Modélisation Hydrologique des Bassins Versant Méditerranéens à partir de leurs caractéristiques climatiques et physiques

par Antoine Allam

Projet de thèse en Sciences de l'Eau

Sous la direction de Roger Moussa et de Wajdi Najem.

Thèses en préparation à Montpellier, SupAgro en cotutelle avec l'Université Saint Joseph, Faculté d'Ingenierie , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec LISAH - étude des interactions entre sols, agrosystèmes et hydrosystèmes (laboratoire) et de eau et Polluants (equipe de recherche) depuis le 01-09-2017 .


  • Résumé

    MODELISATION HYDROLOGIQUE DES BASSINS VERSANTS MEDITERRANNEENS A PARTIR DES CARACTERISTIQUES CLIMATIQUES ET PHYSIQUES CONTEXTE ET OBJECTIF Le bassin méditerranéen est l'une des régions les plus sensibles aux variations climatiques et aux pressions anthropiques (PlanBleu, 2012). Au niveau climatique, la tendance vers un réchauffement et une aridification de la méditerranée sont une éventualité. Chacune des trois dernières décennies a été successivement plus chaude à la surface de la Terre que toutes les décennies précédentes depuis 1850 (IPCC, 2014). Les études faites au CREEN-USJ ont évalué qu'un réchauffement de 2°C causera une fonte précoce d'un mois et une atténuation des extrêmes ce qui affecterai les régimes hydrologiques des bassins versants (Hreiche & Najem, 2007). Dans ce contexte de changement global que la Méditerranée subi, compte tenu de l'accroissement démographique, des incertitudes liées au changement climatique et des mutations économiques et sociales, les régimes des cours d'eau méditerranéen sont profondément affectés, que ça soit par les crues (Llasat, et al., 2013), la sècheresse (Joan A, Diana, Eduard, & Javier, 2013) ou les bilans (García-Ruiz, López-Moreno, & Vicente-Serrano, 2011). Il serait ainsi intéressant d'évaluer cette évolution en étudiant le comportement hydrologique des bassins méditerranéens côtiers et pré-côtiers. Toutefois, une bonne évaluation requiert une connaissance approfondie des ressources et de l'environnement méditerranéen qui reste pour le moment faiblement abordé dans la littérature, à l'exception de quelques études nationales dispersés et les études de méta-analyse (Merheb, et al., 2016) (Lespinas, Ludwig, & Heussner, 2010) (Lespinas, Ludwig, & Heussner, 2014), comme entité hydrologique alors que les similarités climatiques et physiques des bassins méditerranéens sont bien identifiés d'où l'importance d'étudier ces bassins versants, de les caractériser à partir de leurs propriétés physiques, climatiques et hydrologiques pour arriver dans la suite à élaborer un modèle hydrologique méditerranéen. Le développement du modèle sera renforcé par des études annexes telle la régionalisation pour atteindre les différentes régions à climat méditerranéens, l'application sur les bassins non jaugés ainsi que les études de scenarios pour évaluer l'évolution des bassins méditerranéens. APPROCHE ET METHODE Selon le glossaire international d'hydrologie le bilan hydrologique représente le bilan des quantités d'eau entrant et sortant d'un système défini dans l'espace et dans le temps (IGH, 2012). Les flux qui régissent le bilan hydrologique sont d'une part les conditions climatiques du milieu, essentiellement la séquence pluvio-neigeuse et d'autre part la structure physique du bassin à savoir la morphologie du bassin, les propriétés physiques, la structuration du réseau hydrographique et l'état antécédent d'humidité. Le climat méditerranéen est caractérisé d'une part par une forte variabilité interannuelle des précipitations et une alternance prononcée des saisons, des hivers humides et froids et des étés secs et chauds. Cette alternance saisonnière, spécifique au bassin méditerranéen, assure l'indépendance des bilans annuels successifs à condition de les débuter au 1er septembre, frontière temporelle entre saison sèche et saison humide. Et d'autre part d'une pluviométrie obéissant à un modèle markovien d'alternance d'évènement pluvieux dont les paramètres datés ont été identifiés pour la pluviométrie libanaise (Catafago & Najem, 1976), (Najem, 1988) et vérifié dans la suite sur tout le pourtour méditerranéen. Le travail sera réparti en trois phases (A) Etude typologique des bassins versant méditerranéens à partir des bilans annuels et des propriétés physiques. (B) Elaboration d'un modèle de caractérisation des ressources et (C) Modélisation des écoulements des bassins versants à pas journalier.   