Modélisation de l’évolution hydroclimatique des flux et stocks d’eau verte et d’eau bleue du bassin versant de la Garonne

La gestion intégrée de la ressource en eau implique de distinguer les parcours de l’eau qui sont accessibles aux sociétés de ceux qui ne le sont pas. Les cheminements de l’eau sont nombreux et fortement variables d’un lieu à l’autre. Il est possible de simplifier cette question en s’attardant plutôt aux deux destinations de l’eau. L’eau bleue forme les réserves et les flux dans l’hydrosystème : cours d’eau, nappes et écoulements souterrains. L’eau verte est le flux invisible de vapeur d’eau qui rejoint l’atmosphère. Elle inclut l’eau consommée par les plantes et l’eau dans les sols. Or, un grand nombre d’études ne portent que sur un seul type d’eau bleue, en ne s’intéressant généralement qu’au devenir des débits ou, plus rarement, à la recharge des nappes. Le portrait global est alors manquant. Dans un même temps, les changements climatiques viennent impacter ce cheminement de l’eau en faisant varier de manière distincte les différents composants de cycle hydrologique. L’étude réalisée ici utilise l’outil de modélisation SWAT afin de réaliser le suivi de toutes les composantes du cycle hydrologique et de quantifier l’impact des changements climatiques sur l’hydrosystème du bassin versant de la Garonne. Une première partie du travail a permis d’affiner la mise en place du modèle pour répondre au mieux à la problématique posée. Un soin particulier a été apporté à l’utilisation de données météorologiques sur grille (SAFRAN) ainsi qu’à la prise en compte de la neige sur les reliefs. Le calage des paramètres du modèle a été testé dans un contexte differential split sampling, en calant puis validant sur des années contrastées en terme climatique afin d’appréhender la robustesse de la simulation dans un contexte de changements climatiques. Cette étape a permis une amélioration substantielle des performances sur la période de calage (2000-2010) ainsi que la mise en évidence de la stabilité du modèle face aux changements climatiques. Par suite, des simulations sur une période d’un siècle (1960-2050) ont été produites puis analysées en deux phases : i) La période passée (1960-2000), basée sur les observations climatiques, a servi de période de validation à long terme du modèle sur la simulation des débits, avec de très bonnes performances. L’analyse des différents composants hydrologiques met en évidence un impact fort sur les flux et stocks d’eau verte, avec une diminution de la teneur en eau des sols et une augmentation importante de l’évapotranspiration. Les composantes de l’eau bleue sont principalement perturbées au niveau du stock de neige et des débits qui présentent tous les deux une baisse substantielle. ii) Des projections hydrologiques ont été réalisées (2010-2050) en sélectionnant une gamme de scénarios et de modèles climatiques issus d’une mise à l’échelle dynamique. L’analyse de simulation vient en bonne part confirmer les conclusions tirées de la période passée : un impact important sur l’eau verte, avec toujours une baisse de la teneur en eau des sols et une augmentation de l’évapotranspiration potentielle. Les simulations montrent que la teneur en eau des sols pendant la période estivale est telle qu’elle en vient à réduire les flux d’évapotranspiration réelle, mettant en évidence le possible déficit futur des stocks d’eau verte. En outre, si l’analyse des composantes de l’eau bleue montre toujours une diminution significative du stock de neige, les débits semblent cette fois en hausse pendant l’automne et l’hiver. Ces résultats sont un signe de l’«accélération» des composantes d’eau bleue de surface, probablement en relation avec l’augmentation des évènements extrêmes de précipitation. Ce travail a permis de réaliser une analyse des variations de la plupart des composantes du cycle hydrologique à l’échelle d’un bassin versant, confirmant l’importance de prendre en compte toutes ces composantes pour évaluer l’impact des changements climatiques et plus largement des changements environnementaux sur la ressource en eau

Modélisation de l'évolution hydroclimatique des flux et stocks d'eau verte et d'eau bleue du bassin versant de la Garonne

