annexe V2 sur les modèles (Agnès et al.) - UMR Sisyphe

Projet RExHySS
Annexe Volet 2.
Description des modèles hydrologiques Ducharne A, Gascoin S, Habets F, Ledoux E, Martin E, Oudin L, Thiéry D,
Viennot P 4 août 2009 Introduction
Une approche multi-modèle a été retenue dans le projet RExHySS pour
appréhender les incertitudes liées à la modélisation hydrologique. Cette
approche consiste à analyser des simulations hydrologiques réalisées avec
plusieurs modèles, choisis pour couvrir les différentes stratégies de
modélisation actuellement utilisées dans la communauté scientifique, et
échantillonner ainsi les incertitudes qui leur sont liées. Cet échantillonnage des incertitudes est nécessairement partiel, et ceci
resterait vrai si l'on augmentait le nombre de modèles hydrologiques
considérés. Comme le nombre de modèles augmente vite le nombre de
simulations hydrologiques à analyser (puisque ces modèles devaient simuler
10 scénarios climatiques désagrégés, afin de rendre également compte des
incertitudes liées aux scénarios climatiques), un compromis est nécessaire
pour travailler sur un nombre de modèles suffisant pour représenter au
mieux la dispersion possible mais gérable opérationnellement. Nous avons
ainsi considéré 7 modèles (section 2) développés dans la communauté
française mais représentatifs de l'état de l'art international. Un autre point très important est de ne pas surestimer les incertitudes en
tenant compte de modèles qui ne représentent pas le fonctionnement
hydrologique régional de manière réaliste. Le premier critère est donc de
ne considérer que des modèles validés avec de bonnes performances par
rapport aux observations historiques (de débits essentiellement, et pour
certains, de niveau piézométrique), ce qui est le cas pour les 7 modèles
retenus dans RExHySS (section 2). Mais cette validation n'est pas tout car elle ne garantit pas le réalisme
du modèle sous climat futur. Celui-ci est difficile à vérifier puisque
l'observation n'est par définition par encore connue dans le futur. Une
alternative est d'utiliser des jeux de données historiques susceptibles de
représenter, au moins partiellement, les conditions du futur, mais un tel
exercice est difficile car de telles données n'existent pas forcément.
Ainsi il n'y a pas d'analogues enregistrés dans les bassins de la Seine et
de la Somme du climat plus chaud et plus sec attendu sur le long-terme
selon les scénarios du V1. La canicule de 2003 s'en distingue par sa
brièveté (moins d'un mois) et peut certes être utilisée, mais avec des
limites importantes. Une autre possibilité serait d'utiliser les conditions
historiques d'autres bassins versants, plus arides, avec la limite cette
fois que cette approche implique une caractérisation différente des
paramètres des modèles (que ce soit par calage ou à partir de données a
priori) et que l'on valide/invalide donc une version différente de celle
utilisée dans l'étude d'impact. Vu ces difficultés, nous n'avons abordé
cette question de manière systématique dans RExHySS. Cependant, l'analyse des bilans hydrologiques conduite dans le volet V2 a
montré un comportement particulier du modèle CLSM, qui est le seul à
simuler une augmentation de l'évapotranspiration sous scénarios
climatiques, entrainant une réduction particulièrement marquée des débits.
Ce comportement fait écho à une évaluation menée sur 7 ans à proximité de
Strasbourg, qui a montré une surestimation de l'évapotranspiration de ce
modèle pendant l'été 2003 (section 8). En conséquence de ces éléments
convergents, nous avons donc exclu le modèle CLSM de la quantification des
incertitudes menée dans le volet V2. Présentation comparée des sept modèles
Les principales différences entre les différents modèles utilisés dans
RExHySS sont résumées dans le Tableau 1, et discutées ci-dessous. Les
sections suivantes fournissent une description spécifique de chaque modèle
pour faciliter la compréhension de ce rapport, mais le lecteur est renvoyé
aux publications associées pour plus de détails, y compris sur la
calibration et la validation des modèles. Tableau 1 - Synthèse des 7 modèles hydrologiques mobilisés dans le cadre du
volet V2.
