Dossier de proposition de sujet de thèse TR ARCEAU
Transcription
Dossier de proposition de sujet de thèse TR ARCEAU
Thèse de Doctorat (Année : 2013/2016) Titre: Amélioration d’une modélisation hydrologique distribuée et régionalisée pour l’évaluation de l’impact du changement climatique sur la ressource en eau. Applications à la gestion de l’eau en contexte méditerranéen. Encadrement: OUDIN Ludovic (Directeur de thèse, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) UMR 7619 Sisyphe « Structure et fonctionnement des systèmes hydriques continentaux » FOLTON Nathalie et FOUCHIER Catherine (Co-Encadrant, IRSTEA Aix-enProvence) Unité d'accueil : Unité de Recherches en Hydrologie (UR OHAX), Irstea Aix-en-provence Ecole Doctorale: "Géosciences et Ressources Naturelles - Paris". Contrat : 3 ans à partir d’octobre, novembre ou décembre 2013, salaire mensuel brut:1852€ Les offres de candidature doivent se faire en ligne sur le portail suivant: https://pcas.irstea.fr/fr/campagne/1/ Résumé : Le travail de thèse va permettre d’évaluer les impacts du changement climatique sur la ressource en eau grâce à la mise en œuvre d’une modélisation pluie-débit permettant de générer des chroniques de débits et de tester des scenarios d’évolution des entrées climatiques en tout point du réseau hydrographique. Il s’organisera selon les 3 axes suivants : - développement d’une modélisation pluie-débit au pas de temps journalier (i) adaptée au caractère distribué des données d’entrée ; (ii) adaptée à des régimes hydrologiques variés, (iii) adaptée à un contexte non stationnaire et (iv) faiblement paramétrée pour permettre son application sur des bassins non jaugés grâce à la régionalisation de ses paramètres ; - évaluation, via des indicateurs de sécheresse mensuels et journaliers, de l’impact du changement climatique sur les régimes hydrologiques en considérant une large gamme de scenarios de changement climatique, en entrée du modèle pluie-débit précédemment développé ; - étude des conséquences des évolutions des régimes hydrologiques en s’intéressant à deux applications : évaluer les impacts sur les écosystèmes (qualification de l’évolution des périodes d’a-sec d’un cours d’eau méditerranéen) et pour l’approvisionnement en eau (examen des impacts sur les règles de gestion d’un barrage-réservoir multi-usage). Proposition de thèse de doctorat - N. Folton et C. Fouchier - Mars 2013 Page 1 Summary This thesis project will enable the evaluation of climate change impacts on water resources thanks to the implementation of a rainfall-runoff (RR) model. This RR model will generate long time-series of discharge values for any watershed, even ungauged, and will enable to test different scenarios of climatic inputs. The work will be organized according to the three following steps: 1. elaboration of a daily RR model. The research work will focus on the elaboration of a model (i) fitted to the distributed nature of the climatic input data, (ii) able to suite various water regimes, (iii) whose parameterization is suited to variable climatic conditions and (iv) with a small number of parameters in order to ease the model regionalization process and hence the implementation of the model on ungauged watersheds; 2. assessment of climate changes impacts on water resources, at the French national scale, thank to the implementation of different scenarios of climatic data as input to the RR model developed in step 1. This evaluation will be carried out thanks to daily and monthly index (statistical discharge values, drought index, …) 3. assessment of the consequences of water regimes evolution on ecosystems (via the modelisation of the dry spell periods of a Mediterranean watershed) and on the management of multi-purposes dams reservoirs CONTEXTE Le pourtour méditerranéen est emblématique des problèmes qui se poseront à terme à la gestion de l’eau en France dans un contexte d’augmentation de la demande et de modification de la ressource du fait des changements globaux (modification du climat et croissance démographique). La région Provence-Alpes-Côte d’Azur se caractérise par exemple par l’inégale répartition dans le temps