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Impact du changement climatique sur l’hydrosystème Loire : HYDROlogie, régime thermique, QUALité ICC-HYDROQUAL : 

Impact du changement climatique sur l’hydrosystème Loire : HYDROlogie, régime thermique, QUALité ICC-HYDROQUAL UMR 6113 ISTO Équipe de Tours UMR 6173 CITERES

Contexte : 

Contexte DCE et nécessité de prévoir l’impact du CC sur le fonctionnement hydrologique, hydrochimique et hydrobiologique Les avancées récentes des modèles climatiques et de leurs résolutions spatio-temporelles permettent d’aborder l’impact du CC sur les régimes et les extrêmes hydrologiques Au contraire des bassins de la Seine, du Rhône, le bassin de la Loire n’a fait l’objet de recherches que de façon ponctuelle

Objectif : prévoir les effets potentiels du CC sur la ressource en eau du bassin de la Loire : 

Objectif : prévoir les effets potentiels du CC sur la ressource en eau du bassin de la Loire Régime hydrologique (module, étiage, crue) Il n’existe pas de modèle hydrologique de l’ensemble du bassin de la Loire Régime thermique des eaux et cycles associés (nutriments, carbone, …) La température de la Loire moyenne a augmenté au cours des 30 derniers années (printemps, été) Le phosphore a diminué, les teneurs en nitrate ont augmentées Biocénose aquatique (algues, deux espèces ictyologiques) La Loire moyenne détenait le record d’eutrophisation au milieu des années 80 ; Diminution de la chlorophylle a

Cadre général du projet : 

Cadre général du projet 3 actions thématiques qui reposent sur des modèles Impact du CC sur le régime hydrologique de la Loire et de ses affluents Impact du CC sur le régime thermique de la Loire et de ses affluents Impact du CC sur la qualité biogéochimique de la Loire et ses affluents 1 action de synthèse Analyse des résultats des modèles par rapport à des critères fréquemment utilisés par les gestionnaires pour évaluer la vulnérabilité du milieu

La chaîne de modélisation : 

Appliquer les forçages climatiques à deux modèles hydrologiques (CLSM, EROS) Appliquer les forçages climatiques et hydrologiques à un modèle de température de l’eau Appliquer les forçages hydrologiques et thermiques à un modèle de qualité biogéochimique La chaîne de modélisation Modèles hydrologique Modèle Température de l’eau Climat actuel et scénarios climatiques proposés à l’Appel d’Offre Modèle de qualité de l’eau RIVERSTRAHLER Rejets ponctuels Concentrations souterraines et superficielles temps présent Action 1 Action 2 Action 3

Phase préliminaire du travail post-doctoral de Vincent Bustillo (1 févr. - 30 nov. 2008) Actions 1 et 2 : 

Phase préliminaire du travail post-doctoral de Vincent Bustillo (1 févr. - 30 nov. 2008) Actions 1 et 2 Mise en place des bases de données et découpage en 68 sous-bassins homogènes Acquisition et analyse des simulations climatiques Arpège V4, scénario GES observés et A1B, pas de tps horaire Simulation des écoulements des 68 sous-bassins sur le temps présent à l’aide de CLSM (1971-2007) Mise en place du modèle physique de température de l’eau .

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MNA = BD ALTI (50 m) Localisation des stations ECOCLIMAP 68 Bassins Versants homogènes 25 BV en tête de réseau 43 BV « intermédiaires » Résultats – phase préliminaire Discrétisation spatiale pour le modèle CLSM

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Profondeur sol Fraction végétation Albédo … ECOCLIMAP (météo-France) 1km x 1 km Fonctionnement des surfaces continentales, sur des bases physiques (TSVA) Processus régissant les bilans d’eau et d’énergie au niveau du sol Décrit la redistribution latérale des masses d’eau dans les sols (TOPMODEL) Météorologie T°, Pluie, Vent, Humidité, Rg .. SAFRAN (Météo-France) Maille 8 km x 8 km Données horaires 1970 - 2007 MNT (50m x 50m) Indice topographique 50m x 50m Topographie Végétation / Sols Modèle CLSM

Etapes modélisation hydrologique CLSM : 

Etapes modélisation hydrologique CLSM Simulation des débits des 68 stations temps présent (1970 – 2007) Calibration (4 paramètres) et validation croisées par périodes de 10 ans: 1975-85, 1985-95, 1995-2005. Confrontation aux mesures et détermination de critères d’efficacité (Nash, Variance expliquée EVC, biais, logNash) Analyse du scénario ARPEGE v4, SRES A1B (1950 – 2100) pour les 68 bassins. - Simulation des débits temps futur à partir de modèles calés forcés par un scénario climatique A1B (en cours)