|Modèle |Spatiali|Bilans |Nappes |Bassins|Partenai|Références |
| |sation |d'eau | | |re | |
|MODCOU |Distribu|Conceptuels|Explicite |Seine |ENSMP |Ledoux et al., |
| |é | |2D |Somme | |1989 |
| | |?t = 1 j |multicouch| | | |
| | | |e | | | |
|SIM |Distribu|Couplés aux|Explicite |Seine |Météo-Fr|Habets et al., |
| |é |bilans |(MODCOU) |Somme |ance |2008 |
| | |d'énergie | | | | |
| | |(ISBA) | | | | |
| | |?t = 1 h | | | | |
|CLSM |Semi-dis|Couplés aux|Conceptuel|Seine |Sisyphe |Koster et al., |
| |tribué |bilans | |Somme | |2000 |
| | |d'énergie | | | |Ducharne et al., |
| | |?t = 1 h | | | |2000 |
| | | | | | |Gascoin et al., |
| | | | | | |submitted |
|EROS |Semi-dis|Conceptuels|Conceptuel|Seine |BRGM |Thiéry & |
| |tribué | | | | |Moutzopoulos, |
| | |?t = 1 j | | | |1995 |
| | | | | | |Thiéry, 2004 |
|GARDENIA|Global |Conceptuels|Conceptuel|Seine |BRGM |Thiéry, 2003 |
| | | | |Somme | | |
| | |?t = 1 j | | | | |
|GR4J |Global |Conceptuels|Conceptuel|Seine |Sisyphe |Perrin et al. |
| | | | |Somme | |2003 |
| | |?t = 1 j | | | | |
Les modèles GR4J et GARDENIA sont des modèles globaux, qui décrivent la
relation entre le débit en une station et les conditions météorologiques
sur l'ensemble du bassin amont de cette station. Ils ne sont donc pas
distribués, et simuler le débit en plusieurs stations implique autant de
modèles, caractérisés par des jeux de paramètres différents. En général,
ces modèles globaux sont conceptuels, c'est-à-dire que leurs paramètres ne
correspondent pas à des paramètres physiques mesurables et doivent donc
être calés, même si leurs équations peuvent être inspirées par des lois
physiques. Les autres modèles utilisés dans RExHySS décrivent au contraire les
hétérogénéités au sein des bassins versants modélisés en subdivisant
l'espace en différentes unités de calcul, dont les paramètres sont fixés
une fois pour toute, soit à partir d'informations physiques (topographie,
pédologie, géologie, occupation des sols, etc.) soit par calage. Selon la
résolution des unités de calculs, on distingue :
. les modèles distribués, qui décrivent le domaine selon un maillage à
haute résolution (modèles MODCOU, SIM et MARTHE) ;
. les modèles semi-distribués, dont la résolution est moins fine, et qui
reposent souvent sur une discrétisation de l'espace en sous-bassins
(modèles EROS et CLSM). Même si le modèle EROS est une application semi-distribuée des équations du
modèle conceptuel global GARDENIA, les modèles distribués et semi-
distribués sont généralement à bases physiques, c'est-à-dire que leurs
équations décrivent des processus physiques (e.g. écoulements en milieu
saturé; évapotranspiration, etc.) avec des paramètres qui ont un sens
physique (e.g. conductivité hydraulique, résistance stomatique). Sur la
base du Tableau 1, on peut ainsi distinguer, au sein des modèles à bases
physiques, les modèles hydrogéologiques, qui décrivent finement les
écoulements en nappe l'équation de la diffusivité (MODCOU et MARTHE), et
les modèles hydrométéorologiques, où ce sont les bilans d'eau qui sont
décrits sur des bases physiques, de manière couplée aux bilans d'énergie
selon le principe des transferts sol-végétation-atmosphère (CLSM et SIM).
SIM occupe une place particulière dans cadre, puisqu'il décrit les
composantes hydrogéologiques et hydrométéorologiques sur des bases
physiques, en couplant les modèles MODCOU et ISBA respectivement. Dans la pratique, la limite est plus floue entre approches conceptuelles et
à bases physiques, car la plupart des modèles à bases physiques incluent
des représentations conceptuelles pour certains processus. De plus, même si
certains modèles à bases physiques peuvent être utilisés sans calibration,
en n'utilisant que des paramètres définis a priori à partir des
caractéristiques physiques du milieu (c'est le cas du modèle CLSM et du
modèle ISBA qui décrit les bilans d'eau dans SIM), tous les modèles
utilisés dans RExHySS ont été calés pour certains de leur paramètres (5
paramètres pour CLSM, et pour SIM, dont les écoulement en nappe sont
décrits par le modèle MODCOU, les paramètres hydrogéologiques calés de
celui-ci). Finalement, la principale différence entre modèles conc