et dans l’espace de ses ressources en eau. La période estivale y est en effet marquée par la faiblesse des précipitations et une forte évaporation, alors que se manifestent les besoins en eau les plus importants. Par ailleurs, les zones les plus densément peuplées sont éloignées de la ressource en eau superficielle, qui couvre 86 % des usages de l’eau dans la région, et qui est constituée pour les deux tiers par le système Durance-Verdon. Ces particularités ont conduit à l’aménagement d’ouvrages pour l’approvisionnement en eau, aménagements dont on retrouve les traces tout au long de l’histoire de la région. Ces aménagements ont permis à la région de se prémunir, jusqu’à présent, contre les risques de pénurie. Leur gestion apparaît néanmoins comme particulièrement sensible à toute modification des régimes hydrologiques des cours d’eau alpins dont ils dépendent pour l’essentiel. Les régimes hydrologiques de ces cours d’eau sont en effet susceptibles d’être affectés par les conséquences attendues du changement climatique sur le pourtour méditerranéen (IPCC, 2007), en particulier l’élévation des températures et la modification du régime des précipitations (diminution des quantités précipitées, diminution de la durée d’enneigement, …). Dans ce contexte de modification attendue de la ressource, il est donc primordial d’évaluer les évolutions des régimes des cours d’eau, afin de permettre la définition de règles de gestion des ouvrages et des usages qui soient adaptées à ces changements. Proposition de thèse de doctorat - N. Folton et C. Fouchier - Mars 2013 Page 2 APPROCHES ACTUELLES Des programmes de recherche récents se sont intéressés à caractériser ces évolutions, soit en ciblant un ou plusieurs grands bassins versants ou zone climatique : Seine (programme GICC 2001, projet RexHyss), Somme (projet RexHyss), Meuse (projet AMICE), Garonne (projet Imagine 2030), Rhône (programme GICC 1999), Durance (projets Riwer2030 et R2D2), Loire (projet Riwer2030), bassins méditerranéens (projets Medup, Cyprim et Vulcain), soit en couvrant l’ensemble du territoire national : thèse de Boé (2007), projets Climsec et Explore 2070. Ces deux dernières approches nationales se sont appuyées, dans leur volet hydrologique sur le modèle distribué à base physique Isba-Modcou partiellement calé (Habets et al., 2008) et le modèle global GR4J calé sur le débits observés (Perrin et al., 2003), ces modèles étant alimentés par les projections des modèles climatiques couplés à des modèles de descente d’échelle. Les résultats sont fournis à l’échelle des bassins versant de contrôle répartis sur tout le territoire national (1500 dans le cas de Explore 2070, près de 1000 dans le cas de Climsec). L’équipe Hydrologie (OHAX) a développé une modélisation simple de la ressource en eau au pas de temps mensuel régionalisée à la maille du km² sur tout le territoire métropolitain (Folton N. et Lavabre J., 2006). La simplicité de cette approche tient aux objectifs poursuivis lors de son développement : la priorité accordée à une bonne restitution des débits d’étiage et la recherche d’une modélisation reposant sur un nombre réduit de paramètres, afin de faciliter la régionalisation de la méthode. Cette approche simple est apte à utiliser comme variable d’entrée des projections climatiques fournies par les modèles climatiques désagrégés. Un travail exploratoire, mené avec des scénarios climatiques fournis par le CERFACS (modèle climatique CNRM-CM3 et descente d’échelle DSCLIM, Boé 2006), a montré des évolutions possibles des régimes hydrologiques et des étiages : assèchement généralisé des cours d’eau, sévérité accrue des étiage à l’exception temporaire des bassins d’altitude sur le future proche (période 2046-2065), fonte de neige plus précoce, disparition progressive du caractère nival des bassins alpins (Turquois, Folton 2012) OBJECTIFS Le travail demandé dans ce contexte vise au développement d’une modélisation simple, très faiblement paramétrée, de la transformation pluie débit au pas de temps journalier selon une approche distribuée. L’application immédiate d’une telle approche étant de procurer un outil d’évaluation de