Impacts du changement climatique sur les ressources en eaux à l’échelle de la France Approche multi-modèle : Plate-forme Aqui-FR Dominique THIÉRY Direction D3E
Impacts du changement climatique
sur les ressources en eaux à l’échelle de la France
Approche multi-modèle : Plate-forme Aqui-FR
Dominique THIÉRY
Direction D3E
. > 2
Enjeux
> Gestion durable de la ressource en eau
> Bon état des milieux malgré les contraintes croissantes : qualité et quantité
> Prévision d’impact des conséquences des pressions climatiques et anthropiques
> Nécessité de développer des modèles prédictifs pour la gestion de la ressource en eau
.
> Modèle « patrimonial » de gestion
des nappes profondes de la Gironde
> Évolue et intègre les nouvelles connaissances
géologiques et hydrogéologiques
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
71
73
75
77
79
81
83
85
87
89
91
93
95
97
99
10
1
10
3
10
5
10
7
10
9
11
1
11
3
11
5
Temps
Niv
ea
u (
m) Scénario "Economies"
Scénario tendanciel
Projection
Simulé
Observé
Moyenne annuelle des mesures
Exemple dans l’Eocène :
Prédiction des niveaux piézométriques
Système aquifère multicouche :
• 15 aquifères
• 14 aquitards
• Code de calcul MARTHE
Aquifère à nappe captive de l’Eocène
EXEMPLE
> 3
Modèle de gestion des nappes profondes du Nord Aquitain
.
> Modélisation hydrodynamique et thermique (MARTHE)
lundi 7 décembre 2015 > 4
Ressource ultime pour l’AEP (SDAGE du Bassin Seine-Normandie)
Extension : 75 150 km2
Modèle géologique (GDM, 1950 sondages)
6 couches géologiques, dont 4 aquifères
Mailles carrées de 2 km de côté
Calibration en transitoire 1841-2012,
30 points de suivi piézométrique
Débit exploité (2012) = 17 Mm3/an
Coupe E-W passant par Paris
Cote du toit de l’Albien (m NGF)
EXEMPLE
Ressource stratégique - nappe de l’Albien du Bassin Parisien
. > 5
Bassin versant de la LOIRE (110 000 km2)
Code de calcul EROS : Ensemble de 68 sous-bassins versants en grappe
_68_BV_Calage par Ecoul_mm
360 - 615 (9)
291 - 360 (9)
250 - 291 (8)
207 - 250 (7)
188 - 207 (7)
158 - 188 (9)
140 - 158 (10)
66 - 140 (9)
Écoulement (mm)
Projet ICC_HYDROQUAL (F. Moatar)
Débit mensuel minimum
0
100
200
300
400
1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090
Min
i Mo
nth
ly F
low
(m
3/s
)
Year
Loire river 100 000 km2
Loire à Montjean (100 000 km2)
Temps présent et scénario climatique Arpège_1
Observations
Scénario AR1
Écoulement annuel
(mm)
EXEMPLE
Impacts potentiels du changement climatique : LOIRE
.
0
1000
2000
3000
4000
19
92
19
94
19
96
19
98
20
00
20
02
20
04
20
06
20
08
Mo
nth
. Flo
w (
m3
/s)
Loire @ Montjean (100 000 km2)Monthly Flow
Simul.
Observ.
> 6
0
1000
2000
3000
40001
97
5
19
77
19
79
19
81
19
83
19
85
19
87
19
89
19
91
Mo
nth
. Flo
w (
m3
/s)
Loire @ Montjean (100 000 km2)Monthly Flow
Simul.
Observ.
Bassin de la LOIRE Simulations ÉROS : Loire Montjean
. > 7
10
15
20
25
30
35
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
Dep
th (
m)
Aquifer depth: Cher at Foëcy sub-basin Simul.
Observ.
Bassin de la LOIRE Simulations ÉROS : Niveaux de Nappe - Période historique
5
6
7
8
9
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
Dep
th (
m)
Aquifer depth:Vienne at Ingrandes sub-basin
Simul.
Observ.
Les étiages en particulier sont
bien simulés
. > 8
12
13
14
15
16
17
18
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
De
pth
(m
)
Aquifer depth: Blois sub-basin Simul.
Observ.
Bassin de la LOIRE Simulations ÉROS : Niveaux de Nappe - Période historique
14
16
18
20
22
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
Dep
th (
m)
Aquifer depth: Tours sub-basin Simul.
Observ.
.
