1 - Introduction

J2000 est un modèle hydrologique développé par l’UR RiverLy, INRAE Lyon (initialement développé en Allemagne au Forschungszentrum Jülich, puis à l’Université de Jena) avec un objectif de modélisation quantitative et qualitative. Le modèle est adapté aux bassins versants allant de 10 à plus de 100 000 km² et fonctionne dans la plate-forme de modélisation JAMS.

2 - Description du modèle

J2000 est un modèle distribué à base physique qui simule les principaux processus hydrologiques sur un maillage irrégulier constitué d’Unités de Réponse Hydrologiques (HRU pourHydrological Response Unit, en anglais). Le modèle utilise une approche réservoir pour représenter les compartiments de stockage d’eau. Le modèle tourne au pas de temps journalier. Le maillage est obtenu avec une logiciel de discrétisation HRU-delin qui découpe le bassin versant en HRU à partir de données spatiales : modèle numérique de terrain (MNT), localisation des stations de mesure, occupation du sol, pédologie et géologie. La génération des HRU se fait en plusieurs étapes : remplissage des lacunes éventuelles du MNT, découpage en bandes d’altitude, génération d’une carte de drainage à partir de la pente et l’aspect, relocalisation des stations sur les brins de rivières générés par le découpage, intersection des couches de données et création des connexions topologiques entres les HRUs et les brins de rivière. Dans chaque HRU, les principaux processus hydrologiques sont modélisés (HORNER , 2020, Hydrological_Model_J2000, Figure 1) :

• Interception par la végétation,

• Partition pluie/neige des précipitations,

• Accumulation et fonte de la neige,

• Ruissellement de surface,

• Infiltration dans le sol,

• Évapotranspiration,

• Percolation vers la nappe,

• Écoulements dans le réseau hydrographique.

Figure 1 : Schéma conceptuel du modèle hydrologique dans chaque maille du modèle.

Les maillages de J2000-Rhône et J2000-Loire ont été réalisées à partir de différentes bases de données spatialisées, résumées dans le Tableau 1 :

Figure 2 : Schéma conceptuel du routage des flux hydrologiques entre HRU puis dans le réseau hydrographique.	Tableau 1 : Quelques caractéristiques du modèle hydrologique J2000-Rhône et J2000-Loire

Les deux modèles J2000-Rhône et J2000-Loire sont calés « manuellement », car un calage automatique est proscrit en raison du trop grand nombre de paramètres. Les paramètres sont initialement fixés a priori à partir d’une valeur physique (ex. profondeur du sol, coefficients de culture). Le calage de J2000-Rhône (BRANGER et al., 2016) a été réalisé en plusieurs étapes : constat d’une mauvaise valeur de performance sur une station (sur la base notamment du NSE), identification des causes de la mauvaise performance (par exemple, contribution trop faible ou trop importante du débit de base ou du ruissellement), mise à jour des paramètres et évaluation de la modification. Le calage de J2000-Loire, pour le projet Explore2, a été réalisé de manière semi-automatique, par l’analyse successive d’ensembles de simulations, permettant de faire varier des paramètres (distribués et globaux) sur une plage de valeurs possibles et physiquement crédibles. Les paramètres donnant la valeur médiane de KGE la plus élevée (par classe d’occupation de sol, de géologie, etc. pour les paramètres distribués, et sur toutes les stations pour les paramètres globaux) sont retenus. L’opération est répétée jusqu’à convergence des scores KGE vers une valeur plateau.

Un traitement est effectué afin de déterminer les proportions de précipitations sous forme de neige et de pluie. Les précipitations sont considérées comme de la neige lorsque la température moyenne journalière est inférieure à +1°C (resp. +1°C), ou comme de la pluie si cette température est supérieure à +3°C (resp. +4°C) pour le Rhône (resp. pour la Loire). Entre ces deux températures, une fonction linéaire est appliquée afin de répartir les précipitations. Les fractions moyennes de précipitations neigeuses par rapport à la précipitation totale, estimées sur la période 1976-2019 sur les stations de référence, sont bien corrélées à celles calculées à partir des données d’observations SAFRAN sur la même période (Figure 3. Notons toutefois des valeurs de fraction neigeuse plus élevées que celles issues de SAFRAN en moyenne montagne.

Figure 3 : Fractions moyennes de précipitations liquides et neigeuses par rapport à la précipitation totale estimées par le modèle J2000 et calculées sur les données journalières SAFRAN agrégées aux stations de référence (1976- 2019).

3 - Variables simulées

Les variables simulés par J2000 dans le cadre du projet Explore2 correspondent à :

• Débits aux points de simulation ou dans les brins (reach) les plus proches des points de simulations,

• Évapotranspiration réelle agrégée par bassin versant au point de simulation actET,

• Recharge définie comme le pourcentage de remplissage moyen du réservoir RG1 agrégé par bassin versant au point de simulation : actRG1/MaxRG1,

• Humidité du sol SWI définie comme la somme du % de remplissage des réservoirs MPS et LPS agrégés par bassin versant au point de simulation à la somme : actMPS/MPSmax + actLPS/LPSmax,

• Neige estimée par le stockage de neige en mm (SWE) sur chaque bassin versant agrégée par bassin versant au point de simulation.

4 - Performance

J2000 affiche des bons scores de KGE√, compris entre 0.33 et 0.97, la médiane se situant à 0.92 (Figure 4). Globalement, les performances sont bonnes sur les principaux cours d’eau (drainant plus de 6000 km², 17 stations concernées), avec des valeurs de KGE√ supérieure à 0.63 (médiane autour de 0.87). Les performances sont plus incertaines sur les petits cours d’eau (95 bassins versants de moins de 200 km²) avec une médiane de KGE√ comparable (0.75) et une valeur négative pour une seule station de référence. Le modèle semble confronté à des difficultés dans les zones montagneuses (en particulier les Alpes). L’examen de la Figure 3 suggère une tendance généralisée à la sous-estimation des débits de hautes eaux (Q10) dans les Alpes. De manière localisée, J2000 surestime fortement les débits en étiage.

Figure 4 : Performance constatée sur les débits simulés par J2000.

5 - Références

BRANGER , F. et al. (2016). Modélisation hydrologique distribuée du Rhône. Rapp. tech. Irstea, 116 p. DOI : hal-02605058.

HORNER , I. (2020). Design and evaluation of hydrological signatures for the diagnostic and improvement of a process-based distributed hydrological model. Thèse de Doctorat. Université Grenoble Alpes.

WASSON , J. G. et al. (2002). « Typology and reference conditions for surface water bodies in France : the hydro-ecoregion approach. » In : TemaNord 566, p. 37-41.