Impacts of climate change on water availability in Burgundy : quantitative and qualitative aspects

De nombreuses études portant sur les impacts du changement climatique sur la ressource en eau ont été réalisées à l'échelle des grands bassins versants continentaux, celle des petits bassins versants demeurant peu étudiée. La région Bourgogne se situe à la croisée de plusieurs bassins hydrographiques (Seine, Loire, Rhône), et offre une grande diversité de contextes hydrogéologiques. Les impacts du changement climatique sont susceptibles de varier localement et leur détermination requiert l'implémentation d'une chaîne de modélisation hydroclimatique à l'échelle locale. L'objectif de cette thèse a consisté en la mise en place d'un tel outil de modélisation à l'échelle des petits bassins versants de Bourgogne. Un échantillon de bassins versants et deux modèles hydrologiques de conceptualisation différente ont été choisis : un modèle pluie-débit global (GR4J) et un modèle semi-distribué à base physique (SWAT). Ces modèles ont permis d'approcher les différents aspects des impacts sur la ressource en eau (débit à l'exutoire, ressource spatialisée, qualité de l'eau). Les modèles ont été calibrés, et leur robustesse a été testée en contexte de changement climatique, validant ainsi leur utilisation sur une période future. Une désagrégation spatiale des données climatiques a été nécessaire afin d'alimenter les modèles hydrologiques sur la période de projection. L'analyse de données observées a permis de mettre en évidence une rupture dans les températures de surface en 1987/88 (en Bourgogne comme en France métropolitaine), et une modification des régimes hydrologiques de part et d'autre de cette rupture. Les projections réalisées sur la période 1980-2100 ont permis de montrer : i) peu d'évolution des débits moyens annuels mais une accentuation de la saisonnalité, via une augmentation des débits hivernaux et une diminution des débits estivaux, en lien avec le régime des précipitations et avec l'augmentation de l'évapotranspiration. ii) des indicateurs d'étiages montrant une aggravation de leur sévérité et une emprise temporelle plus grande durant l'année hydrologique, iii) une qualité de l'eau dégradée. Afin d'ouvrir de nouvelles perspectives grâce à cette chaîne de modélisation (en termes aide à la décision), l'aptitude de la chaîne de modélisation à évaluer les impacts de divers scénarios de changement de pratiques agricoles a été testée.Numerous studies dealing with climate change impacts on water ressources have been done at global scale, but the moderated size watersheds scale is less studied. The Burgundy region is located over several hydrographical basins (Seine, Loire and Rhône river), and provides a great diversity of hydrogeological and climate contexts. For these reasons, impacts of climate change on water resources are expected to be very different in space, and require an entire hydroclimatic modelling chain at local scale to be assessed. The main objective of this thesis consisted of the implementation of a modelling tool at the moderated-size watersheds scale of Burgundy. In this way, several watersheds and two hydrological models have been chosen : a global and empirical rainfall-runoff model (GR4J) and a physical based and semi-spatialised model (SWAT). These two models allow us to assess every aspects of climate change impacts : quantitative (streamflow and spatialised ressource) and qualitative impacts.Models have been calibrated, including a cross calibration/validation test in climate contrasted periods, to confirm their robustness. A disaggregation of global climate data has been done in order to feed models during projection.Observations analysis highlighted a climate shift (in Burgundy as well as over the entire french territory), resulting in a modification of hydrological regime. Models projection over the XXIth century showed i) not much evolution of annual streamflow, but an accented seasonality, with an increase of winter streamflow, and a decrease of summer streamflow, linked with the rainfall regime and the evapotranspiration increase, ii) drought flow indices showing an increase of severity of the drought flow period, iii) a decrease in water quality. In order to explore the capacities of the modelling chain, several sensibility tests have been done, based on management practices scenarios

Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs

Numerous studies dealing with climate change impacts on water ressources have been done at global scale, but the moderated size watersheds scale is less studied. The Burgundy region is located over several hydrographical basins (Seine, Loire and Rhône river), and provides a great diversity of hydrogeological and climate contexts. For these reasons, impacts of climate change on water resources are expected to be very different in space, and require an entire hydroclimatic modelling chain at local scale to be assessed. The main objective of this thesis consisted of the implementation of a modelling tool at the moderated-size watersheds scale of Burgundy. In this way, several watersheds and two hydrological models have been chosen : a global and empirical rainfall-runoff model (GR4J) and a physical based and semi-spatialised model (SWAT). These two models allow us to assess every aspects of climate change impacts : quantitative (streamflow and spatialised ressource) and qualitative impacts.Models have been calibrated, including a cross calibration/validation test in climate contrasted periods, to confirm their robustness. A disaggregation of global climate data has been done in order to feed models during projection.Observations analysis highlighted a climate shift (in Burgundy as well as over the entire french territory), resulting in a modification of hydrological regime. Models projection over the XXIth century showed i) not much evolution of annual streamflow, but an accented seasonality, with an increase of winter streamflow, and a decrease of summer streamflow, linked with the rainfall regime and the evapotranspiration increase, ii) drought flow indices showing an increase of severity of the drought flow period, iii) a decrease in water quality. In order to explore the capacities of the modelling chain, several sensibility tests have been done, based on management practices scenarios.De nombreuses études portant sur les impacts du changement climatique sur la ressource en eau ont été réalisées à l'échelle des grands bassins versants continentaux, celle des petits bassins versants demeurant peu étudiée. La région Bourgogne se situe à la croisée de plusieurs bassins hydrographiques (Seine, Loire, Rhône), et offre une grande diversité de contextes hydrogéologiques. Les impacts du changement climatique sont susceptibles de varier localement et leur détermination requiert l'implémentation d'une chaîne de modélisation hydroclimatique à l'échelle locale. L'objectif de cette thèse a consisté en la mise en place d'un tel outil de modélisation à l'échelle des petits bassins versants de Bourgogne. Un échantillon de bassins versants et deux modèles hydrologiques de conceptualisation différente ont été choisis : un modèle pluie-débit global (GR4J) et un modèle semi-distribué à base physique (SWAT). Ces modèles ont permis d'approcher les différents aspects des impacts sur la ressource en eau (débit à l'exutoire, ressource spatialisée, qualité de l'eau). Les modèles ont été calibrés, et leur robustesse a été testée en contexte de changement climatique, validant ainsi leur utilisation sur une période future. Une désagrégation spatiale des données climatiques a été nécessaire afin d'alimenter les modèles hydrologiques sur la période de projection. L'analyse de données observées a permis de mettre en évidence une rupture dans les températures de surface en 1987/88 (en Bourgogne comme en France métropolitaine), et une modification des régimes hydrologiques de part et d'autre de cette rupture. Les projections réalisées sur la période 1980-2100 ont permis de montrer : i) peu d'évolution des débits moyens annuels mais une accentuation de la saisonnalité, via une augmentation des débits hivernaux et une diminution des débits estivaux, en lien avec le régime des précipitations et avec l'augmentation de l'évapotranspiration. ii) des indicateurs d'étiages montrant une aggravation de leur sévérité et une emprise temporelle plus grande durant l'année hydrologique, iii) une qualité de l'eau dégradée. Afin d'ouvrir de nouvelles perspectives grâce à cette chaîne de modélisation (en termes aide à la décision), l'aptitude de la chaîne de modélisation à évaluer les impacts de divers scénarios de changement de pratiques agricoles a été testée

Modalités et robustesse de la régionalisation du climat de la Bourgogne Franche-Comté

Cette note rend compte d’une partie des travaux initiés par le Centre de Recherches de Climatologie (CRC) dans le cadre du projet PSDR/PROSYS (tache 1.2 Prospective changement climatique). Ces travaux ont été réalisés grâce au support des 6 mois de CDD d’ingénieur d’étude financés par le projet Prosys dont a bénéficié Etienne Brulebois. Nous présentons succinctement ici :1. le protocole de régionalisation et d’évaluation des simulations climatiques ;2. les résultats des simulations des températures hivernales et des précipitations pourla période 1980–2014 ;3. la capacité des températures simulées à mimer l’évolution du stress froid du poisd’hiver observée suite au réchauffement de 1987/1988 (Brulebois et al. 2015 ;Richard et al. 2014)

Aptitude d'une chaîne de modélisation hydroclimatique à évaluer les impacts de changements d'occupation du sol à l'échelle de 3 bassins versants bourguignons sur la période 1980-2100

En réponse à la dégradation qualitative de la ressource en eau, les politiques publiques ont mis en place de plus en plus de mesures agro-environnementales (Bouleau and Richard, 2008). L'amélioration constante des modèles agronomiques et/ou hydrologiques a permis d'atteindre une reproduction cohérente des interactions sol/plante/atmosphère et ainsi de prévoir les impacts de ces mesures agro-environnementales. Le modèle SWAT permet de prendre en compte des pratiques agricoles détaillées et d'en déterminer les impacts sur la ressource en eau (Xie et al., 2015). En France, des projets tels que ECCOTER (Vernier and Rousset, 2014) ont montré l'efficacité du modèle SWAT pour tester l'efficacité des mesures agro-environnementales. L'objectif de cette étude est de vérifier si une chaîne de modélisation hydroclimatique incluant le modèle SWAT représente être un outil capable d'aider à la prévision des impacts des mesures agro-environnementales en contexte de changement climatique, et donc s'avérer utile aux politiques publiques. Pour répondre à ce questionnement, nous avons testé la sensibilité de SWAT et la cohérence de ses sorties face à plusieurs scénarios de gestion du territoire

Hydrological response to an abrupt shift in surface air temperature over France in 1987/88.