l’impact du changement climatique sur la ressource en eau, en tout point du réseau hydrographique français. Les intérêts d’un travail de recherche sur une telle modélisation sont multiples : 1. le caractère distribué d’une telle modélisation semble le plus apte à prendre en compte la variabilité spatiale des entrées climatiques, actuellement difficilement perçue par les modèles globaux (Bourqui, 2008). La prise en compte de cette variabilité en contexte de changements globaux semble souhaitable en raison des évolutions spatiales attendues (modification des états de surface avec notamment la Proposition de thèse de doctorat - N. Folton et C. Fouchier - Mars 2013 Page 3 progression des zones urbaines, modifications climatiques avec par exemple l’évolution de la limite pluie-neige) ; 2. le pas de temps journalier est adapté aux pas de temps des données d’entrée (les sorties des modèles climatiques désagrégées), et permet la fourniture des valeurs réglementaires de débit moyen minimum sur d jours (VCNd) ; 3. la faible paramétrisation est recherchée pour permettre la régionalisation future du modèle et le rendre exploitable en contexte non jaugé ; 4. l’étude de la stationnarité des paramètres permettra de s’assurer (ou non) de la robustesse du modèle en contexte climatique variable et de sa capacité à être utilisé en contexte de changement climatique. HYPOTHESES DE TRAVAIL Pour borner le cadre du travail de thèse, différentes hypothèses simplificatrices seront posées, voire imposées : - conservation d’un faible degré de paramétrisation dans le changement d’échelle spatiale de la modélisation ; - la régionalisation des paramètres ne fera pas l’objet de recherches particulières : les techniques d’interpolation actuellement mise en œuvre pour la régionalisation des paramètres mensuels (Folton et al., 2006) seront appliquées sur les paramètres journaliers ; - les incertitudes sur les projections climatiques désagrégées ne seront pas évaluées ; le travail mis en œuvre s’appuiera sur les résultats des travaux récents de comparaison de modèles climatiques et de descente d’échelle menés notamment dans le cadre des projets Riwer 2030 et R2D2 ; - les données de la réanalyse Safran disponibles sur la période 1959-2012 (Vidal et al., 2010) sont prises en compte comme données climatiques de référence pour évaluer les performances de la modélisation hydrologique en climat présent ; - on prendra comme exemples d’application pour le troisième axe de la thèse des cas de bassins versants virtuels mais réalistes (scénarios possibles de gestion d’un barrage multiusage construits en collaboration avec les scientifiques du TR RIVAGE de OHAX) METHODOLOGIE 1. Modélisation hydrologique Développement de la modélisation pluie-débit au pas de temps journalier: - recherche bibliographique sur la modélisation de la ressource en eau au pas de temps journalier, - évolution du modèle GR distribué mensuel vers le pas de temps journalier avec un faible degré de paramétrisation Proposition de thèse de doctorat - N. Folton et C. Fouchier - Mars 2013 Page 4 Evaluation de la pertinence de l’approche distribuée - recherche bibliographique sur les comparaisons approches globales / approches distribuées - comparaison du modèle journalier faiblement paramétré avec un modèle global (GR4J) en s’intéressant particulièrement au comportement de bassins à régimes complexes (influences nivales et pluviales) et à des bassins où l’influence de l’occupation du sol sur les écoulements est nette Examen de la variabilité temporelle et spatiale des paramètres - examen de la variabilité spatiale des paramètres et explication de cette variabilité en vue d’une régionalisation. On évaluera la capacité d’explication des paramètres distribués par des caractéristiques physiques des bassins versants, comparativement à l’explication des paramètres d’un modèle globale. Les valeurs de ces derniers pouvant compenser la variabilité des entrées du fait de l’hypothèse d’homogénéité des processus à l’intérieur du bassin, cette compensation pouvant perturber le lien entre la valeur intrinsèque du paramètre et des caractéristiques du bassin. 