La Loire à l'épreuve du changement climatique

Les changements climatiques annoncés vont-ils induire une modification du cycle de l'eau et des débits dans un bassin comme la Loire, géologiquement contrasté et soumis à des climats variés (océanique, continental, cévenol) ? Nos résultats suggèrent une diminution des ressources en eau disponibles en moyennes eaux et en étiage. En revanche la dynamique et l'intensité des crues ne devraient pas varier significativement

Assessing water and energy fluxes in a regional hydrosystem: case study of the Seine basin

While it is well accepted that climate change and growing water needs affect long-term sustainable water resources management, performing accurate simulations of water cycle and energy balance dynamics at regional scale remains a challenging task.Traditional Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer (SVAT) models are used for numerical surface water and energy simulations. These models, by conception, do not account for the groundwater lower boundary that permits a full hydrosystem representation. Conversely, while addressing important features such as subsurface heterogeneity and river–aquifer exchanges, groundwater models often integrate overly simplified upper boundary conditions ignoring soil heating and the impacts of vegetation processes on radiation fluxes and root-zone uptakes. In this paper, one of the first attempts to jointly model water and energy fluxes with a special focus on both surface and groundwater at the regional scale is proposed on the Seine hydrosystem (78,650 km$^{2}$), which overlays one of the main multi-aquifer systems of Europe.This study couples the SVAT model ORCHIDEE and the process-based hydrological–hydrogeological model CaWaQS, which describes water fluxes, via a one-way coupling approach from ORCHIDEE toward CaWaQS based on the blueprint published by [de Marsily et al., 1978]. An original transport library based on the resolution of the diffusion/advection transport equation was developed in order to simulate heat transfer in both 1D-river networks and pseudo-3D aquifer systems. In addition, an analytical solution is used to simulate heat transport through aquitards and streambeds. Simulated ORCHIDEE surface water and energy fluxes feed fast surface runoff and slow recharge respectively and then is used as CaWaQS forcings to compute river discharges, hydraulic heads and temperature dynamics through space and time, within each of the hydrosystem compartments. The tool makes it possible to establish a fully consistent water and energy budget over a period of 17 years. It also simulates temperature evolution in each aquifer and evaluates that river thermal regulation mostly relies by order of importance on short wave radiations (109.3 W${\cdot }$m$^{-2}$), groundwater fluxes (48.1 W${\cdot }$m$^{-2}$) and surface runoff (22.7 W${\cdot }$m$^{-2}$)

ORCHIDEE-MICT (revision 4126), a land surface model for the high-latitudes: model description and validation

Abstract. The high-latitude regions of the northern hemisphere are a nexus for the interaction between land surface physical properties and their exchange of carbon and energy with the atmosphere. At these latitudes, two carbon pools of planetary significance – those of the permanently frozen soils (permafrost), and of the great expanse of boreal forest – are vulnerable to destabilization in the face of currently observed climatic warming, the speed and intensity of which are expected to increase with time. Improved projections of future Arctic and boreal ecosystem transformation require improved land surface models that integrate processes specific to these cold biomes. To this end, this study lays out relevant new parameterizations in the ORCHIDEE-MICT land surface model. These describe the interactions between soil carbon, soil temperature and hydrology, and their resulting feedbacks on water and CO2 fluxes, in addition to a recently-developed fire module. Outputs from ORCHIDEE-MICT, when forced by two climate input data sets, are extensively evaluated against: (i) temperature gradients between the atmosphere and deep soils; (ii) the hydrological components comprising the water balance of the largest high-latitude basins, and (iii) CO2 flux and carbon stock observations. The model performance is good with respect to empirical data, despite a simulated excessive plant water stress and a positive land surface temperature bias. In addition, acute model sensitivity to the choice of input forcing data suggests that the calibration of model parameters is strongly forcing-dependent. Overall, we suggest that this new model design is at the forefront of current efforts to reliably estimate future perturbations to the high-latitude terrestrial environment. </jats:p

