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DRIAS Les futurs de l’eau
Le projet LIFE Eau&Climat (LIFE19 GIC/FR/001259)
a reçu un financement du programme LIFE de l’Union européenne.
Le projet LIFE Eau&Climat (LIFE19 GIC/FR/001259)
a reçu un financement du programme LIFE de l’Union européenne.
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Ce modèle, développé et mis en œuvre par le BRGM, permet de calculer la part de la pluie efficace qui s’infiltre dans le sous-sol, en prenant en compte l’occupation du sol. Le flux d’infiltration simulé est appelé Recharge Potentielle apportée par les précipitations. Pour le portail DRIASles futurs de l’eau, cette recharge potentielle est fournie au pas de temps journalier et à l’échelle des masses d’eau sur l’ensemble du territoire hexagonal.
La méthode de modélisation adoptée repose sur la réalisation d’un bilan hydrique à la surface du sol pour le calcul de la pluie efficace, et sur l’utilisation d’un coefficient, que l’on appelle Ratio d’Infiltration de la Pluie Efficace (RIP E, Section 2.3), pour simuler son infiltration dans le sous-sol. Les données d’entrée du modèle sont les chroniques journalières météorologiques ou les projections climatiques qui sont mises à disposition sur la grille SAFRAN. Les paramètres du calcul sont la Capacité de Stockage du Sol (CSS, Section 2.3) et les coefficients culturaux saisonniers (Kc, Section 2.3), qui sont estimés ou calculés à la même résolution spatiale.
La recharge potentielle des aquifères correspond à la part de la pluie efficace qui s’infiltre, l’autre partie alimentant le réseau hydrographique de surface, par ruissellement ou écoulements de sub-surface. L’hypothèse principale de la méthodologie d’évaluation de la recharge proposée ici est que la répartition de la pluie efficace entre ruissellement et infiltration est contrôlée par les propriétés locales du sol et du soussol. Elle est donc considérée ici indépendante des conditions climatiques (ce qui est une hypothèse forte). En supposant que les propriétés du sol n’évoluent pas dans le temps, on peut donc estimer la recharge potentielle en un point donné en multipliant la pluie efficace par un coefficient d’infiltration.
La pluie efficace est calculée au travers d’un bilan hydrique du sol réalisé en chaque maille d’une grille régulière (grille SAFRAN dans le cadre d’Explore2). Dans l’optique d’intégrer une prise en compte de l’incertitude liée au choix du modèle de bilan hydrique, trois formules différentes sont utilisées pour les calculs (THORNTHWAITE, 1948; EDIJATNO et MICHEL, 1989; DINGMAN, 2002). Le résultat final est obtenu en calculant la moyenne des trois chroniques de pluie efficace obtenues à l’aide de ces formules.
Les trois modèles de bilan hydrique utilisent les mêmes données météorologiques d’entrée (précipitations totales, température et évapotranspiration de référence) au pas de temps journalier. Les paramètres nécessaires au calcul du bilan hydrique sont la Capacité de Stockage du Sol (CSS) et les coefficients culturaux saisonniers (Kc, ALLEN et al., 1998) estimés pour chaque maille de la grille de calcul, à partir de cartes de propriétés et d’occupation du sol.
Les chroniques de température sont utilisées pour estimer la fonte du stock de neige à chaque pas de temps. Les chroniques d’évapotranspiration disponibles dans les jeux de données météorologiques et projections climatiques correspondent à l’évapotranspiration de référence (ET0), calculée à partir de variables météorologiques (telles que la vitesse du vent, le rayonnement net ou l’humidité de l’air). Cette évapotranspiration de référence correspond à la quantité d’eau maximale qui peut être évaporée par un sol recouvert d’une végétation de référence (gazon). Pour tenir compte du couvert végétal ou de l’occupation réelle du sol, on adopte la méthodologie proposée par la FAO (ALLEN et al., 1998) pour le calcul de l’évapotranspiration réelle, en introduisant un coefficient cultural (Kc) qui varie au cours de l’année selon les phases de développement des végétaux, et qui est élargie aux sols nus ou urbanisés. Ainsi, l’évapotranspiration qui intervient dans les formules de calcul du bilan hydrique du sol est égale à Kc × ET0.
