La prévision des ressources en eau grâce à la modélisation hydrométéorologique
3.2 La modélisation hydrologique pour prévoir les débits
3.2.2 Les chaînes de modélisation hydrométéorologique
L’hydrométéorologie est définie comme « la science qui étudie les interactions entres les phases atmosphériques et terrestre du cycle hydrologique, ainsi que les conséquences de ces interactions sur les ressources en eau des terres émergées » (Météo-France). L’hydrométéorologie rassemble donc les sciences de l’hydrologie et de la météorologie (et climatologie).
Ainsi, l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM) soutient les activités d’évaluation des ressources en eau. De plus, elle fournit les prévisions nécessaires pour planifier la gestion des ressources en eau grâce à un programme avec une approche globale et pluridisciplinaire [accessible sur internet, source : http://www.wmo.int/pages/prog/hwrp/index_en.php].
Des services hydrologiques et hydrométéorologiques nationaux comme le Service Central d’Hydrométéorologie et d’Appui à la Prévision des Inondations (SCHAPI) en France s’occupent donc d’hydrologie opérationnelle.
3.2.2. a Prévoir les débits pour prévoir les crues et inondations
Beaucoup de modèles hydrométéorologiques sont utilisés à courte ou moyenne échéance, notamment pour la prévision d’inondations. Un modèle météorologique à méso-échelle est généralement couplé à un modèle hydrologique distribué pour la prévision des crues comme en montagne [Kunstmann et al., 2005] ou dans les endroits où l’orographie est complexe [Verbunt et al., 2005 ; Pietroniro et al., 2007]. Dans le cas des crues rapides telles qu’en région méditerranéenne en France en Automne, Audard-Vincendon [2010] utilise une chaîne hydrométéorologique avec le modèle numérique de prévision du temps AROME, et les modèles de transfert de surface ISBA et hydrologique TOPMODEL.
Des prévisions d’ensemble de débits, comme pour les prévisions saisonnières de climat, sont alors utilisées pour mieux prendre en compte les incertitudes des précipitations totales [Cloke and Pappenberger, 2009]. Plusieurs simulations de modèles météorologiques sont alors utilisés [Davolio et al., 2008 ; Berg et al., 2010 ; Thirel, 2009].
3.2.2. b.
Prévoir les débits pour prévoir les étiages et sécheresses
Les sécheresses proviennent le plus couramment d’une quantité insuffisante de précipitations, et peuvent être amplifiées par des températures élevées, une augmentation de l’évaporation, une augmentation de la demande en eau par les hommes (alimentation en eau potable, irrigation pour l’agriculture…). Elles peuvent aussi être amplifiées par des événements climatiques tels que le phénomène El Niño en 1982/83 et 1997/98, affectant les Etats-Unis et certains pays en Afrique, Asie et du sud de l’Amérique (cf. sect. 2.2.2). La prévision des sécheresses est donc facilitée et de meilleure qualité dans certaines régions car elles sont en relations directes avec des phénomènes de circulation de grande échelle dans le système climatique.
En France, une analyse rétrospective des sécheresses sur 50 ans basée sur des indices, a permis une évaluation spatiale des sécheresses à travers le cycle hydrologique grâce à la chaîne hydrométéorologique SAFRAN-ISBA-MODCOU [Vidal et al., 2010a].
Le chapitre 7 sera consacré à la prévision des débits estivaux, nous détaillerons donc plus les études de prévision des étiages à ce moment là.