Importance of stream temperature to climate change impact on water quality

International audienceThe sensitivity of water quality to climate change was assessed in the Seine River (France) with the biogeochemical model RIVERSTRAHLER, which describes the transformations and fluxes of C, N, P and Si between the main microbiological populations, the water column and the sediment, along the entire river network. Point and diffuse sources are prescribed, stream temperature undergoes a sinusoidal annual cycle constrained by observations, and runoff is calculated by a physically-based land surface model. The reference simulation, using meteorological forcing of 1986-1990 and point sources of 1991, compares very well with observations. The climate change simulated by a general circulation model under the SRES emission scenario A2 was used to simulate the related changes in runoff and stream temperature. To this end, a statistical analysis was undertaken of the relationships between the water and air temperatures in the Seine watershed over 1993-1999, using 88 points that correctly sampled the variability of the tributaries. Most of stream temperature variance was explained by the lagged moving average of air temperature, with parameters that depended on Strahler stream order. As an interesting simplification, stream temperature changes could be approximated by air temperature changes. This modelling framework was used to analyse of the relative influence of the water warming and discharge reduction induced by climate change on water quality in Paris and downstream. Discharge reduction increased phytoplankton growth and oxygen deficits. Water warming decreased dissolved oxygen, increased phytoplankton biomass during the growth period, and reduced it afterwards, when loss factors dominate. It was also shown that these impacts were enhanced when point source inputs of nutrient and organic matter increased

Le cycle de l'eau : modélisation de l'hydrologie continentale, étude de ses interactions avec le climat

This thesis studies a wide spectrum of hydrological processes. The sensitivity of the global water cycle to soil hydrology is analysed with a General Circulation Model (MCG). Three directions are explored: the influence of a drainage term, of the soil water-holding capacity, and of the subgrid scale variability of continental hydrology, through a distributed parameterization of runoff. The sensitivity of the water cycle depends on both the amplitude and the sign of the mean variations of continental evaporation induced by the studied parameterizations. It also depends on the spatial and time distribution of these variations. This distribution is especially sensitive to soil hydrology in the tropics, and induces important changes of the Hadley-Walker circulation and the associated indian monsoon circulation. Nevertheless, the different parameterizations of soil hydrology have a very weak impact on mean moisture convergence over land, in regard to the systematic overestimation of the latter in the GCM. The second part of this thesis presents the development of a Model of Lateral Transport (MLT) of water within large catchments, and its application to simulate the discharge of 14 large rivers, under the forcing of daily outflow simulated by a GCM. With regard to the differences between observed and simulated precipitation and to the simplifications of soil hydrology in the GCM, the MLT allows a satisfying representation of the lag time between the maximum of mean outflow over a catchment and the maximum of river discharge close to the mouth.Cette thèse étudie une large gamme de processus liés au cycle de l'eau. La sensibilité du cycle hydrologique global à la représentation de l'hydrologie du sol est analysée à l'aide d'un Modèle de Circulation Générale (MCG). Trois directions sont explorées : l'influence d'un terme de drainage, celle de la capacité en eau du sol, et celle de la variabilité sous-maille de l'hydrologie continentale, à travers une paramétrisation distribuée du ruissellement. La sensibilité de la branche atmosphérique du cycle hydrologique dépend de l'amplitude et du signe des variations d'évaporation continentale moyennes induites par les paramétrisations étudiées. Elle dépend aussi de la distribution spatiale et temporelle de ces variations. Cette distribution est particulièrement sensible à l'hydrologie du sol dans les tropiques, où elle entraine des modifications importantes de la circulation de Hadley-Walker et de la mousson indienne associée. Les paramétrisations de l'hydrologie du sol n'ont cependant qu'une influence très faible sur la convergence d'humidité moyenne sur les continents, en regard de la surestimation systématique de cette grandeur dans le MCG. La seconde partie de cette thèse présente le développement d'un Modèle de Transport Latéral de l'eau dans les grands bassins versants, le MTL, et son application pour simuler le débit de 14 grands fleuves, à partir de l'écoulement total journalier simulé par un MCG. Le MTL permet de reproduire de manière satisfaisante le retard entre le maximum de l'écoulement total sur un bassin et le maximum du débit à l'aval du bassin, si l'on tient compte des différences entre les précipitations simulées et observées, et des simplifications de l'hydrologie du sol dans le MCG

Hydrologie Continentale et Environnement - Apports de la modélisation pour comprendre le milieu physique et les impacts de l'anthropisation

Les ressources en eau se définissent autant par la qualité de l'eau disponible que par sa quantité, et leur évolution future, sous l'influence des pressions anthropiques (pollutions, prélèvements, etc.) ou du changement climatique, est un enjeu majeur pour les sociétés. Ce mémoire fait la synthèse des travaux que j'ai menés dans ce cadre, en commençant par ceux qui portent sur la compréhension et la modélisation du fonctionnement des hydrosystèmes dans leur composante " naturelle ", si tant est que l'on puisse l'isoler en conditions récentes. Il est question des modèles hydrologiques TOPMODEL et CLSM, des incertitudes que révèlent leur confrontation à des observations issues de sites contrastés, et à certains processus couplés à l'hydrologie, comme la dénitrification dans les zones humides, l'hydraulique des cours d'eau et leur température. Une deuxième partie présente ensuite comment je me suis appuyée sur les modèles ainsi développés et évalués pour évaluer l'impact des changement globaux sur les hydrosystèmes, en insistant sur ceux du changement climatique. J'aborde enfin les perspectives de ces travaux, ciblées sur les influences réciproques entre surfaces continentales et climat, avec une attention particulière envers les stress hydriques à l'évapotranspiration et le rôle des eaux souterraines