"Thèse en cotutelle, doctorat en génie des eaux: Université Laval Québec, Canada Philosophiae doctor (Ph.D.) et Institut national polytechnique de Toulouse, Toulouse, France, Docteur."La gestion intégrée de la ressource en eau implique de distinguer les parcours de l’eau qui sont accessibles aux sociétés de ceux qui ne le sont pas. Les cheminements de l’eau sont nombreux et fortement variables d’un lieu à l’autre. Il est possible de simplifier cette question en s’attardant plutôt aux deux destinations de l’eau. L’eau bleue forme les réserves et les flux dans l’hydrosystème : cours d’eau, nappes et écoulements souterrains. L’eau verte est le flux invisible de vapeur d’eau qui rejoint l’atmosphère. Elle inclut l’eau consommée par les plantes et l’eau dans les sols. Or, un grand nombre d’études ne portent que sur un seul type d’eau bleue, en ne s’intéressant généralement qu’au devenir des débits ou, plus rarement, à la recharge des nappes. Le portrait global est alors manquant. Dans un même temps, les changements climatiques viennent impacter ce cheminement de l’eau en faisant varier de manière distincte les différents composants de cycle hydrologique. L’étude réalisée ici utilise l’outil de modélisation SWAT afin de réaliser le suivi de toutes les composantes du cycle hydrologique et de quantifier l’impact des changements climatiques sur l’hydrosystème du bassin versant de la Garonne. Une première partie du travail a permis d’affiner la mise en place du modèle pour répondre au mieux à la problématique posée. Un soin particulier a été apporté à l’utilisation de données météorologiques sur grille (SAFRAN) ainsi qu’à la prise en compte de la neige sur les reliefs. Le calage des paramètres du modèle a été testé dans un contexte differential split sampling, en calant puis validant sur des années contrastées en terme climatique afin d’appréhender la robustesse de la simulation dans un contexte de changements climatiques. Cette étape a permis une amélioration substantielle des performances sur la période de calage (2000-2010) ainsi que la mise en évidence de la stabilité du modèle face aux changements climatiques. Par suite, des simulations sur une période d’un siècle (1960-2050) ont été produites puis analysées en deux phases : i) La période passée (1960-2000), basée sur les observations climatiques, a servi de période de validation à long terme du modèle sur la simulation des débits, avec de très bonnes performances. L’analyse des différents composants hydrologiques met en évidence un impact fort sur les flux et stocks d’eau verte, avec une diminution de la teneur en eau des sols et une augmentation importante de l’évapotranspiration. Les composantes de l’eau bleue sont principalement perturbées au niveau du stock de neige et des débits qui présentent tous les deux une baisse substantielle. ii) Des projections hydrologiques ont été réalisées (2010-2050) en sélectionnant une gamme de scénarios et de modèles climatiques issus d’une mise à l’échelle dynamique. L’analyse de simulation vient en bonne part confirmer les conclusions tirées de la période passée : un impact important sur l’eau verte, avec toujours une baisse de la teneur en eau des sols et une augmentation de l’évapotranspiration potentielle. Les simulations montrent que la teneur en eau des sols pendant la période estivale est telle qu’elle en vient à réduire les flux d’évapotranspiration réelle, mettant en évidence le possible déficit futur des stocks d’eau verte. En outre, si l’analyse des composantes de l’eau bleue montre toujours une diminution significative du stock de neige, les débits semblent cette fois en hausse pendant l’automne et l’hiver. Ces résultats sont un signe de l’«accélération» des composantes d’eau bleue de surface, probablement en relation avec l’augmentation des évènements extrêmes de précipitation. Ce travail a permis de réaliser une analyse des variations de la plupart des composantes du cycle hydrologique à l’échelle d’un bassin versant, confirmant l’importance de prendre en compte