Impacts du changement climatique sur les ressources en eaux à l

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
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
.
>2
EXEMPLE
Modèle de gestion des nappes profondes du Nord Aquitain
>
Modèle « patrimonial » de gestion
des nappes profondes de la Gironde
>
Évolue et intègre les nouvelles connaissances
géologiques et hydrogéologiques
Aquifère à nappe captive de l’Eocène
Système aquifère multicouche :
•
•
•
15 aquifères
14 aquitards
Code de calcul MARTHE
Prédiction des niveaux piézométriques
Exemple dans l’Eocène :
Projection
10
Scénario "Economies"
0
-5
-10
-15
115
113
111
109
107
103
105
99
101
97
Scénario tendanciel
95
93
91
89
87
85
75
73
71
-30
81
83
-25
79
Observé
Simulé
Moyenne annuelle des mesures
-20
77
Niveau (m)
5
Temps
.
>3
EXEMPLE
Ressource stratégique - nappe de l’Albien du Bassin Parisien
> Modélisation hydrodynamique et thermique (MARTHE)
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)
.
lundi 7 décembre 2015
>4
EXEMPLE
Impacts potentiels du changement climatique : LOIRE
Bassin versant de la LOIRE (110 000 km2)
Code de calcul EROS : Ensemble de 68 sous-bassins versants en grappe
Projet ICC_HYDROQUAL (F. Moatar)
Loire à Montjean (100 000 km2)
Temps présent et scénario climatique Arpège_1
400
Loire river 100 000 km2
Observations
Mini Monthly Flow (m3/s)
300
Scénario AR1
200
100
0
1950
1970
1990
2010
2030
Year
2050
2070
2090
_68_BV_Calage
Écoulement
(mm) par Ecoul_mm
Écoulement annuel
(mm)
.
360 291 250 207 188 158 140 66 -
615 (9)
360 (9)
291 (8)
250 (7)
207 (7)
188 (9)
158 (10)
140 (9)
Débit mensuel minimum
>5
Bassin de la LOIRE
Simulations ÉROS : Loire Montjean
Month. Flow (m3/s)
4000
Loire @ Montjean (100 000 km2)
Monthly Flow
Simul.
Observ.
3000
2000
1000
1991
1989
4000
1987
1985
Month. Flow (m3/s)
1983
1981
1979
1977
1975
0
Loire @ Montjean (100 000 km2)
Monthly Flow
Simul.
Observ.
3000
2000
1000
.
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
0
>6
Bassin de la LOIRE
Simulations ÉROS : Niveaux de Nappe - Période historique
10
Aquifer depth: Cher at Foëcy sub-basin
Simul.
Observ.
Depth (m)
15
20
25
30
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
35
5
Simul.
Observ.
Les étiages en particulier sont
bien simulés
Depth (m)
6
7
8
Aquifer depth:
Vienne at Ingrandes sub-basin
.
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
9
>7
Bassin de la LOIRE
Simulations ÉROS : Niveaux de Nappe - Période historique
12
Aquifer depth: Blois sub-basin
Simul.
Depth (m)
13
Observ.
14
15
16
17
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
18
14
Aquifer depth: Tours sub-basin
Simul.
Observ.
Depth (m)
16
18
20
.
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
22
>8
Bassin de la LOIRE: Montjean
Simulations ÉROS : Changement climatique : Arpège_1
400
Loire river 100 000 km2
Observations
Mini Monthly Flow (m3/s)
300
Scénario
AR1
200
100
0
1950
1970
1990
2010
2030
Year
2050
2070
Débit mensuel mini de l’année
Débit maxi de l’année
2090
Loire river at outlet : Scenario Arpège_1 : 100 000 km2
Maxi. Flow (m3/s)
6000
4000
2000
0
1950
.
1970
1990
2010
2030
Year
2050
2070
2090
>9
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.
.
> 10
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
.
> 11
.
