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 Aqui-FR (F. Habets, UMR Métis UPMC)

D3E/GDR

> 25

.

> 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 »

. > 29

Aqui-FR Modèles distribués et modèles karst disponibles

D3E/GDR

.

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

.

La LOIRE …

Merci pour votre attention