toutes ces composantes pour évaluer l’impact des changements climatiques et plus largement des changements environnementaux sur la ressource en eau.Integrated water resource management requires distinction between water paths that are directly available for society and those which are not. Water pathways, from precipitation to the oceans or the atmosphere, are highly variable from one place to another. The complexity of water pathways can be simplified by focusing on two main categories of water resources: blue water, which is the stock and flow moving into the hydrosystem that is directly available (e.g. rivers, lakes, aquifers and groundwater flow), and green water, which is the invisible flow of water vapor leaving the hydrosphere to the atmosphere. The latter includes the water used by forests, grasslands, rain fed crops, and the water in soils. However, many hydrological studies focus only on blue water, particularly the discharge or more rarely the ground water recharge, ignoring all green water components, therefore missing the overall picture. At the same time, climate change highlighted in recent years have been found to impact water pathway distributions by affecting different components of the hydrological cycle at the watershed scale. The study presented here exploits the SWAT hydrological model to assess the variation of different components of a hydrosystem facing climate change. The study area is the watershed of the Garonne River, where data is available. The first part of this work focused on refining the implementation of the model in order to better tackle the problem at hand. Particular attention has been paid to the use of gridded weather data (SAFRAN product) as well as to the simulation of snow present in the mountainous portion of the watershed. Calibration of the model parameters was tested through a differential split sampling method, based on calibration and validation using climatically contrasted periods, in order to test the robustness of the model. These steps led to a substantial improvement in the simulations performance over the calibration period (2000-2010) and demonstrated the robustness of the model within a climate change context. The improved SWAT model was next used to produce simulations over a hundred-year period (1960-2050), an analysis carried out in two steps: First, the past period (1960-2000) simulation, based on observed climatic data, was used to validate discharge simulations for which very good performance was obtained. Analysis of the different components of the hydrological cycle showed a strong impact on flows and stocks of green water, with a reduction of the water content in soil and a substantial increase in evapotranspiration. Blue water is mostly impacted in terms of snow stock and discharge flow, which both showed a substantial decrease. Secondly, hydrological projections were performed (2010-2050) based on a selection of climate scenarios and models, submitted to dynamic downscaling. Analysis of these projections partly confirmed the conclusions drawn from the historic period: i.e. a substantial impact on green water, with a decrease of the soil water content and an increase of potential evapotranspiration. The projections also revealed that the soil water content during the summer season is such that it reduces the actual evapotranspiration, highlighting possible future deficits of green water stocks. Furthermore, if the analysis of blue water components always presented a substantial decrease in the snowpack, discharge appears to increase during autumn and winter periods. These results indicate an "acceleration" of blue surface water components which is likely related to an increase in extreme rainfall events. In this study, an analysis of the variation of the main hydrological cycle components have been proposed at a watershed scales, confirming the importance of taking into account all these components to evaluate the climate change impact and more broadly environmental changes on water resources