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Estimation correcte des débits d’étiage Performance réduite pour les débits de crue Débit moyen Décadaire Résultats CLSM – temps présent VIENNE A PALAIS, 2297 km²

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Cours d’eau drainant un substratum géologique perméable à très perméable. Arnon, Conie, Loir, Clain, Claise, Huisne, Yèvre. 1-fc < 0.5 ; k < 2 ; gnu > 2 et t > 90 Cours d’eau sans réserve souterraine permanente. Aron, Arroux, Cher, Creuse, Dore, Gartempe, Indre, Mayenne, Oudon, Sarthe, Thouet. 1-fc < 0.9 ; -1 < k-gnu <1 Cours d’eau sans réserve souterraine permanente mais influencé par des ouvrages de stockage. Ex : Hauts bassins de la Loire, de la Vienne, de l’Allier et de la Sioule. 0.5 > 1- fc > 0.9 ; -2 < k-gnu < 2 Cours d’eau sur sol très perméable avec forte composante latérale. Ex : Beuvron, Cosson, Sauldre (Sologne). k > 3, g < 1.5, 1-fc < 0.6, t indifférent Modèle hydrologique Une ébauche de classification selon les paramètres de CLSM sur 25 BV de tête de réseau 1-fc = taux de remplissage de la macroporosité au seuil de percolation. k = coefficient multiplicatif de la perméabilité hydraulique de surface Ks. Gnu (m-1) = coefficient de décroissance exponentielle de Ks dans les profils de sol. t (jour) = temps caractéristique de vidange des nappes soit Q(t)/Q(to) = 1/e. A B C D

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Où en est-on ? Ce qui a été fait … (1) Simulation des débits temps présent par calage du modèle CLSM sur les 68 BV; (2) Identification des jeux de paramètres les plus performants : plusieurs combinaisons de paramètres s’avèrent possibles pour simuler les débits (équifinalité) ; (3) Résultats satisfaisants sur 25 BV de tête de réseau, critère de Nash Bilan - Modèle CLSM – Phase préliminaire A: bassin versant avec importantes réserves souterraines; B: bassins versants avec faibles réserves souterraines et absence de soutien d’étiage anthropique; C: bassins versants avec faibles réserves souterraines et soutien d’étiage anthropique; D: Sols très perméables à drainage rapide (cours d’eau Solognotes)

Suite dans ce projet pour la modélisation hydrologique : 

Suite dans ce projet pour la modélisation hydrologique Prévoir un module de transfert dans le modèle CLSM – amélioration des simulations en crue Adopter une approche multi-modèle par la mise en œuvre d’un modèle supplémentaire (EROS) Adopter une approche multi-scénarios De prendre en compte les ouvrages de stockage dans la modélisation

Modèle hydrologique EROS : 

Modèle hydrologique EROS EROS = Grappe de modèles Gardénia Schéma d’1 modèle GARDÉNIA

Modèle hydrologique EROS : 

Modèle hydrologique EROS Exemple d’application : Bassin de la SEINE en 41 sous basins Projet GICC RExHySS

Modèle hydrologique EROS : 

Modèle hydrologique EROS Prise en compte des nappes souterraines Le niveau d’un réservoir du modèle correspond au niveau de l’aquifère Possibilité de calibrer le modèle pour reproduire simultanément les observations de débits et de niveaux piézométriques => Robustesse [Gardénia] Termes d’imports/exports ? effets des nappes Prise en compte d’éventuels prélèvements/injections en aquifère. [Gardénia] Spécificités EROS :

Modèle hydrologique EROS : 

Modèle hydrologique EROS Modélisation simultanée de la grappe des 68 sous bassins de la Loire. Prise en compte des historiques piézométriques disponibles Comparaison / confortation avec le modèle CLSM. Évaluation des effets du CC sur les écoulements y compris les étiages, et sur les nappes souterraines. Travail à mener et résultats attendus :

Action 1 : modélisation hydrologiqueRésultats attendus : 

D’une manière générale : Changement de régime hydrologique moyen Evolution de la sévérité des étiages Evolution de l’amplitude des crues Evaluation des incertitudes Action 1 : modélisation hydrologiqueRésultats attendus D’une manière plus précise : Courbes des débits classés avec les quantiles extrêmes, régionalisés, à différents horizons : 2040-2060, 2080-2100 et comparés aux caractéristiques actuelles Évolution des étiages en terme de relation débit/fréquence Données nécessaires : Entrées et sorties barrages + prélèvements

Action 2: Modélisation thermiquePhase préliminaire : 

