Modélisation physique de la température des cours d'eau à l'échelle régionale : application au bassin versant de la Loire

Physical modelling of stream water temperature at a regional scale : Loire bassin case study

• Auteur / Autrice : Aurélien Beaufort
• Direction : Florentina Moatar-Bertrand, Florence Curie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences environnement
• Date : Soutenance le 17/02/2015
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GéoHydrosystèmes COntinentaux (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Ducharne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Saint Hilaire, Anik Daigle, Zahra Thomas, Bénédicte Augeard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Hannah, André Saint Hilaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Modèles écologiques

Thermométrie

Bassins hydrographiques -- France

Loire (France ; cours d'eau)

Effets du réchauffement de la Terre

Eau -- Température

Mots clés libres

Température des cours d’eau

Modélisation à base physique

Échelle régionale

Température d’équilibre

Bilan énergétiques

Approche stationnelle

Approche par propagation

Période estivale et annuelle

Végétation rivulaire

Apports eaux souterraines

Évolution temporelle et spatiale

Stream temperature

Physically-based modelling

Regional scale

Equilibrium temperature

Heat budget

0D approach

Approach by propagation

Riparian vegetation

Groundwater inputs

Summer and annual period

Spatial and temporal evolution

Résumé

Cette étude correspond au développement de deux approches de modélisation à base physique basées sur le concept de température d’équilibre pour simuler la température des cours d’eau à l’échelle du bassin de la Loire (105 km²). La performance de ces deux approches de modélisation est analysée via des chroniques horaires issues du réseau national thermique associé aux cours d’eau (RNT), mis en place par l’ONEMA en 2008. Une première partie est consacrée à l’étude de l’approche de modélisation stationnelle qui résout un bilan énergétique à l’échelle de la station. Cette approche a été testée selon une discrétisation simplifiée par ordre de Strahler puis selon une discrétisation à l’échelle du tronçon hydrographique. Elles simulent avec une très bonne précision la température horaire et journalière pour les grands cours d’eau où l’influence des conditions aux limites amont devient limitée. Une seconde approche dite « par propagation » basée sur une topologie de réseau est développée dans le but d’intégrer, à haute résolution spatiale et temporelle la propagation du signal thermique de l’amont vers l’aval des cours d’eau à une échelle régionale ce qui améliore la performance sur les cours d’eau situés en amont et de bien restituer la dynamique des profils thermiques longitudinaux des grands cours d’eau.

This work corresponds to the development of two physically based modeling approaches based on the equilibrium temperature concept to simulate the stream temperature at the Loire basin scale (105 km²). The performances of these two approaches are analyzed with hourly temperatures provided by the national thermal network associated with rivers (RNT), set up by the ONEMA in 2008. A first part focuses on the study of the 0D approach which solves the heat budget at the local scale. This approach has been tested with a simplified discretization by Strahler order and then with a discretization at the hydrographical reach scale. They simulated accurately hourly and daily temperatures for large rivers where the upstream influence becomes limited. The second part focuses on the approach by propagation based on a network topology in order to integrate the upstream-downstream propagation of the thermal signal with high spatial and temporal resolution at a regional scale which improves performances of rivers located near headwaters and to well reproduces the dynamics of longitudinal thermal profiles for large rivers.