0
2000
4000
6000
1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090
Max
i. F
low
(m
3/s
)
Year
Loire river at outlet : Scenario Arpège_1 : 100 000 km2
> 9
Bassin de la LOIRE: Montjean
Simulations ÉROS : Changement climatique : Arpège_1
Débit maxi de l’année 0
100
200
300
400
1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090
Min
i Mo
nth
ly F
low
(m
3/s
)
Year
Loire river 100 000 km2
Débit mensuel mini de l’année
Observations
Scénario
AR1
. > 10
Loire à Montjean Simulations ÉROS : Débit moyen annuel ; 21 scénarios
Modèle ÉROS du BRGM : Simulation de l’évolution du débit moyen annuel de la
Loire à Montjean selon 21 scénarios de changement climatiques des organismes
météorologiques mondiaux. Malgré la dispersion résultant des différents
scénarios, une diminution du débit de l’ordre de 30 % est attendue à l’horizon 2050
et de 40 % à la fin du siècle.
. > 11
ÉROS : Bassin de la SEINE en 41 sous basins Diminution d’écoulement (%) : Scénario : Arp A2-RT
Écoulement moyen : Actuel = 191 mm/an ; Futur = 87 mm/an
. > 12
Gardénia - EROS: Grands bassins SEINE
Seine_Paris ; Seine_Poses ; Marne ; Yonne Scénario A1B-QQ
Scénario Arp A&B 150 ans
0
100
200
300
400
500
600
700
1950
1957
1964
1971
1978
1985
1992
1999
2006
2013
2020
2027
2034
2041
2048
2055
2062
2069
2076
2083
2090
2097
Déb
it a
nn
uel (m
3/s
)
Seine_Paris_Aust
Scénario Arp A&B 150 ans
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1950
1957
1964
1971
1978
1985
1992
1999
2006
2013
2020
2027
2034
2041
2048
2055
2062
2069
2076
2083
2090
2097
Déb
it a
nn
uel (m
3/s
)
Seine_Poses
Scénario Arp A&B 150 ans
0
50
100
150
200
250
1950
1957
1964
1971
1978
1985
1992
1999
2006
2013
2020
2027
2034
2041
2048
2055
2062
2069
2076
2083
2090
2097
Déb
it a
nn
uel (m
3/s
)
Marne_Noisiel
Scénario Arp A&B 150 ans
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1950
1957
1964
1971
1978
1985
1992
1999
2006
2013
2020
2027
2034
2041
2048
2055
2062
2069
2076
2083
2090
2097
Déb
it a
nn
uel (m
3/s
)
Yonne_Courlon
Marne Noisiel
Yonne Courlon Seine à Poses
Seine à Paris
.
Projets RExHySS (2007-2009) (A. Ducharne)
& Explore 2070 (2010-2012) Zoom
Mailles 500 x 500 m
Mailles 100 x 100
m
Source : BRGM
Modèle maillé du Bassin du bassin de la Somme
- Nappe de la Craie
Baisse du niveau moyen de la nappe
2046-2065 vs. 1961-1990
Baisse du niveau moyen de la nappe de la Craie
2046-65 vs. 1961-1990
Source : Explore 2070 - BRGM
Somme at Abbeville : Mean Annual Flow Arp_A1B
0
10
20
30
40
50
60
70
1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100
Year
Flo
w (
m3/s
)
Q_Abbev_Arp_A1B
Linear (Q_Abbev_Arp_A1B)
EXEMPLE
> 13
Impacts potentiels du changement climatique : SOMME
Baisse de niveau piézométrique de 2 à 12 m Faible baisse à proximité des cours d’eau,
forte baisse sous les plateaux
Baisse progressive du débit moyen :
-40 % à la fin du siècle
.
Source : French Ministry of Ecology and Sustainable Development
Inondations dans la vallée
de la Somme pendant
plusieurs mois en 2001
> 14
.
> Modèle monocouche (Craie)
> Mailles : 500 m de coté + 3 gigognes le long de la vallée humide de la
Somme (mailles de 100 m)
> 66 600 mailles
> Code de calcul MARTHE
> Pas de temps de calcul : journalier (hebdomadaire pour la nappe).
> Calibration : Débits et Niveaux de la nappe :1989 - 2012
> 15
Modèle de la SOMME
Zoom
Mailles de 500 m
Mailles de 100 m
.
