Depuis le 17 mars 2002, date de son lancement, la mission spatiale de gravimétrie GRACE de la NASA/DLR (National Aeronautics and Space Administration/Deutsches Zentrum für Luft and Raumfahrt) fournit des cartes mensuelles décrivant les variations du champ de gravité ter- restre. GRACE est constitué de deux satellites jumeaux, évoluant à environ 500 km d’altitude, sur la même orbite polaire, et séparés d’une distance d’environ 220 km. Les caractéristiques de position et de vitesse de ces deux satellites sont continuellement mesurées à l’aide d’un interfe- romètre à effet Doppler afin d’estimer les variations spatio-temporelles du champ de gravité.
Le champ de gravité de la Terre est communément décrit par la forme du géoïde terrestre, c’est-à-dire la surface correspondant à l’équipotentielle du champ de gravité la plus proche du niveau moyen des mers. Les données brutes fournies par GRACE se présentent sous la forme de cartes de coefficients harmoniques sphériques décrivant les variations mensuelles du geoïde terrestre liées aux redistributions des masses selon plusieurs compartiments : l’atmosphère, les océans, les eaux continentales, la biomasse et enfin la terre solide. Pour la première fois ces variations sont mesurables à grande échelle, tous les mois, avec une précision d’environ 1 cm, et à une résolution horizontale de quelques centaines de kilomètres (Ramillien et al., 2004; Wahr et al., 2004). Sur des périodes temporelles de l’ordre de quelques années, ces redistributions de masses concernent essentiellement les échanges d’eau entre les compartiments de l’enveloppe fluide de la Terre. L’une des principales applications de la mission GRACE va donc être d’ex- ploiter ces mesures de variations du geoïde terrestre pour caractériser le comportement du cycle hydrologique continental (Tapley et al., 2004; Wahr et al.,1998).
Plusieurs études se sont attachées à démontrer la viabilité des estimations de stocks d’eau proposées par GRACE en les comparant soit avec des données in-situ d’humidité du sol (Swenson et al.,2006) ou de débits (Syed et al.,2005,2007; Syed et al.,2009), soit à des sorties de modèles (Chen et al.,2005; Schmidt et al.,2006; Seo et al.,2006; Syed et al.,2008; Tapley et al.,2004). En combinant les données de GRACE avec des observations et/ou des sorties de modèles, il est possible d’accéder à des informations à grande échelle qui étaient jusqu’alors difficiles à obtenir avec des moyens classiques. Par exemple, ces données utilisées en combinaison avec des réanalyses ou des sorties de modèle peuvent servir à estimer des débits (Syed et al.,2005,2007; Syed et al.,
2009), des flux d’évapotranspiration (Ramillien et al., 2006; Rodell et al., 2004), la fonte des neiges ou des glaces (Frappart et al.,2006; Ramillien et al.,2008; Velicogna et Wahr,2006a,b), ou encore des variations de stocks d’eau souterraine (Rodell et al.,2007,2009; Yeh et al.,2006). Enfin, les données GRACE constituent un moyen sans précédent pour évaluer les stocks d’eau continentaux simulés dans les modèles de climat (Alkama et al., 2010; Decharme et al., 2010; Dijk et al., 2011; Güntner, 2008; Ngo-Duc et al., 2007; Swenson et Milly, 2006). Leur faible résolution et leur couverture globale en font des produits particulièrement adaptés à l’évaluation des variables hydrologiques des modèles de surface globaux. GRACE permet ainsi de pallier au manque d’observations dans certaines régions du monde. Niu et al. (2007) a notamment utilisé les données GRACE pour évaluer un modèle d’aquifère développé à l’échelle globale.
Dans cette thèse, les données GRACE ont été exploitées sur la période s’étendant d’août 2002 à août 2010 pour l’étude sur la France, et d’août 2002 à décembre 2008 à l’échelle globale. Ces périodes sont très courtes comparées aux échelles de temps géologiques. Elles permettent de considérer les variations des masses constituant la terre solide (magma, mouvement des roches. . .) comme étant négligeables. Cette composante peut être inclue dans le terme « statique » G0 du
champ de gravité représentant 99 % du champ total G, le terme dynamique étant constitué des variations de masse des stocks d’eau continentales (TWS), ∆GT W S, et de l’atmosphère, ∆Gatm.
L’intérêt d’utiliser GRACE pour l’évaluation des modèles de surface est d’extraire la composante ∆GT W S correspondant aux variations de stocks d’eau continentale :
∆GT W S(t) = G(t) − G0− ∆Gatm(t) (3.5)
3.3. Les données satellites GRACE 73
Fig. 3.16 – Moyenne temporelle des stocks de GRACE sur la période août 2002/décembre 2008 pour les produits (a) GFZ, (b) CSR et (c) JPL
Plusieurs organismes de recherche dans le monde se chargent de convertir les variations de champs de gravité en cartes mensuelles de variation de stocks d’eau. Ces variations sont fournies directement intégrées sur la verticale sur une grille globale de résolution 1˚×1˚, en hauteur d’eau équivalent. Les estimations de stocks d’eau utilisées dans cette thèse proviennent des institutions suivantes : le GFZ à Potsdam (Allemagne), le CSR au Texas (USA) et le JPL en Californie (USA). Ces produits ont tous été filtrés avec un filtre gaussien de largeur 300 km. La
74 Chapitre 3. Le cadre expérimental figure 3.16 montre la moyenne des stocks d’eau de GRACE pour ces trois produits.
Chapitre 4
Développement et évaluation du
schéma d’aquifère sur la France
Ce chapitre présente les développements apportés à TRIP et leur validation à l’échelle ré- gionale. Nous décrirons tout d’abord les résultats obtenus en terme de débits et de stocks d’eau simulés en utilisant TRIP sur la France. Ces premières simulations permettront de mieux com- prendre les défauts de TRIP. Nous évoquerons entre autre les limites imposées par l’utilisa- tion du pseudo-réservoir souterrain (cf. équation 2.26), initialement introduit pour retarder la contribution du drainage profond aux débits, et nous insisterons sur la nécessité d’avoir une représentation plus physique des écoulements souterrains. Dans un second temps, le développe- ment du schéma d’aquifère et son application sur la France seront abordés. Cette partie sera l’occasion de décrire l’élaboration du système de modélisation sur la France, grâce notamment aux données géologiques et hydrogéologiques dont nous disposons, et qui ont été brièvement évoquées au chapitre 3. Les débits et les hauteurs de nappes simulés seront respectivement com- parés aux débits observés et aux piézomètres sur la période 1970-2010. Les stocks d’eau simulés seront confrontés aux estimations issus du satellite GRACE sur la période 2003-2010. Enfin, les variables hydrologiques simulées par SIM serviront également de référence pour l’évaluation des débits, des hauteurs de nappe, et des échanges nappe/rivière sur la France. La dernière section s’attachera à résumer les principales conclusions de ce chapitre et à présenter les perspectives induites par cette étude.
Sommaire
4.1 L’application de TRIP sur la France . . . . 76
4.1.1 Résultats . . . 76 4.1.2 Discussion . . . 80