Développement d'une modélisation semi-distribuée pour la simulation et la prévision des débits d'étiage

Development of a semi-distributed model for the simulation and forecasting of low water flows

• Auteur / Autrice : Hajar El khalfi
• Direction : Gilles Drogue, Claire Delus
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géographie
• Date : Inscription en doctorat le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : HNFB - Humanités Nouvelles-Fernand Braudel
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LOTERR (Géographie)

Mots clés

Mots clés libres

Spatialisation

Étiage

Sécheresse

Tarissemet

Modélisation semi-distribuée

Semi-distributed modeling

Drought

Low flow

Spatialization

Drying up

Résumé

Les dernières années ont été marquées par des sécheresses météorologiques qui se sont traduites par des étiages sévères sur l'ensemble des cours d'eau de l'est de la France, et d'une manière générale sur l'ensemble du territoire. La fréquence des épisodes secs ces cinq dernières années (2015, 2017, 2018, 2019 et 2020) est sans équivoque et impacte l'ensemble des usages et la gestion de ces épisodes constitue un enjeu fort dans la mesure où leurs impacts socio-économiques sont de plus en plus prégnants dans un contexte de changement climatique. Le plan cadre sécheresse (arrêté régional n°2017-451 du 8 juin 2017) permet de prendre des mesures de restrictions ou d'interdictions de certains usages de l'eau, mais ces dispositions réglementaires suscitent des tensions sur la ressource et sur le partage des eaux. La gestion des étiages sévères doit donc s'appuyer sur des prévisions de débits fiables, afin d'anticiper d'éventuelles tensions sur la ressource en eau et prendre des mesures adéquates pour limiter l'impact de la sécheresse sur les écoulements des cours d'eau. L'objectif de cette thèse est de développer une version semi-distribuée du modèle de prévision des débits d'étiage PRESAGES, afin d'aboutir à des prévisions plus précises spatialement. PRESAGES est un modèle conceptuel global qui repose sur une démarche naturaliste au sens où la compréhension des processus à l'origine des étiages constitue le fondement du modèle. En effet, les coefficients de tarissement observés sur les cours d'eau sont utilisés dans le modèle pour paramétrer la vidange du réservoir souterrain et simuler l'écoulement de base. On peut ainsi poser l'hypothèse qu'une approche semi-distribuée pourrait permettre d'identifier et de représenter de manière plus précise l'apport de chaque sous-bassin à l'écoulement souterrain. Concrètement, l'objectif sera de déterminer dans quelle mesure la contribution de chaque sous bassin en période de tarissement peut être reproduite et assemblée pour estimer le débit total à l'exutoire. Un travail préalable sur les courbes de tarissement sera donc nécessaire, afin de vérifier si les rythmes de vidange des nappes restent constants sur de longues séquences sans pluie. La présence de différents réservoirs dans le bassin versant pourrait se traduire par des vidanges de nappes successives dont les effets sur les écoulements des cours d'eau devront être mesurés et introduits dans le modèle. Cette thèse est menée dans le cadre de deux projets soutenus par l'Agence de l'Eau Rhin-Meuse et par l'Agence Nationale de la Recherche dont l'objectif est de développer une chaîne Intégrée pour la PRévision Hydrométéorologique des Étiages et des Sécheresses. (MIRHYADE et CIPRHES). Pour répondre à ces questionnements scientifiques et à des attentes opérationnelles, l'objectif de ce projet de thèse est de développer une version semi-distribuée du modèle PRESAGES qui intègre l'hétérogénéité des bassins versants et la contribution respective des sous bassins en période d'étiage. Le modèle PRESAGES sera appliqué au bassin Rhin-Meuse.

The last few years have been marked by meteorological droughts that have resulted in severe low water levels on all the rivers in eastern France, and generally throughout the territory. The frequency of dry spells over the last five years (2015, 2017, 2018, 2019 and 2020) is unequivocal and impacts all uses and the management of these episodes constitutes a strong issue insofar as their socio-economic impacts are increasingly significant in a context of climate change. The drought framework plan (regional decree n°2017-451 of June 8, 2017) allows measures to be taken to restrict or prohibit certain water uses, but these regulatory provisions create tensions on the resource and on water sharing. The management of severe low water levels must therefore be based on reliable flow forecasts, in order to anticipate possible tensions on the water resource and take adequate measures to limit the impact of drought on river flows. The objective of this thesis is to develop a semi-distributed version of the low-flow forecasting model PRESAGES, in order to achieve more spatially accurate forecasts. PRESAGES is a global conceptual model which is based on a naturalistic approach in the sense that the understanding of the processes at the origin of the low flows constitutes the foundation of the model. Indeed, the drying coefficients observed on the rivers are used in the model to parameterize the emptying of the underground reservoir and simulate the base flow. It can thus be assumed that a semi-distributed approach could identify and represent more accurately the contribution of each sub-basin to the groundwater flow. Specifically, the objective will be to determine to what extent the contribution of each sub-basin during the drying period can be reproduced and assembled to estimate the total flow at the outlet. A preliminary work on the drying curves will thus be necessary, in order to verify if the rates of emptying of the groundwaters remain constant over long sequences without rain. The presence of different reservoirs in the catchment area could result in successive emptying of the groundwaters, the effects of which on the flow of the rivers will have to be measured and introduced into the model. This thesis is conducted within the framework of two projects supported by the Rhine-Meuse Water Agency and the National Research Agency (ANR), whose objective is to develop an integrated chain for the hydrometeorological forecasting of draughts and droughts (MIRHYADE and CIPRHES). To answer these scientific questions and to meet operational expectations, the objective of this thesis project is to develop a semi-distributed version of the PRESAGES model which integrates the heterogeneity of the catchment areas and the respective contribution of the sub-catchment areas during low water periods. The PRESAGES model will be applied to the Rhine-Meuse basin.