> Calibration : 56 chroniques piézométriques et 14 chroniques de débit,
> Prise en compte de plus de 1000 captages,
> Recharge et ruissellement calculés par le schéma GARDENIA intégré
dans le code de calcul MARTHE
Répartition des prélèvements
en nappe pour l’année 2005
> 16
Modèle de la SOMME
. > 17
Baisse moyenne de niveau (m) : PST – A1B
Baisse de niveau piézométrique de 2 à 12 mètres Faible baisse à proximité des cours d’eau,
forte baisse sous les plateaux
. > 18
Débit moyen annuel de la Somme à Abbeville :
Arp – A1B continu
Baisse « régulière » du débit moyen : -50 % en 150 ans
Somme at Abbeville : Mean Annual Flow Arp_A1B
0
10
20
30
40
50
60
70
1950 1975 2000 2025 2050 2075 2100
Year
Flo
w (
m3/s
)
Q_Abbev_Arp_A1B
Linear (Q_Abbev_Arp_A1B)
. > 19
Débit de la Somme à Abbeville :
Arp – A1B continu
Marthe & modèle global Gardénia : Très semblables
Somme_Abbev_Arp_A1B_Cont Marthe & Gardénia
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
01/1
950
01/1
960
12/1
969
01/1
980
12/1
989
01/2
000
12/2
009
01/2
020
12/2
029
01/2
040
12/2
049
01/2
060
12/2
069
01/2
080
12/2
089
01/2
100
Déb
it m
3/s
Somme_Abbev_Arp_A1B_150_GardenSomme_Abbev_Arp_A1B_150_GardenSomme_Abbev__Arp_A1B_150_MartheSomme_Abbev__Arp_A1B_150_Marthe
. > 20
Nom Acronyme SRES DESAG PST MS FS
SAFRAN 1970-2005 NA NA
1 AN_ARPV4_A1B A1 A1B ANOM NA NA 2071-2100
2 AN_ARPV4_A2 A2 A2 ANOM NA NA 2071-2100
3 QQ_ARPV4_A1B RD1 A1B QQ 1950-2010 NA 2071-2100
4 QQ_ARPV4_A2 RD2 A2 QQ 1950-2010 NA 2071-2100
5 RT_ARP_CONT_A1B RC1 A1B RT 1950-2000 2000-2070 2071-2100
6 RT_ARPV4_A2 RC2 A2 RT 1950-2000 NA 2070-2100
7 GFDL_CM2_0 G0 A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
8 GFDL_CM2_1 G1 A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
9 MPI_ECHAM5 EC A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
10 MRI_CGCM2_3_2A MR A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
11 GISS_MODEL_E_R GM A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
12 CCCMA_GCGM3_1 CC A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
13 CNRM_CM_3 A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
14 CSIRO_MK3_0 A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
15 GISS_AOM A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
16 IAP_FGOALS1_0 A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
17 INGV_ECHAM4 A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
18 IPSL_CMA A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
19 MIROC_2_MEDRES A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
20 MIUB_ECHO_G A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
21 NCAR_CCSM3_0 A1B RT 1960-2000 2046-2065 2081-2100
Scénarios disponibles sur les bassins Seine et Somme
.
> Multicouche : 8 couches, dont
3 couches aquifères
Code de calcul MARTHE
• Formations superficielles du Bri du
Marais Poitevin,
• Formations de recouvrement et du
Crétacé,
• Jurassique supérieur altéré (aquif.),
• Jurassique supérieur non altéré,
• Dogger (aquifère),
• Toarcien,
• Infra-Toarcien (aquifère),
• Socle.
• Superficie modélisée : 19 200 km2,
dont 6 500 km2 pour le Marais
Poitevin
Vue 3D du modèle POC [Douez et al. (2010)]
> 21
D3E/GDR
Modèle POitou – Charente (modèle POC)
.
> Mailles carrées de 1 km de coté + gigogne à 333 m au nord du
Marais Poitevin (96 211 mailles dont 10 677 raffinées)
> Couplage du modèle souterrain avec le réseau hydrographique
(plus de 3000 km de cours d’eau);
> Calibration en régime transitoire sur 2000-2007
> Calibration sur les niveaux des nappes et sur les débits des
cours d’eau.
Modèle POC
D3E/GDR
> 22
.
Jurassique supérieur (en haut) et Dogger (en bas) -
baisse du niveau moyen de la nappe 2046-2065 par
rapport à référence (1961-1990)
(Simulation la plus pessimiste MRI-CGCM 2.3.2)
Niveau (plateaux)
Optimiste : -0.5 à +0.5 m
Pessimiste : -8 à -10 m (Jurassique)
-4 à -5 m (Dogger)
Débit (baisse variable)
Baisse générale du débit moyen :
entre -10 et -40%
Étiages : -60% voire -70% (+ pessimiste)
> 23
Modèle POC : résultats Explore 2070
D3E/GDR
. lundi 7 décembre 2015
D3E / GDR
> 24
Modèles maillés du BRGM (code Marthe)
Craie du Nord
- Pas de Calais Bajo - Bathonien de
Basse Normandie
Modèle de la Somme
Modèle
du Poitou
Nappe
d’Alsace
Plio-Quaternaire du Nord Aquitain
(futur proche)
> 24
.