Action 2: Modélisation thermiquePhase préliminaire Nécessiter de simuler le régime thermique de la Loire et de ses affluents sur une base physique et non pas statistique Comparaison de plusieurs résultats basés sur le bilan énergétique pour la Loire Moyenne – temps présent Analyse de la sensibilité des simulations aux variables climatiques et à la profondeur du cours d’eau (Loire Moyenne) : temps présent + période 2030

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Action 2: Modèle statistique Station d’Avoine (Loire moyenne) Comportement selon une fonction logistique, avec un biais => modèle stochastique peu explicatif et non adapté à l’étude du CC

Action 2: Modèle physique : 

Action 2: Modèle physique Termes classiques Termes additionnels Hns: Rayonnement solaire net ondes courtes Hla: Rayonnement solaire incident ondes longues Hlw: Rayonnement émis par le plan d’eau He: Evaporation / Condensation Hc: Convection Hs: Flux de chaleur eau-sédiment Hf : Energie de friction eau-sédiment-végétation Hlat : Flux advectif associé à l’apport de nappe Hr : Flux de chaleur d’origine anthropique A/W = profondeur moyenne du cours d’eau (m) rw.Cpw = 4.181 x 106 J.m-3.K-1 H exprimé en J.s-1.m-2

Action 2: Modèle physiqueRésultats Loire Moyenne : 

Action 2: Modèle physiqueRésultats Loire Moyenne Amont Belleville Amont Dampierre Amont St Laurent-des-Eaux Amont Avoine 5 termes 5 termes Hs + Hr 5 termes + Hs + Hlat + Hr 5 termes + Hs + Hlat + Hr + Hf Numéro heure (1 pour 1/1/2003 à 0h30 et 8760 pour 31/12/2003 à 23h30) Numéro heure (1 pour 1/1/2003 à 0h30 et 8760 pour 31/12/2003 à 23h30) Tw (sim), °C DT lat (sim), °C Simulations 2003 Influence des eaux souterraines

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Action 2: Résultats attendus Couplage avec les modèles hydrologiques (contribution ruissellement et nappe) Valeurs moyennes, amplitudes journalières et saisonnières en plusieurs stations du bassin pour apprécier l’hétérogénéité spatiale (tps présent et futur) Couplage avec Riverstrahler pour pouvoir tenir compte de l’influence de la Température sur les variables biogéochimiques

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Action 3: Modélisation biogéochimique Comprendre les causes des évolutions observées ces dernières années, Etudier l’influence du changement climatique sur la qualité des eaux avec les pressions anthropiques actuelles, Analyser l’influence croisée des changements climatiques et des impacts anthropiques (scénarios de rejets ponctuels et diffus sur la base des connaissances acquises dans le bassin de la Seine)

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Principe de base Couplage d’un modèle détaillé des processus biogéochimiques (RIVE) avec une représentation originale de la complexité du réseau hydrographique basée en partie sur la notion d’ordre de Strahler (1957) Billen et al., 1994; Garnier et al, 1995; Billen & Garnier, 2000; Garnier et al., 2000; Sferratore et al, in press; Le et al., in prep. Implémenté sur diverses rivières en régime tempéré (Seine, Somme, Moselle, Norström), continental (Danube), sub-tropical (Red River) et arctique (Kalix, Lule)

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Le Modèle RIVE Formalisation de la cinétique des processus biogéochimiques, avec des paramètres accessibles à la détermination expérimentale: Croissance du phytoplancton (Diatomées, algues vertes, cyanobactéries) Minéralisation de la Matière Organique par les bactéries hétérotrophes (2 classes de taille) Broutage par le zooplancton (Rotifères, micro-crustacés) Dynamique des bactéries nitrifiantes (NH4, NO3, NO2, N2O) Dynamique du phosphore et de la silice (oPO43-, PIP, SiO2, BSi) Dynamique des sédiments en suspension ou déposés Dynamique des bactéries fécales Principe de l’unicité des processus Les processus biogéochimiques et leur cinétique sont les mêmes dans tous les secteurs du continuum aquatique

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apports ponctuels description réseau hydrograph. Hydrostrahler (flux hydriques) Qualité de l’eau Modèle RIVE (processus biogéochimiques Apports diffus Contraintes climatiques et hydrologiques Riverstrahler Transfert riparien Comp. ss-racinaire Comp. phréatique Relation empirique usage sol vs conc ss racinaire Usage du sol Aquifères Typo ZHR + drainage Le modèle Riverstrahler

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Sources ponctuelles de nutriments Base de données des rejets d’eaux usées domestiques et industrielles Rejets journaliers de MES, Corg, N, P. ou Calcul forfaitaire à partir du nbre d’equhab PIREN-Seine

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Sources diffuses de nutriments Thèse Ch. Blanchard, Univ. Tours, 2007 Détermination des agro-zones dans le bassin de la Loire