Hydrologie Continentale et Environnement - Apports de la modélisation pour comprendre le milieu physique et les impacts de l'anthropisation

Les ressources en eau se définissent autant par la qualité de l'eau disponible que par sa quantité, et leur évolution future, sous l'influence des pressions anthropiques (pollutions, prélèvements, etc.) ou du changement climatique, est un enjeu majeur pour les sociétés. Ce mémoire fait la synthèse des travaux que j'ai menés dans ce cadre, en commençant par ceux qui portent sur la compréhension et la modélisation du fonctionnement des hydrosystèmes dans leur composante " naturelle ", si tant est que l'on puisse l'isoler en conditions récentes. Il est question des modèles hydrologiques TOPMODEL et CLSM, des incertitudes que révèlent leur confrontation à des observations issues de sites contrastés, et à certains processus couplés à l'hydrologie, comme la dénitrification dans les zones humides, l'hydraulique des cours d'eau et leur température. Une deuxième partie présente ensuite comment je me suis appuyée sur les modèles ainsi développés et évalués pour évaluer l'impact des changement globaux sur les hydrosystèmes, en insistant sur ceux du changement climatique. J'aborde enfin les perspectives de ces travaux, ciblées sur les influences réciproques entre surfaces continentales et climat, avec une attention particulière envers les stress hydriques à l'évapotranspiration et le rôle des eaux souterraines

Le cycle de l'eau : modélisation de l'hydrologie continentale, étude de ses interactions avec le climat

This thesis studies a wide spectrum of hydrological processes. The sensitivity of the global water cycle to soil hydrology is analysed with a General Circulation Model (MCG). Three directions are explored: the influence of a drainage term, of the soil water-holding capacity, and of the subgrid scale variability of continental hydrology, through a distributed parameterization of runoff. The sensitivity of the water cycle depends on both the amplitude and the sign of the mean variations of continental evaporation induced by the studied parameterizations. It also depends on the spatial and time distribution of these variations. This distribution is especially sensitive to soil hydrology in the tropics, and induces important changes of the Hadley-Walker circulation and the associated indian monsoon circulation. Nevertheless, the different parameterizations of soil hydrology have a very weak impact on mean moisture convergence over land, in regard to the systematic overestimation of the latter in the GCM. The second part of this thesis presents the development of a Model of Lateral Transport (MLT) of water within large catchments, and its application to simulate the discharge of 14 large rivers, under the forcing of daily outflow simulated by a GCM. With regard to the differences between observed and simulated precipitation and to the simplifications of soil hydrology in the GCM, the MLT allows a satisfying representation of the lag time between the maximum of mean outflow over a catchment and the maximum of river discharge close to the mouth.Cette thèse étudie une large gamme de processus liés au cycle de l'eau. La sensibilité du cycle hydrologique global à la représentation de l'hydrologie du sol est analysée à l'aide d'un Modèle de Circulation Générale (MCG). Trois directions sont explorées : l'influence d'un terme de drainage, celle de la capacité en eau du sol, et celle de la variabilité sous-maille de l'hydrologie continentale, à travers une paramétrisation distribuée du ruissellement. La sensibilité de la branche atmosphérique du cycle hydrologique dépend de l'amplitude et du signe des variations d'évaporation continentale moyennes induites par les paramétrisations étudiées. Elle dépend aussi de la distribution spatiale et temporelle de ces variations. Cette distribution est particulièrement sensible à l'hydrologie du sol dans les tropiques, où elle entraine des modifications importantes de la circulation de Hadley-Walker et de la mousson indienne associée. Les paramétrisations de l'hydrologie du sol n'ont cependant qu'une influence très faible sur la convergence d'humidité moyenne sur les continents, en regard de la surestimation systématique de cette grandeur dans le MCG. La seconde partie de cette thèse présente le développement d'un Modèle de Transport Latéral de l'eau dans les grands bassins versants, le MTL, et son application pour simuler le débit de 14 grands fleuves, à partir de l'écoulement total journalier simulé par un MCG. Le MTL permet de reproduire de manière satisfaisante le retard entre le maximum de l'écoulement total sur un bassin et le maximum du débit à l'aval du bassin, si l'on tient compte des différences entre les précipitations simulées et observées, et des simplifications de l'hydrologie du sol dans le MCG