Challenges in reanalysis products to assess extreme weather impacts on agriculture: Study case in southern Sweden

The incidence of dry or wet day sequences has a great influence on crops management and development. The lack of spatialized observed data with appropriate temporal resolution to investigate the changes that has occurred during the last century regarding the length and frequencies of those sequences has led to reliance on reanalysis products. However, the question can be raised about the suitability of those products when evaluating such climate indices and their impacts on crop production. Different products are here investigated to evaluate how the succession of dry and wet days are depicted in Sweden. Results show that reanalysis product tends to overestimate the number of wet days and wet periods and underestimate dry periods. We also showed clearly that the frequency and intensity of dry and wet spells returned can differ widely between products. For instance, number of dry spell events can range from 1 to 11 over the same decade for two different products. This paper does not aim to classify the RPs regarding their goodness or efficiency but try to highlights the divergence between them in representation of spells which could generate substantial differences in climate impact analysis in agricultural modeling

Hydrological Alteration Index as an Indicator of the Calibration Complexity of Water Quantity and Quality Modeling in the Context of Global Change

Modeling is a useful way to understand human and climate change impacts on the water resources of agricultural watersheds. Calibration and validation methodologies are crucial in forecasting assessments. This study explores the best calibration methodology depending on the level of hydrological alteration due to human-derived stressors. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model is used to evaluate hydrology in South-West Europe in a context of intensive agriculture and water scarcity. The Index of Hydrological Alteration (IHA) is calculated using discharge observation data. A comparison of two SWAT calibration methodologies are done; a conventional calibration (CC) based on recorded in-stream water quality and quantity and an additional calibration (AC) adding crop managements practices. Even if the water quality and quantity trends are similar between CC and AC, water balance, irrigation and crop yields are different. In the context of rainfall decrease, water yield decreases in both CC and AC, while crop productions present opposite trends (+33% in CC and -31% in AC). Hydrological performance between CC and AC is correlated to IHA: When the level of IHA is under 80%, AC methodology is necessary. The combination of both calibrations appears essential to better constrain the model and to forecast the impact of climate change or anthropogenic influences on water resources

Caractérisation des ressources en eau des Pyrénées: present et scénarios à venir. Mémoires scientifiques du projet PIRAGUA, vol. 1.

[FR] Un fichier PDF avec la version pré-imprimée du document; [EN] One PDF files with the pre-print version of the document; [ES] Un archivo PDF con la versión de pre-impresión del documento.[EN] This volume presents part of the results obtained during the international cooperation project PIRAGUA (EFA210/16), co-financed by the Interreg EFA Program (Spain-France-Andorra). Between 2018 and 2021, the PIRAGUA project addressed, through cross-border cooperation, the evaluation of the hydrological cycle and water resources in the Pyrenees, in the present and in the future, in the context of climate change. To do this, the project partners unified and homogenized the existing hydrological information, proposed hydrological indicators, analyzed the trends observed in said indicators, developed simulation models to know in detail the different components of the water balance, and carried out numerical simulations based on projections under different scenarios of greenhouse gas emissions to assess the consequences of climate change on the hydrological cycle and the water resources of the Pyrenees. The objective of this volume is to carry out a characterization of the surface and underground water resources of the Pyrenees, as well as the management and use of said resources (Chapter 1); analyze flow records, aquifer levels, and floods to determine spatial patterns and determine temporal trends observed in recent decades (Chapter 2); apply simulation tools to expand knowledge about the different components of the water balance of the Pyrenees (Chapter 3); and carry out a series of numerical simulation experiments to determine possible changes in the water balance and water resources of the Pyrenees throughout the 21st century, in a context of climate change (Chapter 4).