10 pagesInternational audienceDuring the last few decades, Europe has seen a faster increase of observed temperature than that simulated by models. The air temperature over Western Europe showed an abrupt shift at the end of the 1980s, still insufficiently documented. The aim of this study is to assess the characteristics of this shift and its potential impacts on the hydrological cycle over France. Such an assessment is essential for a better understanding of past and future climatic changes and their impact on water resources.A subset of 119 temperature, 122 rainfall, and 30 hydrometric stations was studied, over the entire French metropolitan territory. Several change-point detection tests were applied to temperature, rainfall and runoff time series.A shift in annual mean air temperature was detected in 1987/88, for more than 75% of the stations, and for both minimum and maximum temperatures. An abrupt increase of about 1 °C in minimum and maximum temperature provides evidence of this shift, which shows strong seasonality, with significant increases for DJF, MAM and JJA. Its detection is not affected by the length of the time series or any potential artefacts associated to the conditions of measurement.Cluster analysis of the rainfall stations was used to take account of regional variability in rainfall evolution. Two climate areas were obtained from this analysis: Mediterranean and temperate. No shift was detected in rainfall for either area. However, at annual and quarterly scales, several changes in runoff were observed between the periods 1969–87 and 1988–09. The significant changes occurred from January to July, in agreement with maximum increases in temperature. Evapotranspiration could well play a key role in these changes in the hydrological cycle, as a response to temperature increases in the watersheds studied

Potentialités d'une chaîne hydroclimatique à l’échelle des bassins versants bourguignons.

7 pagesInternational audienc

Sensitivity of water quality of three contrasted north-eastern French watersheds to climate change (2006-2100) using SWAT model

International audienceThe SWAT model has been chosen to assess climate change impacts on water quality of three subbassins ofnorth-eastern France: located on headwaters of three major rivers of France (Loire, Seine and Rhône riversrespectively). These watersheds have a size less than 3000km² and present different hydrogeological andgeological characteristics. Land-use as well as their agricultural practices being also diversified, the threewatersheds studied constitute a relevant experimentation area. The goal of this study is to assess local vulnerability of surface water quality (sediments, nutrients,dissolved oxygen loads) to climate change (2006-2100) following the Representative ConcentrationPathways (RCP) 8.5. To this purpose, a database (soil, land-use and daily climate data) has been built.Climate change is provided at 12 km-resolution by a dynamical downscaling of a General CirculationModel (GCM) using a Regional Climate Model (RCM). Changes in exports from watersheds (totalsuspended sediments, N-NO) and evolution of biotic conditions in the mainstream (dissolved oxygen andchlorophyll a levels) are analyzed. Further analysis will provide results for many other concerns:agronomy (study of the evolution of available soil water quantity) or watershed management (sensitivitystudies of land-cover and fertilization change impacts) and will allow concrete decision-making at localscal

Robustness and performance of semi-distributed (SWAT) and global (GR4J) hydrological models throughout an observed climatic shift over contrasted French watersheds

International audienceMany studies about climate change impacts assessment are published every year. These studies commonly use ahydroclimatic modelling chain, whose principle is to feed impact models with climate models outputs. An importantstep in this process is to test the validity of impact models in a climate change context. However, this step isnot frequently applied. The aim of this study is to test the robustness of two hydrological models with distinct conceptualizations: a global and empirical model (GR4J) and a semi-distributed and physically-based model (SWAT). They both have been calibrated and validated over climate contrasted periods. Despite a higher decrease of performance between calibration and validation for the GR4J model, both of them show relative robustness. Moreover, the stability of parameters between the two calibration periods shows that their value are not much influenced by the climate of the calibration period, and consequently remains valid during the entire projection perio

Impact du changement climatique sur l’évolution de la ressource en eau en Bourgogne, France (1980-2100).

6 pagesInternational audienceThe regional climatic model ARW / WRF is used to make a dynamic downscaling of climate (driven by ERA-Interim) at a high spatial resolution (3 km2) over Burgundy, at daily time scale over the period 1980-2011. Climatic simulations were analyzed and compared with meteorological data, in order to validate them with the aim of their use by hydro(geo)logic models. The hydro-climatic parameters necessary as climatic inputs of these models, in particular precipitation and evapotranspiration, reproduce correctly the spatial and temporal variability (in spite of an overestimation of simulated precipitation), which allows their use in a hydro-climatic modelling chain. Keywords: climate change, water resource, regional climate modelling, hydrologic modelling, Burgundy.mation of simulated precipitation), which allows their use in a hydro-climatic modelling chain

Evolution du bilan hydrique à l'échelle de bassins versants en contexte de changement climatique - Mise place d’une méthodologie.

6 pagesInternational audienc