|
![]() |
![]() |
Le projet LIFE Eau&Climat (LIFE19 GIC/FR/001259)
a reçu un financement du programme LIFE de l’Union européenne.
|
![]() |
![]() |
Développé par le BRGM, EROS (Ensemble de Rivières Organisées en Sous bassins) désigne avant tout un logiciel de modélisation semi-distribué dédié à la modélisation de grands bassins versants (THIÉRY , 2018). Il permet la modélisation des débits des cours d’eau et de niveaux piézométriques de la nappe sous-jacente dans un bassin versant hétérogène découpé en sous-bassins. Ce bassin versant hétérogène est modélisé par EROS sous forme de grappes de sous-bassins emboîtés.
Figure 1 : Schéma de principe du modèle Gardénia. Cette configuration utilise un seul réservoir souterrain à deux orifices de vidange permettant de simuler un effet de débordement ou une fracture.
Dans chaque sous-bassin, EROS met en œuvre le modèle hydrologique global à réservoir GARDENIA (THIÉRY , 2014). Chaque modèle global simule de manière conceptuelle les principaux mécanismes du cycle de l’eau dans un sous-bassin versant (pluie, évapotranspiration, infiltration, écoulement) de manière conceptuelle. Les lois intégrées correspondent à un écoulement à travers une succession de réservoirs. Le principe de fonctionnement d’un modèle GARDENIA est schématisé sur la Figure 1. Dans un sous-bassin, les transferts d’un réservoir à l’autre sont régis par des lois simples décrites par les paramètres dimensionnels du modèle (capacité de rétention du sol, temps de transfert, seuils de débordement, etc.). Ces paramètres sont déterminés par ajustement simultané sur des séries d’observations de débits à l’exutoire des sous-bassins et des séries d’observations de niveaux piézométriques dans la nappe sous-jacente de certains sous bassins. Les paramètres sont calés par une méthode d’optimisation permettant de minimiser les écarts entre les séries de données observées et celles simulées par le modèle. Dans chaque sous-bassin, à partir de la séquence des données météorologiques (précipitations, évapotranspiration potentielle, température de l’air) sur le bassin d’alimentation, le modèle hydrologique global simule le débit élémentaire à l’exutoire du sous-bassin et le niveau piézométrique en un point représentatif de la nappe sous-jacente. Les débits élémentaires des sous-bassins sont alors agglomérés de l’amont vers l’aval, en prenant en compte le temps de transfert d’un bassin à l’autre. L’accumulation et la fonte de la neige peuvent être prise en compte, ainsi que les effets de prélèvements et de rejets d’eau en rivière ou en nappe dans certains sous-bassins (option non activée dans le projet Explore2).
Pour le projet Explore2, les données météorologiques journalières (précipitations totales et évapotranspiration de référence) utilisées en entrée du modèle proviennent de l’analyse atmosphérique Safran.
Le modèle a été initialement développé et proposé par le BRGM dans le cadre du projet de plate-forme de modélisation hydrogéologique nationale AquiFR (VERGNES et al., 2020) afin de fournir des simulations des niveaux piézométriques sur la région Bretagne, puis repris dans le projet Explore2 pour évaluer l’impact du changement climatique sur la ressource en eau dans cette région. Le modèle EROS-Bretagne couvre ainsi 96 sous-bassins versants et simule les chroniques de débits journaliers en rivière au droit de 96 stations hydrométriques et le niveau journalier de la nappe sous-jacente dans 41 piézomètres (Figure 2). Ces ensembles ont servi au calage du modèle.
Le modèle EROS-Bretagne a été calibré afin de reproduire au mieux les données d’observation des débits des cours d’eau et des niveaux piézométriques. La période de calibration varie en fonction des données d’observation disponibles. La plus longue période de calibration s’étend de 1976 à 2019 soit 43 années pour certains cours d’eau.