> 12
2097
2090
2083
2076
2069
2062
2055
0
2048
160
2041
180
2034
100
2027
200
2020
300
2097
2090
2083
2076
2069
2062
2055
2048
2041
2034
2027
2020
2013
2006
1999
1992
1985
1978
200
2013
400
2006
Scénario Arp A&B 150 ans
1999
500
1971
Scénario Arp A&B 150 ans
1992
600
1985
Seine à Poses
1978
1000
1971
0
1964
200
1957
300
1964
400
1950
500
Débit annuel (m3/s)
Seine à Paris
1957
700
Débit annuel (m3/s)
2097
2090
2083
2076
2069
2062
2055
2048
2041
2034
700
1950
2097
2090
2083
2076
2069
2062
2055
2048
Seine_Poses
2041
900
2034
2027
2020
2013
2006
1999
1992
1985
1978
1971
Seine_Paris_Aust
2027
2020
2013
2006
1999
1992
1985
1978
800
1971
1964
1957
1950
Débit annuel (m3/s)
600
1964
1957
1950
Débit annuel (m3/s)
Gardénia - EROS: Grands bassins SEINE
Seine_Paris ; Seine_Poses ; Marne ; Yonne
Scénario A1B-QQ
Scénario Arp A&B 150 ans
250
Marne_Noisiel
Marne Noisiel
150
100
100
50
0
Scénario Arp A&B 150 ans
200
Yonne Courlon
Yonne_Courlon
140
120
100
80
60
40
20
0
EXEMPLE
Impacts potentiels du changement climatique : SOMME
Modèle maillé du Bassin du bassin de la Somme
- Nappe de la Craie
Mailles 500 x 500 m
Zoom
Projets RExHySS (2007-2009) (A. Ducharne)
& Explore 2070 (2010-2012)
Mailles 100 x 100
m
Somme at Abbeville : Mean Annual Flow Arp_A1B
70
Q_Abbev_Arp_A1B
60
Linear (Q_Abbev_Arp_A1B)
Source : BRGM
Baisse
Baissedu
duniveau
niveaumoyen
moyende
delalanappe
nappede la Craie
2046-65
1961-1990
2046-2065
vs. vs.
1961-1990
Flow (m3/s)
50
40
30
20
10
0
1950
1975
2000
2025
2050
2075
2100
Year
Source : Explore 2070 - BRGM
Baisse progressive du débit moyen :
-40 % à la fin du siècle
Baisse de niveau piézométrique de 2 à 12 m
Faible baisse à proximité des cours d’eau,
forte baisse sous les plateaux
.
> 13
Inondations dans la vallée
de la Somme pendant
plusieurs mois en 2001
Source : French Ministry of Ecology and Sustainable Development
.
> 14
Modèle de la SOMME
>
>
>
>
>
>
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
Mailles de 500 m
Zoom
.
Mailles de 100 m
> 15
Modèle de la SOMME
>
>
>
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
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
.
> 17
Débit moyen annuel de la Somme à Abbeville :
Arp – A1B continu
Somme at Abbeville : Mean Annual Flow Arp_A1B
70
Q_Abbev_Arp_A1B
60
Linear (Q_Abbev_Arp_A1B)
Flow (m3/s)
50
40
30
20
10
0
1950
1975
2000
2025
2050
2075
2100
Year
Baisse « régulière » du débit moyen : -50 % en 150 ans
.
> 18
Débit de la Somme à Abbeville :
Arp – A1B continu
Somme_Abbev_Arp_A1B_Cont Marthe & Gardénia
100
Somme_Abbev_Arp_A1B_150_Garden
Somme_Abbev_Arp_A1B_150_Garden
Somme_Abbev__Arp_A1B_150_Marthe
Somme_Abbev__Arp_A1B_150_Marthe
90
80
Débit m3/s
70
60
50
40
30
20
10
01/2100
12/2089
01/2080
12/2069
01/2060
12/2049
01/2040
12/2029
01/2020
12/2009
01/2000
12/1989
01/1980
12/1969
01/1960
01/1950
0
Marthe & modèle global Gardénia : Très semblables
.