La méthodologie de calcul de la pluie efficace est synthétisée sur la Figure 2 (les données journalières ne pouvant être facilement représentées, l’illustration utilise les moyennes interannuelles des chroniques).
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| Figure 1 : Principe du bilan hydrique avec stockage dans le sol et calcul de l’ETR. | Figure 2 : Principe du calcul de la pluie efficace sur un maillage régulier. |
On dispose d’une estimation du ratio d’infiltration de la pluie efficace (RIP E, Section 2.3) pour chaque entité hydrogéologique définie dans le référentiel hydrogéologique français (BDLISA, version 3). C’est donc seulement à cette échelle spatiale que le calcul de la recharge potentielle des aquifères fait sens.
Les chroniques journalières de pluie efficace à l’échelle des mailles SAFRAN sont donc traitées pour fournir la moyenne zonale de la pluie efficace journalière sur chaque entité hydrogéologique. La recharge sur chacune de ces entités est ensuite calculée comme illustré sur la Figure 3. Pour permettre la visualisation cartographique, la Figure 3 présente des valeurs moyennes interannuelles de pluie efficace et de recharge, néanmoins le calcul de la recharge est réalisé à partir des chroniques journalières, et l’on dispose donc bien des chroniques de recharge potentielle journalière pour chaque entité hydrogéologique.
In fine, les chroniques sont projetées à l’échelle des masses d’eau souterraine pour alimenter le portail DRIAS les futurs de l’eau.
Figure 3 : Principe du calcul de la recharge à l’échelle des entité hydrogéologiques.
Capacité totale de stockage du Sol (CSS) : La capacité de stockage du sol (CSS) retenue en chaque maille SAFRAN est la moyenne spatiale sur la maille de la somme des TAWC (Total Available Water Capacity) de surface et de sub-surface définies sur la carte européenne à la résolution de l’unité de sol (Hiederer, 2013 et ESDAC (https ://esdac.jrc.ec.europa.eu)).
• Coefficients culturaux saisonniers (Kc) : Pour définir les coefficients culturaux saisonniers en fonction de l’occupation du sol réelle, on s’appuie sur les travaux de NISTOR et al. (2018) qui ont proposé un tableau de correspondance entre les codes des catégories décrites sur les cartes Corine Land Cover et les coefficients culturaux saisonniers pour un grand nombre d’occupations du sol. Pour mémoire, la carte Corine Land Cover de 2018, disponible pour tout le territoire européen au 1/100000, distingue cinq grands types d’occupation du territoire : territoires artificialisés, territoires agricoles, forêts et milieux semi-naturels, zones humides et surfaces en eau. Ces milieux sont répartis en 44 catégories chacune associées à un code unique (code Corine Land Cover).
• Ratio d’Infiltration de la Pluie Efficace (RIPE) : On pose l’hypothèse simplificatrice que ce coefficient est constant dans le temps. Pour proposer une cartographie du RIP E à l’échelle de la France, une approche originale a été développée. Elle repose sur la mise en évidence de relations entre un indicateur hydrologique calculé aux stations hydrométriques (le ratio écoulement de base divisé par l’écoulement total, baptisé « Base Flow Index » ou « BFI » en anglais) et l’Indice de Développement et de Persistance des Réseaux (IDPR). Ce dernier est un indice cartographique qui fournit une indication qualitative sur le caractère plus ou moins infiltrant ou ruisselant des formations géologiques à l’échelle d’un territoire. Par construction, il est compris entre 0 (100 % d’infiltration) et 2000 (100 % de ruissellement). Dans sa dernière version, l’IDPR est disponible pour toute la France à une résolution de 25 mètres (MARDHEL et al., 2021).
• Sous certaines hypothèses (bassin versant non influencé, absence d’échange de flux latéralement ou par drainance au niveau de l’aquifère, variation des stocks négligeable au pas de temps annuel), on peut montrer que le RIPE est égal au BFI à l’échelle annuelle. Mais le BFI ne peut être connu que par traitement des chroniques de débits, donc pour les seuls bassins versants instrumentés. L’étude de plus de 365 bassins versants jaugés a permis d’identifier des relations entre le BFI (donc le RIPE) et l’IDPR moyen du bassin selon la lithologie dominante (Tableau 1) (CABALLERO et al., 2021a).