2. Applications du modèle distribué journalier en contexte de changement climatique Revue bibliographique et choix de scénarios de changements climatique (modèles climatiques et de descente d’échelle) adaptés au contexte étudié Introduction de perturbations liées au changement climatique dans les entrées du modèle journalier distribué - évaluation des conséquences de ce changement sur les sorties hydrologiques. - évaluation des conséquences de l’évolution des régimes hydrologiques sur la gestion d’ouvrages (choix de scénarios réaliste de barrages réservoirs multi-usage et étude des capacités de réponse à ces usages en contexte de changement climatique) COMPETENCES REQUISES Master Recherche ou équivalent en hydrologie ou sciences de la terre/environnement Compétences dans un ou plusieurs des domaines suivants: hydrologie, statistiques, climatologie Bonne capacité en programmation scientifique Expérience en modélisation hydrologique et/ou analyse statistique Intérêt au travail interdisciplinaire et goût pour la recherche (hydrologie, météorologie) Aisance rédactionnelle et bon niveau de communication en anglais (oral et écrit) Proposition de thèse de doctorat - N. Folton et C. Fouchier - Mars 2013 Page 5 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Arnaud P., Lavabre J., Fouchier C., Diss S., Javelle P. (2011): Sensitivity of hydrological models to uncertainty in rainfall input, Hydrological Sciences Journal, 56:3, 397-410 Boé, Julien (2007). Changement global et cycle hydrologique : une étude de régionalisation sur la France. Thèse de doctorat de l’Université de Toulouse, 278 p. Boé J., L. Terray, F. Habets and E. Martin (2006) A simple statistical-dynamical downscaling scheme based on weather types and conditional resampling. J. Geophys. Res. D: Atmospheres, 111 (23), D23106 Bourqui M. (2008) Impact de la variabilité spatiale des précipitations sur les performances des modèles hydrologiques. Thèse de doctorat de l’Ecole nationale du génie rural, des eaux et des forêts, 333 p. Coron, L., V. Andréassian, C. Perrin, J. Lerat, J. Vaze, M. Bourqui, F. Hendrickx (—), Crash testing hydrological models in contrasted climate conditions : an experiment on 216 Australian catchments, submbitted to Water Resources Research. Folton N. , Lavabre J. (2006) Regionalization of a monthly rainfall-runoff model for the southern half of France based on a sample of 880 gauged catchments. IAHS Publ, 307, pp 264 - 277. Habets F., A. Boone, J.L Champeaux, P. Etchevers, L. Franchistéguy, E.Leblois, E. Ledoux, P. Le Moigne, E. Martin, S. Morel, J. Noilhan, P.Quintana Segui F. Rousset-Regimbeau, P. IPCC (2007). Climate Change 2007 - The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007. Cambridge University Press, Cambridge UK, 1056 p. Javelle P., Fouchier C., Arnaud P., Lavabre J. (2010) Flash flood warning at ungauged locations using radar rainfall and antecedent soil moisture estimations. Journal of Hydrology, vol 394, 1-2, pp 267-274 Merz, R., J. Parajka, and Blöschl G. (2011), Time stability of catchment model parameters implications for climate impact analyses, Water Resources Research, vol. 47, W0253, 17 pp. Perrin, C., Michel, C. et Andréassian, V., 2003. Improvement of a parsimoniousmodel for streamflow simulation. Journal of Hydrology 279(1-4), 275-289. Turquois L (2012). Evaluation de l’impact du changement climatique sur les débits d’étiage vu à travers un modèle pluie-débit. Irstea, ENGEES, rapport de stage de Mastère Spécialisé Eau potable et assainissement, 68 p. Vaze, J., D. A. Post, F. Chiew, J. M. Perraud, N. Viney, and J. Teng (2010), Climate nonstationarity - validity of calibrated rainfall-runoff models for use in climatic changes studies, Journal of Hydrology, 394(3-4), 447–457 Vidal, J.-P., E. Martin, et al. (2010). " 50-year high-resolution atmospheric reanalysis over France with the Safran system. International." Journal of Climatology,(vol: 30): 1627 - 1644 Viennot (2008)) : The SAFRAN-ISBA-MODCOU hydrometeorol-ogical model applied over France, Journal of Geophysical Research D : Atmospheres 113, D06113 (2008) 18 Proposition de thèse de doctorat - N. Folton et C. Fouchier - Mars 2013 Page 6