> Projet de recherche multi-partenaires :
BRGM, Mines Paristech, Armines, CNRM, Météo
France, LHyGeS, Géosciences Rennes, Cerfacs,
UMR Métis UPMC ;
> Projet prévu sur la durée 2014-2019
> Finalité : développement et mise en place d’un
système multi-modèle permettant la simulation
des aquifères nationaux
D3E/GDR
> 26
Aqui-FR
Système multi-modèle hydrogéologique à l’échelle nationale
.
• Capitaliser les efforts de modélisations hydrogéologiques régionales dans
une structure nationale pérenne mais évolutive
• Réaliser une veille temps réel, des prévisions et des projections en
connectant ces modélisations aux forçages météorologiques disponibles en
temps réel et en prévision et aux projections climatiques
• Faciliter l’accès aux résultats de ces applications hydrogéologiques pour
les services de l’état (caractérisation de situation hydrologique, prévision ou
impact du climat) à l’échelle nationale
• Comparer/Harmoniser le calcul de la recharge des nappes à l'échelle de la
France pour une meilleur évaluation et gestion de la ressource en eau
souterraine
> 27
Aqui-FR : Objectifs
D3E/GDR
.
Rassembler les différentes applications au sein d’une structure
unique gérée par le coupleur Open-Palm (CERFACS)
Mise en commun des codes de calcul et des modèles
hydrogéologiques régionaux sur la plateforme Météo France
Permettre à chacune des applications d’être utilisée en mode
« original » et en mode « forcé » afin d’avoir une estimation du
bilan hydrique homogène sur la France et donc permettre une
analyse des impacts liés aux conditions hydroclimatiques
Définir des sorties/indicateurs pour permettre l’exploitation des
modèles, via la caractérisation globale des situations
hydrologiques (exemple: indicateur de sécheresse)
Mettre à disposition les résultats des simulations
D3E/GDR
> 28
Aqui-FR
Principales actions « techniques »
.
An MH
Imp
Forçage atmosphérique
(SAFRAN,…)
Schéma de surface
(Surfex, …)
A2 MH
Imp
A1 MH
Imp
2 types d’entrées: 1/ Bilan hydrique des modèles hydrologiques (P,ETP)
Applications
hydrogéologiques
Utilisation d’un coupleur externe
2/ Bilan imposé, issu d’un schéma de surface…
> 30
Aqui-FR : Méthode
D3E/GDR
.
An MH
Imp
Forçage atmosphérique
(SAFRAN,…)
Schéma de surface
(Surfex, …)
A2 MH
Imp
A1 MH
Imp
Sorties: 1/ Concentration vers le coupleur, et post-traitement
Applications
hydrogéologiques
Utilisation d’un coupleur externe
2/ possibilité de traiter des rétroactions (reprise évaporative,….)
Post-traitement
> 31
Aqui-FR : Méthode
D3E/GDR
.
> Capacité (technique) de mobilisation des
différents modèles et applications sur une
plate-forme unique
> Obtention des droits d’utilisation gratuite des
sorties de ces applications pour les services de
l’état.
> Anticipation/appropriation des types de
« produits » issus de cette application multi-
modèle
> 32
Difficultés du projet Aqui-FR
D3E/GDR
.
> Cette version intègre :
• Code de calcul Marthe (BRGM)
• Code de calcul Modcou (Mines ParisTech)
• Des applications avec Marthe : Somme, Poitou-Charentes,
*Craie du Nord Pas de Calais, *Bajo-Bathonien, *Alsace)
• Des applications avec Modcou : Seine, Loire, Basse
Normandie, Rhône …
• Post-traitement
> Version testée sur une période d’un an sur un PC et sur
le super-calculateur « Beaufix » de Météo France.
> 33
D3E/GDR
Maquette Aqui-FR
Première version 2015
.
Illustrations de la charge piézométrique moyenne
annuelle sur les couches aquifères affleurantes Exemple d’évolution de la charge par rapport à la
moyenne annuelle du mois d’Octobre.
Aqui-FR : Premiers résultats
D3E/GDR
> 34
.
> Intégration de nouveaux modèles régionaux
> Intégration de nouveaux sites karstiques (sources)
> Conception du couplage en mode prévision
> Définition des post-traitements
> Etc.
> 35
D3E/GDR
Évolutions prévues