TABLEAU 1 : Relations de calcul du RIPE à partir de l’IDPR moyen sur un bassin versant.
La méthodologie d’évaluation de la recharge présentée ici ont été appliqués dans plusieurs études réalisées au BRGM, à différentes échelles spatiales :
• De bassins hydrographiques (Rhône-Méditerranée-Corse, CABALLERO et al., 2021a et Adour-Garonne, LE COINTE et al., 2018);
• De secteurs géographiques (Pyrénées, CABALLERO et al., 2021b) ;
• A l’échelle nationale (premiers résultats qui ne prenaient pas en compte l’occupation du sol dans LANINI et al., 2019);
• A l’échelle européenne (projet INDECIS, LANINI et al., 2021 et VERGNES et al., 2021).
Le modèle fournit la Recharge Potentielle, la part de la pluie efficace qui s’infiltre dans le sous-sol, en prenant en compte l’occupation du sol. Dans le cadre d’Explore2, cette recharge potentielle est fournie au pas de temps journalier et à l’échelle des masses d’eau souterraine sur l’ensemble du territoire hexagonal.
La recharge des aquifères peut être apportée par les précipitations mais aussi par l’infiltration de l’eau des cours d’eau ou bien des apports venant d’autres aquifères. Elle ne peut donc pas être mesurée facilement. Les performances du modèle de Recharge Potentielle ne peuvent donc pas être évaluées par comparaison directe avec des observations. Les résultats obtenus ont cependant fait l’objet de travaux de validation sur des aquifères ou des bassins tests qui se sont avérés satisfaisants (CABALLERO et al., 2021a).
CABALLERO , Y. et al. (2021a). Caractérisation de la recharge des aquifères et évolution future en contexte de changement climatique - Application au bassin Rhône Méditerranée Corse - Phase 2. Rapp. tech. BRGM/RP-69217-FR, p. 155.
CABALLERO , Y. et al. (2021b). « Groundwater recharge and groundwater water resources under present and future climate over the Pyrenees (France, Spain, Andorre) ». In : EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-16471. DOI : 10.5194/egusphere-egu21-16471.
DINGMAN , S. L. (2002). Physical Hydrology. Waveland Press, 2nd edition, p. 575. ISBN : ISBN 978-1-57766- 561-8.
EDIJATNO et C. MICHEL (1989). « Un modèle pluie-débit journalier à trois paramètres ». In : La Houille Blanche 75.2, p. 113-122. DOI : 10.1051/lhb/1989007.
LANINI , S. et al. (2019). « Recharge des aquifères à l’échelle de la France : estimation, évolution et incertitudes associées ». In : Colloque SHF-UNESCO : Sécheresses, étiages et déficits en eau, Paris, Dec 2019. DOI : hal-02159826.
LANINI , S. et al. (2021). Present and future potential groundwater recharge at European scale. Rapp. tech. INDECIS project, WP6, Deliverable 6.4 (2021). Report on the assessment of sectorial climate change impact based on INDECIS-ISD in the context of climate change scenarios. Annex C.
LE COINTE , P. et al. (2018). Réponse des Eaux souterraines au CHangement climatique dans le bassin AdouRGaronnE (RECHARGE). Rapport final. Rapp. tech. BRGM/RP-67149-FR, p. 47.
MARDHEL , V., S. PINSON et D. ALLIER (2021). « Description of an indirect method (IDPR) to determine spatial distribution of infiltration and runoff and its hydrogeological applications to the French territory ». In : Journal of Hydrology 592, p. 125609. DOI : https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125609.
NISTOR , M. et al. (2018). « Land cover and temperature implications for the seasonal evapotranspiration in Europe ». In : Geographia Technica 13. DOI : 10.21163/GT_2018.131.09.
THORNTHWAITE , C. W. (1948). « An Approach toward a Rational Classification of Climate ». In : Geographical Review 38, p. 55-94. DOI : doi.org/10.2307/210739.
VERGNES , J.-P., S. LANINI et Y. CABALLERO (2021). A French spatially distributed hydrological model as a demonstrator for a national groundwater management tool. Rapp. tech. INDECIS project, WP6, Deliverable 6.4 (2021). Report on the assessment of sectorial climate change impact based on INDECIS-ISD in the context of climate change scenarios. Annex D.