> 19
Scénarios disponibles sur les bassins Seine et Somme
Nom
Acronyme
SRES
DESAG
SAFRAN
.
PST
MS
FS
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
4
QQ_ARPV4_A1B
QQ_ARPV4_A2
RD1
RD2
A1B
A2
QQ
QQ
1950-2010
1950-2010
NA
NA
2071-2100
2071-2100
5
6
RT_ARP_CONT_A1B
RT_ARPV4_A2
RC1
RC2
A1B
A2
RT
RT
1950-2000
1950-2000
2000-2070
NA
2071-2100
2070-2100
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
GFDL_CM2_0
GFDL_CM2_1
MPI_ECHAM5
MRI_CGCM2_3_2A
GISS_MODEL_E_R
CCCMA_GCGM3_1
CNRM_CM_3
CSIRO_MK3_0
GISS_AOM
IAP_FGOALS1_0
INGV_ECHAM4
IPSL_CMA
MIROC_2_MEDRES
MIUB_ECHO_G
NCAR_CCSM3_0
G0
G1
EC
MR
GM
CC
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
A1B
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
RT
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
1960-2000
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2046-2065
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
2081-2100
> 20
Modèle POitou – Charente (modèle POC)
>
Multicouche : 8 couches, dont
3 couches aquifères
Vue 3D du modèle POC [Douez et al. (2010)]
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
D3E/GDR
.
> 21
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.
D3E/GDR
.
> 22
Modèle POC : résultats Explore 2070
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)
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)
D3E/GDR
.
> 23
Modèles maillés du BRGM (code Marthe)
Modèle de la Somme
Bajo - Bathonien de
Craie du Nord
- Pas de Calais
Basse Normandie
Nappe
d’Alsace
Modèle
du Poitou
Plio-Quaternaire
du Nord Aquitain
(futur proche)
D3E / GDR
.
> 24
lundi 7 décembre 2015
> 24
Projet Aqui-FR
(F. Habets, UMR Métis UPMC)
D3E/GDR
> 25
Aqui-FR
Système multi-modèle hydrogéologique à l’échelle nationale
> 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 : Objectifs
•
•
•
•
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
D3E/GDR
.
> 27
Aqui-FR
Principales actions « techniques »
 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
hydrologiques (exemple: indicateur de sécheresse)
situations
 Mettre à disposition les résultats des simulations
D3E/GDR
.
> 28
Aqui-FR
Modèles distribués et modèles karst disponibles
D3E/GDR
.
> 29
Aqui-FR : Méthode
Utilisation d’un coupleur externe
2 types d’entrées:
1/ Bilan hydrique des modèles hydrologiques (P,ETP)
2/ Bilan imposé, issu d’un schéma de surface…
Forçage atmosphérique
(SAFRAN,…)
Applications
hydrogéologiques
Imp
MH
Imp
MH
A1
A2
Schéma de surface
(Surfex, …)
Imp
D3E/GDR
.
MH
An
> 30
Aqui-FR : Méthode
Utilisation d’un coupleur externe
Sorties:
1/ Concentration vers le coupleur, et post-traitement
2/ possibilité de traiter des rétroactions (reprise
évaporative,….)
Post-traitement
Forçage atmosphérique
(SAFRAN,…)
Applications
hydrogéologiques
Imp
MH
Imp
MH
A1
A2
Schéma de surface
(Surfex, …)
Imp
D3E/GDR
.
MH
An
> 31
Difficultés du projet Aqui-FR
> 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 multimodèle
D3E/GDR
.
> 32
Maquette Aqui-FR
Première version 2015
>
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.
D3E/GDR
.
> 33
Aqui-FR : Premiers résultats
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.
D3E/GDR
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> 34
Évolutions prévues
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Intégration de nouveaux modèles régionaux
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Intégration de nouveaux sites karstiques (sources)
>
Conception du couplage en mode prévision
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Définition des post-traitements
>
Etc.
D3E/GDR
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> 35
La LOIRE …
Merci pour votre attention
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