Dans le modèle EROS-Bretagne, les débits des 96 sous bassins sont simulés de manière indépendante. Cela signifie que ces sous-bassins sont déconnectés les uns des autres dans EROS, ce qui revient à simuler 96 modèles GARDENIA indépendants. Le calage est réalisé à la fois sur le débit du cours d’eau et le niveau de la nappe pour chaque sous bassin.
|
|
Figure 2 : Points de restitution du modèle EROS Bretagne (débit et niveau piézométrique). | Figure 3 : Points de restitution du modèle EROS Loire (débit). |
Le modèle EROS-Loire simule des débits journaliers à l’exutoire de 368 sous-bassins dont les surfaces varient de 40 à 1600 km² (Figure 3). Ces sous-bassins ont été choisis pour être les plus homogènes possibles par rapport à l’occupation du sol et à la géologie. Sa période de calibration s’étend de 1971 à 2019. Ce modèle a déjà utilisé dans plusieurs autres études, incluant des études d’impact du changement climatique (BUSTILLO et al., 2014; SEYEDHASHEMI et al., 2020).
Dans le cadre d’Explore2, EROS fournit les débits à l’exutoire de chaque bassin versant défini dans le modèle, ainsi que les niveaux de nappe au droit des piézomètres définis dans le modèle (uniquement pour EROS-Bretagne). Ces variables sont fournies au pas de temps journalier. Le code peut également fournir les composantes du bilan hydrique (ruissellement, infiltration, évapotranspiration réelle) ainsi que la lame d’eau de la fonte de la neige et l’équivalent en eau du stock de neige, si la neige est prise en compte dans le modèle.
La Figure 5 présente les performances du modèle sur 159 stations hydrométriques du réseau de référence présentes sur le bassin Loire-Bretagne.
En Bretagne, l’ensemble des stations hydrométriques ont une valeur de KGE√ supérieur à 0.83. Par ailleurs, les sept piézomètres de référence ont un coefficient de corrélation r supérieur à 0.93 et une valeur de Biais entre 0.01 et 0.19 m (Figure 4). Sur le bassin de la Loire, seuls les débits sont modélisés et EROS présente de bonne performance avec une valeur médiane de KGE√ égale à 0.88 ; cependant la dispersion est plus grande qu’en Bretagne ( KGE√ < 0.70 pour quatre stations de référence). Ces résultats montrent que le modèle reproduit les débits et les niveaux avec de bonnes performances une fois ses paramètres calibrés.
Le modèle EROS n’a pas fait l’objet d’une procédure de validation croisée comme GRSD et SMASH. L’examen de la Figure 5 suggère une tendance généralisée à la sous-estimation des débits de hautes eaux (Q10) et une surestimation des débits en étiage (Q90) par EROS sur la partie amont de la Loire.
|
|
Figure 4 : Exemples de hauteurs piézométriques journalières médianes inter-annuelles observées et simulées (m). |
Figure 5 : Performance constatée sur les débits simulés par EROS. |
BUSTILLO , V. et al. (2014). « A multimodel comparison for assessing water temperatures under changing climate conditions via the equilibrium temperature concept : case study of the Middle Loire River, France ». In : Hydrol. Process. 28, p. 1507-1524. DOI : 10.1002/hyp.9683.
SEYEDHASHEMI , H. et al. (2020). « Regional, multi-decadal analysis on the Loire River basin reveals that stream temperature increases faster than air temperature ». In : Hydrol. Earth Syst. Sci. 26, p. 2583-2603. DOI : 10.5194/hess-26-2583-2022.
THIÉRY , D. (2014). Logiciel GARDÉNIA, version v8.2. Guide d’utilisation. Rapp. tech. BRGM/RP-62797-FR.
THIÉRY , D. (2018). Logiciel ÉROS version v7.1. Guide d’utilisation. Rapp. tech. BRGM/RP-67704-FR.
VERGNES , J.-P. et al. (2020). « The AquiFR hydrometeorological modelling platform as a tool for improving groundwater resource monitoring over France : evaluation over a 60-year period ». In : Hydrol. Earth Syst. Sci. 24, p. 633-654. DOI : 10.5194/hess-24-633-2020.