[ES] Este trabajo presenta una parte de los resultados obtenidos durante el proyecto de cooperación internacional PIRAGUA (EFA210/16), co-financiado por el Programa Interreg EFA (España-Francia-Andorra). Entre 2018 y 2021, el proyecto PIRAGUA abordó, mediante la cooperación transfronteriza, la evaluación del ciclo hidrológico y los recursos hídricos en los Pirineos, en el presente y en futuro, en el contexto del cambio climático. Para ello, los socios del proyecto unificaron y homogeneizaron la información hidrológica existente, propusieron indicadores hidrológicos, analizaron las tendencias observadas en dichos indicadores, desarrollaron modelos de simulación para conocer en detalle los distintos componentes del balance hídrico, y realizaron simulaciones numéricas a partir de proyecciones climáticas bajo distintos escenarios de emisiones de gases de efecto invernadero para evaluar las consecuencias del cambio climático sobre el ciclo hidrológico y los recursos hídricos de los Pirineos. El objetivo de este volumen es realizar una caracterización de los recursos hídricos superficiales y subterráneos de los Pirineos, así como de la gestión y uso de dichos recursos (Capítulo 1); analizar los registros de caudal, niveles de acuíferos e inundaciones para determinar patrones espaciales y determinar las tendencias temporales observadas en las últimas décadas (Capítulo 2); aplicar herramientas de simulación para ampliar el conocimiento sobre los distintos componentes del balance hídrico de los Pirineos (Capítulo 3); y realizar una serie de experimentos de simulación numérica para determinar los posibles cambios del balance hídrico y los recursos hídricos de los Pirineos a lo largo del siglo XXI, en un contexto de cambio climático (Capítulo 4).[FR] Ce travail présente une partie des résultats d'un projet de coopération internationale du Programme Interreg EFA (Espagne-France-Andorre). Entre 2018 et 2021, le projet PIRAGUA (EFA210/16) a abordé, par le biais de la coopération transfrontalière, l'évaluation du cycle hydrologique et des ressources hydriques dans les Pyrénées, pour le présent et l'avenir, dans le contexte du changement climatique. Pour cela, les partenaires du projet ont unifié et homogénéisé les informations hydrologiques existantes, proposé des indicateurs hydrologiques, analysé les tendances observées pour ces indicateurs, développé des modèles de simulation pour connaître les détails du bilan hydrique et réalisé des expériences de simulation numérique, afin d'évaluer les conséquences de scénarios de changement climatique sur le cycle hydrologique et les ressources hydriques des Pyrénées. L'objectif de ce volume est de réaliser une caractérisation des ressources hydriques de surface et souterraines des Pyrénées, de la gestion et de l'emploi des ressources (Chapitre 1) ; analyser les registres de débit, le niveau des aquifères et les inondations afin de déterminer des schémas spatiaux ainsi que les tendances temporelles observées ces dernières décennies (Chapitre 2) ; appliquer des outils de simulation pour réaliser un diagnostic des différents éléments du bilan hydrique des Pyrénées (Chapitre 3); réaliser une série d'expériences de simulation pour déterminer les éventuels changements du bilan hydrique et des ressources hydriques des Pyrénées tout au long du XXIᵉ siècle, dans un contexte de changement climatique (Chapitre 4).This report was developed within the project EFA210/16 PIRAGUA (“Evaluación y prospectiva de los recursos hídricos de los Pirineos en un contexto de cambio climático, y medidas de adaptación con impacto en el territorio / Evaluation et prospective des ressources en eau des Pyrénées dans un contexte de changement climatique, et mesures d’adaptation avec un impact sur le territoire”), co-funded by the European Regional Development Fund (ERDF) through the Interreg V-A Spain France Andorra program (POCTEFA 2014-2020) (65%) and the project’s partners: CSIC, UPV/EHU, UB, OE, IGME, CNRS, BRGM, INRAE and OBSA (35%).Peer reviewe