3.2.2.c Réaliser des projections pour mieux anticiper l’impact du réchauffement climatique sur l’hydrologie
A de plus longues échéances encore, les chaînes de modélisation hydrométéorologique sont aussi utilisés dans le cas des études d’impact du changement climatique sur les ressources en eau [Etchevers and Martin, 2002 ; Boé et al., 2009 ; Quintana Segui et al., 2010]. Des simulations de modèles de climat sont utilisées avec différents scénarios futurs possibles et forcent ainsi des modèles hydrologiques. Par exemple, récemment, le projet Garonne 2050 dont la mise en œuvre est assurée par l’Agence de l’eau Adour-Garonne, présente des scénarios contrastés pour l’avenir du bassin de la Garonne pour mieux anticiper les besoins des hommes en eau à l’horizon 2050 [Agence Adour-Garonne, source : http://www.garonne2050.fr/]
3.2.2. d Quelques exemples de chaînes de modélisation hydrométérologique
Les modèles hydrométéorologiques sont donc utilisés pour la prévision des débits, et font appel le plus souvent à des modèles hydrologiques couplés ou forcés par des modèles de transfert de surface et/ou des modèles météorologiques ou de climat [Seuffert et al., 2002 ; Wood et al., 2002 ; Verbunt et al., 2005].
Aux Etats-Unis, des modèles hydrométéorologiques ont été développé : par exemple, DHSVM (« Distributed Hydrology Soil Vegetation Model ») et VIC (« Variable Infiltration Capacity ») à l’université de Washington.
DHSVM est un modèle distribué à fine échelle (quelques dizaines à centaines de mètres) et comprend l’interception par la canopée, l’évaporation, la transpiration, l’accumulation et la fonte des neiges, ainsi que le ruissellement via un mécanisme d’excès de saturation [Wigmosta and Lettenmaier, 1994].
VIC est, quant à lui, un modèle distribué à large échelle. Il utilise un forçage météorologique classique (températures, précipitations, vent…) pour la simulation des cycles de l’eau et de l’énergie. Ensuite, il comprend un schéma de surface à mailles régulières et homogènes qui simule des processus sous-maille [Liang et al., 1994]. Enfin, il utilise un modèle hydrologique afin de réaliser le routage en rivière, par le biais d’hydrographes et des équations de Saint-Venant.
MESH (Modélisation Environnementale Communautaire- Surface et Hydrologie) est un modèle régional développé à Environnement Canada [Pietroniro et al., 2007]. Il inclut 3 modèles de surfaces et le modèle hydrologique WATFLOOD [Kouwen et al., 1993]. Il a été calibré et validé sur la région des Grands Lacs.
En Europe, LISFLOOD est un modèle distribué sur tout le territoire européen sur une maille de 5 km, développé par le Joint Research Center (JRC) [De Roo et al., 2000]. C’est un modèle semi-physique, servant entre autres à la prévision des crues, au changement climatique et l’occupation du sol. Il comprend lui aussi un schéma de surface et un modèle hydrologique. Il est notamment utilisé dans le cadre du système européen d’alerte des crues (EFAS).
En France, plusieurs modèles hydrologiques sont utilisés pour la prévision des débits. Par exemple, les modèles GR de l’IRSTEA (Institut national de Recherche en Sciences et Technologies pour l’Environnement et l’Agriculture). Ce sont des modèles empiriques globaux qui ont été testés sur de larges échantillons de bassins versants [Andréassian et al., 2006]. Ils ont été développés pour des pas de temps de fonctionnement différents : annuel (GR1A), mensuel (GR2M) et journalier (GR4J). Ils sont utilisés dans le cas de la prévision à court terme et long terme.
Le modèle MORDOR a quant à lui été développé pour servir dans un cadre opérationnel à EDF. Il est classé parmi les modèles « à réservoirs » et est beaucoup plus simple d’utilisation [Garçon, 1996]. Il permet la prévision sur une centaine de stations disposée sur une cinquantaine de rivières en France, avec des échéances allant de quelques jours à 6 mois dans deux centres opérationnels à Toulouse et Grenoble.
A Météo-France, la chaîne de modélisation hydrométéorologique SAFRAN-ISBA-MODCOU(SIM) est composé de trois modèles : SAFRAN, un modèle d’analyses atmosphériques ; ISBA, un schéma de surface et MODCOU, un modèle hydrogéologique. C’est une chaîne de modélisation utilisée en opérationnel et en recherche depuis quelques années, qui va être décrite dans la partie suivante, puisqu’il s’agit de la chaîne de modélisation utilisée dans cette thèse.