Etude typologique des bassins versant méditerranéens Une corrélation encourageante entre les précipitations moyennes annuelles et le ruissellement annuel moyen a été mise en évidence pour un nombre de bassins méditerranéens (Merheb, et al., 2016). Une tentative de typologie des bassins méditerranéens peut être faite alors sur un ensemble de bassins méditerranéens à partir des propriétés des bassins et des données des bilans annuels; ces propriétés correspondent à une distribution temporelle des données en classes d'âges pour noter l'incidence d'un changement climatique ou à une distribution spatiale selon les descripteurs physiques tel la géologie, pédologie, lithologie, topographie, occupation du sol et ou autres. Le travail de typologie proposé nécessite alors une connaissance approfondie de l'environnement méditerranéen et ceci pose un défi quant à la création d'une base de données transdisciplinaire dynamique et dont l'analyse fait appel à plusieurs logiciels et outils comme le PowerPivot d'Excel, ArcSIG de ESRI et autres puisque les types de données dans cette base varient entre ceux à caractère chronologique, géographiques et physiques résumés ci-dessous : Données chronologiques hydro climatiques Débits La Waterbase de L'Agence Européenne de l'Environnement (AEE) qui dispose d'une base de données globale des pays européens pours différents sujets tel l'eau, l'air, le sol, l'agriculture, l'énergie et autres. Cette base a été reportée dans le cadre de l'obligation de déclaration de quantité d'eau WISE 3. Le Centre Global des Débits des Rivières ou Global Runoff Discharge Center (GRDC) qui dispose d'une base de données globale ainsi que de la base de données de l'Archive Européen de l'Eau ou European Water Archive (EWA). Le projet Mediterranean Hydrological Cycle Observing System (MedHyCOS) et des stations du projet Global River Discharge (RivDis) Climat Réseau de l'Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM) disponibles sur le portal de l'Administration Nationale des Océans et de l'Atmosphère des Etats Unis (NOAA). Données géographiques Les bassins versants de la base EEA Catchments and Rivers Network System ECRINS v1.1 (EEA, 2012) Les bassins versants de la base European River Catchments v.2 (ERC) (EEA, 2008) Données physiques Carte géologique : Ech. 1:5,000,000, source BGR Carte hydrogéologique, Ech. 1:1,500,000, source BGR Carte pédologique, Ech 1 :1,000,000, source ESDAC Carte d'occupation du sol Corine Land Cover CLC 2012, Ech 1:100,000, source AEE Carte lithologique Ech. 1 :1,000,000 (Hartmann & Moosdorf, 2012) Il faut noter qu'on aura recours aux agences nationales locales de différents pays pour compléter les données.   Caractérisation des ressources méditerranéenne Une fois élaborée, la typologie des bassins servira pour une analyse corrélatoires approfondie entre les écoulements des bassins et leurs propriétés afin de l'exploiter dans une classification hydrologique qui aidera dans le choix d'une structure convenable du modèle à développer dans la suite (Parajka, et al., 2013) et dans un second lieu à la régionalisation du modèle pour atteindre les bassins non jaugés (Oudin, Andréassian, Perrin, Michel, & LeMoine, 2008). L'analyse de la typologie mènera en premier lieu à la compréhension des ressources méditerranéennes, et on espère dans un second lieu d'atteindre une compréhension de la distribution des crues et des étiages par une analyse spatiotemporelle complémentaire à la typologie. L'analyse spatio-temporelle servira dans l'élaboration d'une cartographie méditerranéenne des indices hydrologiques (ex : coefficients d'écoulements, infiltration, …) qui serviront comme outil de base pour un modèle méditerranéen. Modèle Méditerranéen à pas journalier La fonction de production régit la transformation de la pluie brute en pluie nette destinée au ruissellement, elle constitue donc l'élément moteur des modèles hydrologiques car elle est responsable du volume de ruissellement. L'évolution des variables qui caractérisent les mécanismes hydrologiques élémentaires (ruissellement, infiltration) dépend non seulement des totaux pluviométriques des averses, mais aussi et leur répartition dans le temps (Catafago & Najem, 1976) On essaiera d'élaborer donc une fonction de production simple tenant en compte et la structure méditerranéenne de la pluie et les descripteurs physiques caractérisant les bassins à partir de la typologie et de son analyse spatio-temporelle développée dans la première partie. La fonction de production relative à l'état du bassin donc de son passé pourrait s'exprimer par une équation différentielle. Cette équation va générer, en partant de plusieurs années de pluie un réseau P ̅-Q ̅ relatif aux bassins méditerranéen dépendant d'un paramètre Ψi. En déterminant ce paramètre pour l'ensemble des bassins ou pour des régions méditerranéennes on pourrait passer à la détermination d'une fonction de transfert et le développement d'un modèle simple à faible nombre de paramètre ce qui facilitera l'initialisation de ce modèle. (Massari, et al., 2014)

