Développement d'un modèle hydrologique de colonne représentant l'interaction nappe - végétation - atmosphère et applications à l'échelle du bassin versant

Development of a soil column model for simulating the water table - vegetation - atmosphere interaction and applications to the catchment scale

• Auteur / Autrice : Mathilde Maquin
• Direction : Emmanuel Mouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie, physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 30/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Ducharne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Mouche, Agnès Ducharne, Vazken Andréassian, René Therrien, Marc Pessel, Marie-Claire Pierret, Mauro Sulis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vazken Andréassian, René Therrien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bassins hydrographiques

Eaux souterraines

Évapotranspiration

Modèles hydrologiques

Mots clés libres

Hydrologie

Modèle de colonne

Interaction nappe - évapotranspiration

Bassin versant

Modélisation numérique

Hydrology

Column model

Water table - evapotranspiration interaction

Catchment

Numerical modeling

Résumé

Dans le cadre de la modélisation climatique, la représentation du cycle de l'eau des surfaces continentales est primordiale. Actuellement, les "modèles de surface continentale" représentent l'évolution des flux d'eau verticaux dans des colonnes de sol de quelques mètres de profondeur et leur interaction avec l'atmosphère. En revanche, l'interaction avec les nappes de faible profondeur n'est pas prise en compte alors que leur présence influence fortement les flux d'évapotranspiration à l'échelle locale, et, en conséquence, le climat à l'échelle régionale. Une difficulté est que les zones où cette interaction apparaît relèvent d'une échelle inférieure à celle du maillage des modèles de surface continentale. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle qui permette de prendre en compte l'impact des nappes de faible profondeur sur les flux d'évapotranspiration pour les modélisations climatiques à l'échelle globale. La contrainte principale associée relève des temps de calculs, qui doivent être réduits pour permettre la réalisation de simulations sur de grandes échelles de temps et d'espace. Dans ce cadre, un nouveau modèle de colonne de sol est proposé. Une fonction de drainage imposée en bas de colonne permet de reproduire l'évolution temporelle du toit de la nappe, en interaction avec les processus d'infiltration et d'évapotranspiration. Le modèle est testé et validé sur des cas tests académiques simples dans un premier temps, puis sur le cas d'un bassin versant réel dans un second temps (bassin versant du Strengbach, en France). Enfin, une méthodologie basée sur ce modèle de colonne et permettant d'estimer les flux d'évapotranspiration en tenant compte de leur variabilité dans l'espace est introduite. Elle est appliquée à un bassin versant dont la superficie est proche de celle d'une maille classique des modèles de surface continentale (bassin versant du Little Washita, aux États-Unis).

The representation of the water cycle on land surfaces is essential for climate modeling. Nowadays, the "Land Surface Models" (LSMs) represent soil columns of a few meters deep and they simulate the temporal evolution of the vertical water flows and the interaction with the atmosphere. However, the interaction with a near-surface water table is not taken into account although it strongly influences the evapotranspiration fluxes at the local scale, and therefore the climate at the regional scale. This interaction, which occurs at a smaller scale than the grid scale of the LSMs, is difficult to model. The objective of this PhD is to propose a model that incorporates the impact of a near-surface water table on evapotranspiration fluxes for global climate models. The computation time of the model must be small enough to enable simulations at large spatial and temporal scales. In this context, a new soil column model is proposed with a drainage function that is imposed at the bottom of the column. This function aims at reproducing the temporal evolution of the water table level in interaction with both the infiltration and the evapotranspiration fluxes. The model is tested and validated on numerical experiments and on a real catchment (Strengbach, France). A methodology based on this column model is introduced to estimate the evapotranspiration fluxes taking into account their subgrid variability. This methodology is applied to a catchment whose area is similar to the one of a classic grid cell of LSMs (Little Washita, USA).