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Le projet LIFE Eau&Climat (LIFE19 GIC/FR/001259)
a reçu un financement du programme LIFE de l’Union européenne.
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Le modèle CTRIP est un modèle de routage en rivière développé et maintenu au CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques) depuis le début des années 2000, avec pour objectif premier de représenter les écoulements de l’eau dans le réseau hydrographique sur l’ensemble des continents du globe dans le modèle global de climat du CNRM (DECHARME et al., 2019). CTRIP) est couplé au modèle de surface ISBA du CNRM, qui représente les échanges verticaux d’eau et d’énergie à l’interface sol-atmosphère. Le modèle couplé ISBA-CTRIP permet alors de représenter l’ensemble des processus hydrologique de l’échelle du sous-bassin versant à l’échelle continentale (Figure 1). Dans le cadre du projet Explore2, le modèle CTRIP) est déployé sur le territoire métropolitain (étendu à la Suisse pour le bassin amont du Rhône), et alimenté par le modèle ISBA dans sa configuration SIM2 (voir fiche modèle SIM2).
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Figure 1 : Représentation schématique du modèle couplé ISBA-CTRIP | Figure 2 : Représentation du réseau hydrographique de CTRIP à la résolution de 1/12° sur la France métropolitaine. |
Le modèle CTRIP est un modèle à base physique permettant avant tout de représenter les écoulements en rivière sur l’ensemble d’un réseau hydrographique. Ce dernier est établi sur une grille régulière à la résolution de 1/12° (soit environ 6-8 km sur la France, Figure 2) à partir du réseau hydrographique global MERIT-Hydro (YAMAZAKI et al., 2019) disponible à la résolution de 90 m et considéré aujourd’hui comme le plus précis à l’échelle du globe. Un certain nombre de paramètres hydro-géomorphologiques, tels que les longueurs et pentes des tronçons de rivière, sont obtenus à partir des données haute résolution issues de MERIT-Hydro, d’autres paramètres, tels que les largeurs, profondeurs et rugosité, à partir de formules empiriques (MUNIER et DECHARME , 2022). Il est fait l’hypothèse que chaque maille contient un et un seul tronçon de rivière, représenté sous la forme d’un réservoir s’écoulant dans la maille aval. L’équation de Manning est utilisée pour calculer la vitesse d’écoulement en fonction du volume d’eau dans le tronçon, lui-même mis à jour par les apports des tronçons amont et les ruissellements issus du modèle ISBA.
Le modèle CTRIP bénéficie en outre d’une représentation bidimensionnelle de la dynamique des aquifères et des échanges nappe-rivière (VERGNES et DECHARME, 2012).
Enfin, les processus de surface liés à la végétation (dont évapotranspiration réelle) et au manteau neigeux (dont sublimation et fonte) sont pris en compte dans le modèle ISBA (voir fiche modèle SIM2). A noter que le schéma d’inondation (DECHARME et al., 2012) n’a pas été ici utilisé car n’ayant que peu d’influence sur le territoire métropolitain. En outre, il est également important de noter que, contrairement à la plupart des modèles hydrologiques, le modèle CTRIP ne bénéficie pas d’une étape de calibration de ses paramètres. Ce choix permet d’assurer une cohérence spatiale lorsque le modèle est utilisé sur d’autres région du globe – voire en global – où peu d’observations sont disponibles.
La simulation a été réalisée en utilisant les forçages atmosphériques Safran en entrée du modèle Isba (dans sa configuration SIM2), puis les ruissellements et drainage issus d’Isba en entrée du modèle CTRIP. Les débits simulés par CTRIP sont comparés aux observations issues de la base de données constituée dans le cadre du projet Explore2.
La principale variable simulée par le modèle CTRIP est le débit sur chaque tronçon de rivière. Il est également possible d’extraire des variables telles que la hauteur d’eau en rivière, le niveau piézométrique des nappes souterraines, ou les flux d’échanges nappe-rivière, mais ces variables sont considérées comme conceptuelles et peuvent ne pas correspondre aux quantités réellement observées. D’autres variables considérées par CTRIP sont héritées d’Isba identiques à celles mises à disposition dans les sorties du modèle SIM2. Par conséquent, seule la variable débit est fournie dans le cadre du projet Explore2.
Une attention particulière a été portée sur la localisation des stations hydrométriques dans le réseau hydrographique de CTRIP. Pour cela, la méthode développée dans (MUNIER et DECHARME , 2022) a été utilisée. Elle repose sur la combinaison de deux critères appliqués aux mailles CTRIP proches géographiquement de la localisation rapportée dans les métadonnées de la station hydrométrique (source principale : Hydroportail). Le premier repose sur la différence relative entre la surface drainée obtenue dans les métadonnées de la station et celle drainée au niveau de chaque maille CTRIP considérée. Le deuxième critère quantifie le recouvrement des surfaces des bassins amont dans la base de données Explore2 et sur le réseau hydrographique de CTRIP. Ce dernier critère permet d’éviter l’association d’une station à une maille CTRIP correspondant à une rivière différente mais proche en terme d’aire drainée. Cette méthode a permis de localiser 2035 stations sur le réseau CTRIP, parmi l’ensemble des points de simulation retenus dans le projet Explore2.
La Figure 3 présente les performances du modèle sur 535 des 611 stations hydrométriques du réseau de référence. Globalement, les performances sont bonnes à très bonnes sur les principaux cours d’eau (drainant plus de 6000 km², 20 stations concernées), avec des valeurs de KGE√ supérieure à 0.50 (médiane autour de 0.88). Les performances sont plus incertaines sur les petits cours d’eau (197 bassins versants de moins de 200 km²) avec une médiane de KGE√ comparable (0.55), mais des valeurs négatives en 23 stations hydrométriques. Le modèle semble confronté à des difficultés en particulier dans les zones montagneuses (en particulier les Alpes), et dans le bassin de la Seine où les aquifères jouent un rôle non négligeable. L’examen de la Figure 3 suggère une tendance généralisée à la sous-estimation des débits en étiage (Q90) sauf dans le Nord-Est de la France.
Figure 3 : Performance constatée sur les débits simulés par CTRIP.
DECHARME , B. et al. (2012). « Global off-line evaluation of the ISBA-TRIP flood model ». In : Climate Dynamics 38.7–8, p. 1389–1412. DOI : https://doi.org/10.1007/s00382-011-1054-9.
DECHARME , B. et al. (2019). « Recent Changes in the ISBA-CTRIP Land Surface System for Use in the CNRM-CM6 Climate Model and in Global Off-Line Hydrological Applications ». In : Journal of Advances in Modeling Earth Systems 11.5, p. 1207-1252. DOI : https://doi.org/10.1029/2018MS001545.
MUNIER , S. et B. DECHARME (2022). « River network and hydro-geomorphological parameters at 1/12◦ resolution for global hydrological and climate studies ». In : Earth System Science Data 14.5, p. 2239-2258. DOI : 10.5194/essd-14-2239-2022.
VERGNES , J.-P. et B. DECHARME (2012). « A simple groundwater scheme in the TRIP river routing model : global off-line evaluation against GRACE terrestrial water storage estimates and observed river discharges ». In : Hydrology and Earth System Sciences 16.10, p. 3889-3908. DOI : 10.5194/hess-16-3889-2012.
YAMAZAKI , D. et al. (2019). « MERIT Hydro : A High-Resolution Global Hydrography Map Based on Latest Topography Dataset ». In : Water Resources Research 55.6, p. 5053-5073. DOI : https://doi.org/10.1029/ 2019WR024873.