  • Titre traduit

    Hydrological modeling of Mediterranean watersheds based on their climatic and physical characteristics


  • Résumé

    HYDROLOGICAL MODELING OF MEDITERRANEAN WATERSHEDS FROM THEIR CLIMATIC AND PHYSICAL CHARACTERISTICS CONTEXT AND OBJECTIVE The Mediterranean basin is one of the region's most sensitive to climatic variations and anthropogenic pressures (PlanBleu, 2012). At the climate level, the trend towards warming and aridification of the Mediterranean is eventual. Each of the last three decades has been successively warmer at the surface of the Earth than any previous decade since 1850 (IPCC, 2014). Studies at CREEN-USJ have assessed that a 2°C warming will lead to early one month melting and extreme attenuation, which will affect Hydrological regimes of watersheds (Hreiche, et al., 2007). In the context of the global change that the Mediterranean has undergone, given the increasing population, the uncertainties linked to climate change and economic and social changes, Mediterranean watercourse regimes are deeply affected, for flood (Llasat, et al., 2013), drought (Joan A, et al., 2013) or water balance (Garcia-Ruiz, et al., 2011). It would be interesting to evaluate this evolution by studying the hydrological behavior of the coastal and pre-coastal Mediterranean watersheds. However, a good evaluation requires a thorough knowledge of the resources and the Mediterranean environment, which for the time being is only slightly addressed in the literature, with the exception of a few scattered national studies and meta-analysis studies (Merheb, et al., 2016) (Lespinas, et al., 2014), as a hydrological entity, whereas the climatic and physical similarities of the Mediterranean watersheds are well identified, hence the importance of studying these watersheds, to characterize them on the basis of their physical, climatic and hydrological properties in order to develop a Mediterranean hydrological model. The development of the model will be reinforced by ancillary studies such as regionalization to reach the different regions with Mediterranean climate, application on ungauged watersheds as well as scenario studies to assess the evolution of the Mediterranean watersheds. APPROACH AND METHOD The work will be divided into three phases: (a) Typological study of the Mediterranean catchment watersheds from annual balances and physical properties. (B) Elaboration of a rainfall function related to the types of watersheds or the Mediterranean regions and (c) Modeling the flows of watersheds with a daily pace. Typological study of Mediterranean watersheds An encouraging correlation between mean annual rainfall and annual runoff was found for a number of Mediterranean watersheds (Merheb, et al., 2016). An attempt to set a Mediterranean watersheds typology could be done from their physical and hydroclimatic properties; These properties may correspond to a temporal distribution of the data incidence with a climatic change or to a certain spatial distribution according to the physical descriptors such as geology, pedology, lithology, topography, land use and others. The proposed typology work requires a thorough knowledge of the Mediterranean environment. Since the data types in this database vary between those of a chronological, geographical and physical nature (summarized below) this poses a challenge to the creation of a dynamic transdisciplinary database whose analysis requires several software and tools such as Excel's PowerPivot , ArcGIS from ESRI and others.   Hydro climatic chronological data Runoff data The Waterbase of the European Environment Agency (EEA), which has a comprehensive database of European countries on different topics such as water, air, soil, agriculture, energy and other. This database has been reported as part of the WISE3 water quantity reporting obligation. The Global Runoff Discharge Center (GRDC), which has a global database including the European Water Archive (EWA). The Mediterranean Hydrological Cycle Observing System (MedHyCOS) project and the Global River Discharge (RivDis) Climate data World Meteorological Organization (WMO) network available on the US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) portal. Geographic data Watersheds of the EEA Catchments and Rivers Network System ECRINS v1.1 (EEA, 2012) The European River Watersheds v.2 (ERC) (EEA, 2008) Physical data Geological map: Ech. 1: 5,000,000, source BGR Hydrogeological map, Ech. 1: 1,500,000, source BGR Soil map, Ech 1: 1,000,000, source ESDAC Land cover map Corine Land Cover CLC 2012, Ech 1: 100,000, source AEE Lithological map Ech. 1: 1,000,000 (Hartmann & Moosdorf, 2012) It should be noted that local national agencies in different countries will be contacted to complete the data. Characterization of Mediterranean resources Once set, the watersheds typology will be used for a thorough correlative analysis between the river flows and their properties in order to exploit it in a hydrological classification. This classification will help in choosing a suitable structure of the model to be developed in the next phase (Parajka, et al., 2013) and to the regionalization of the model to reach ungauged basins. (Oudin, et al., 2008). The typology analysis will lead to enhance our comprehension of Mediterranean resources and to it maylead to discover the flood or drought spatiotemporal distribution. Spatio-temporal analysis will also be used in the preparation of a Mediterranean map of hydrological indices (eg flow coefficients, infiltration, etc.) which will be the basis of a Mediterranean model. Mediterranean hydrology model at daily time step The production function governs the rainfall conversion into net rainfall and is therefore the driving force behind hydrological models because it is responsible for the total volume of discharged water. The variables evolution characterizing the elementary hydrological mechanisms (runoff, infiltration) depends not only on total rainfall but also and their distribution over time (Catafago & Najem, 1976) We shall therefore try to elaborate a simple production function taking into account both the Mediterranean structure of rain and the physical indexes characterizing the watersheds identified in the typology and its spatio-temporal analysis. The production function relative to the state of the basin and its past could be expressed by a differential equation. This equation will generate, starting from several years of rain a P ̅-Q ̅ cluster relative to the Mediterranean watersheds depending on a parameter Ψi. Once this parameter is defined for all the catchments or the Mediterranean regions one could go elaborate a transfer function and develop a simple model with a reduced number of parameters with a simple initialization process (Massari, et al., 2014)