Résultats attendus : 

Résultats attendus Simulation des variables biogéochimiques en tout point du réseau hydrographique Comparaison avec les seuils de qualité du « système d’évaluation » DCE Confrontation aux données observées (RNB, EDF) Explication des tendances saisonnières observées à l’échelle pluriannuelle Impact croisé du CC et de la pression anthropique

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Action 4: Vulnérabilités du bassin de la Loire sous impact du CC Vulnérabilité en réaction aux situations hydrologiques extrêmes induites par le CC, et plus particulièrement celle relative à la pénurie en eau et aux épisodes caniculaires Identification (dans le temps et dans l’espace) des cours d’eau et tronçons de rivières les plus vulnérables (en terme crue, étiage, eutrophisation, température, 2 espèces piscicoles)

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Action 4: Vulnérabilités du bassin de la Loire sous impact du CC Interprétation des sorties des différents modèles par rapport à des critères/indicateurs fréquemment utilisés par les gestionnaires Fréquence de dépassement des débits critiques d’inondation et d’étiage Fréquence de dépassement de températures critiques par rapport à l’exploitation par EDF Fréquence de dépassement de seuils physico-chimiques en lien avec la qualité hydroécologique (Oxygène, Nutriments, Algues …) Etude qualitative et quantitative des impacts des changements des conditions du milieu sur l’évolution potentielle de deux espèces piscicoles repères

Action 4: Les espèces repères : 

Action 4: Les espèces repères Le Chabot (Cottus gobio) Autochtone Protégée Natura 2000 Têtes de bassins versants, eaux froides, oligotrophes, très bien oxygénées Le pseudorasbora (Pseudorasbora parva) Allochtone, Asie du Sud Est Espèce invasive Rivières de plaine, eaux chaudes, eutrophes Wikipedia

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Action 4: Les espèces repèresMéthodologie Etudier la distribution dans le bassin de la Loire 1970-2008 / si possible avant 1960 pour certaines stations Identifier les variables climatiques, hydrologiques et biogéochimiques pour expliquer cette distribution spatiale Etudier l’impact du CC sur la distribution des espèces sur la base des résultats des modèles des actions 1, 2 et 3

Action 4: Les espèces repèresMéthodologie : 

Les bases de données ressources : ONEMA, MNHN, éventuellement enquêtes complémentaires Données : présence-absence, présence seulement, abondance ? Variables hydrologiques: min, max, durée et fréquence de dépassement de certaines valeurs seuils (QMNA5… Variables thermiques : min, max, valeurs seuils biologiques, durée et fréquence de dépassement de certaines valeurs seuils, quantité de chaleur °J … Variables qualité de l’eau : O2 dissous, MES, Nitrate, phosphore total, chlorophylle a, NH4+ Outils : régressions multiples (linéaires ou non-linéaires) Calibration-validation par découpage des données : 75-25% Action 4: Les espèces repèresMéthodologie

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Projet : résultats attendus Caractérisation de l’impact du CC sur le comportement de l’hydrosystème Loire Analyse qualitative de la robustesse en regard des incertitudes explorées Synthèse cartographique des impacts (changements relatifs par rapport au temps présent) Analyse des vulnérabilités du milieu par rapport à des critères identifiés en accord avec les gestionnaires

Calendrier : 

Calendrier Hydrologie Thermie Bio-géochimie Vulnérabilités 2010 2009 J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S Modélisation Modélisation Modélisation Analyse et synthèse Etablissement du jeu de données Établissement du jeu de données

Approche pluridisciplinaire et composition de l’équipe : 

Approche pluridisciplinaire et composition de l’équipe UMR ISTO-Tours Univ. Tours UMR Sisyphe Paris VI BRGM Service Eau Orléans Cemagref UR Hydrologie Hydraulique Lyon UMR CITERES Univ. Tours Hydrologie Hydrogéologie Thermie Biogéochimie Ecologie XXX XXX XX XXX XXX XXX XXX X XX XXX X X XXX X X X X

Liste des Participants : 

Liste des Participants Univ. de Tours, UMR ISTO 6113 Florentina MOATAR Vincent BUSTILLO X (Ing. d’étude) Univ. de Tours, UMR CITERES Catherine BOISNEAU CEMAGREF de Lyon Eric SAUQUET Univ. Paris VI, UMR Sisyphe 7619 Agnès DUCHARNE Gilles BILLEN Josette GARNIER Marie SILVESTRE BRGM Orléans Dominique THIERY

Comité pilotageà définir en accord avec l’EP Loire : 

Comité pilotageà définir en accord avec l’EP Loire Les équipes participantes MEEDDAT EDF DIREN Agence de l’Eau LB ONEMA Scientifiques extérieurs

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