraines dans le cycle hydrologique global en accord avec les précédentes études, et insistent sur le caractère particulièrement inhomogène de la réponse des eaux souterraines aux précipitations.

1.3.4 Le couplage avec la surface