Caracterización de los recursos hídricos de los Pirineos en la actualidad, y escenarios futuros [Informe]. Memorias científicas del proyecto PIRAGUA, vol. 1.

[ES] Un archivo PDF con la versión de pre-impresión del documento; [FR] Un fichier PDF avec la version pré-imprimée du document; [EN] One PDF files with the pre-print version of the document.[EN] This volume presents part of the results obtained during the international cooperation project PIRAGUA (EFA210/16), co-financed by the Interreg EFA Program (Spain-France-Andorra). Between 2018 and 2021, the PIRAGUA project addressed, through cross-border cooperation, the evaluation of the hydrological cycle and water resources in the Pyrenees, in the present and in the future, in the context of climate change. To do this, the project partners unified and homogenized the existing hydrological information, proposed hydrological indicators, analyzed the trends observed in said indicators, developed simulation models to know in detail the different components of the water balance, and carried out numerical simulations based on projections under different scenarios of greenhouse gas emissions to assess the consequences of climate change on the hydrological cycle and the water resources of the Pyrenees. The objective of this volume is to carry out a characterization of the surface and underground water resources of the Pyrenees, as well as the management and use of said resources (Chapter 1); analyze flow records, aquifer levels, and floods to determine spatial patterns and determine temporal trends observed in recent decades (Chapter 2); apply simulation tools to expand knowledge about the different components of the water balance of the Pyrenees (Chapter 3); and carry out a series of numerical simulation experiments to determine possible changes in the water balance and water resources of the Pyrenees throughout the 21st century, in a context of climate change (Chapter 4).[ES] Este trabajo presenta una parte de los resultados obtenidos durante el proyecto de cooperación internacional PIRAGUA (EFA210/16), co-financiado por el Programa Interreg EFA (España-Francia-Andorra). Entre 2018 y 2021, el proyecto PIRAGUA abordó, mediante la cooperación transfronteriza, la evaluación del ciclo hidrológico y los recursos hídricos en los Pirineos, en el presente y en futuro, en el contexto del cambio climático. Para ello, los socios del proyecto unificaron y homogeneizaron la información hidrológica existente, propusieron indicadores hidrológicos, analizaron las tendencias observadas en dichos indicadores, desarrollaron modelos de simulación para conocer en detalle los distintos componentes del balance hídrico, y realizaron simulaciones numéricas a partir de proyecciones climáticas bajo distintos escenarios de emisiones de gases de efecto invernadero para evaluar las consecuencias del cambio climático sobre el ciclo hidrológico y los recursos hídricos de los Pirineos. El objetivo de este volumen es realizar una caracterización de los recursos hídricos superficiales y subterráneos de los Pirineos, así como de la gestión y uso de dichos recursos (Capítulo 1); analizar los registros de caudal, niveles de acuíferos e inundaciones para determinar patrones espaciales y determinar las tendencias temporales observadas en las últimas décadas (Capítulo 2); aplicar herramientas de simulación para ampliar el conocimiento sobre los distintos componentes del balance hídrico de los Pirineos (Capítulo 3); y realizar una serie de experimentos de simulación numérica para determinar los posibles cambios del balance hídrico y los recursos hídricos de los Pirineos a lo largo del siglo XXI, en un contexto de cambio climático (Capítulo 4).[FR] Ce travail présente une partie des résultats d'un projet de coopération internationale du Programme Interreg EFA (Espagne-France-Andorre). Entre 2018 et 2021, le projet PIRAGUA (EFA210/16) a abordé, par le biais de la coopération transfrontalière, l'évaluation du cycle hydrologique et des ressources hydriques dans les Pyrénées, pour le présent et l'avenir, dans le contexte du changement climatique. Pour cela, les partenaires du projet ont unifié et homogénéisé les informations hydrologiques existantes, proposé des indicateurs hydrologiques, analysé les tendances observées pour ces indicateurs, développé des modèles de simulation pour connaître les détails du bilan hydrique et réalisé des expériences de simulation numérique, afin d'évaluer les conséquences de scénarios de changement climatique sur le cycle hydrologique et les ressources hydriques des Pyrénées. L'objectif de ce volume est de réaliser une caractérisation des ressources hydriques de surface et souterraines des Pyrénées, de la gestion et de l'emploi des ressources (Chapitre 1) ; analyser les registres de débit, le niveau des aquifères et les inondations afin de déterminer des schémas spatiaux ainsi que les tendances temporelles observées ces dernières décennies (Chapitre 2) ; appliquer des outils de simulation pour réaliser un diagnostic des différents éléments du bilan hydrique des Pyrénées (Chapitre 3); réaliser une série d'expériences de simulation pour déterminer les éventuels changements du bilan hydrique et des ressources hydriques des Pyrénées tout au long du XXIᵉ siècle, dans un contexte de changement climatique (Chapitre 4).This report was developed within the project EFA210/16 PIRAGUA (“Evaluación y prospectiva de los recursos hídricos de los Pirineos en un contexto de cambio climático, y medidas de adaptación con impacto en el territorio / Evaluation et prospective des ressources en eau des Pyrénées dans un contexte de changement climatique, et mesures d’adaptation avec un impact sur le territoire”), co-funded by the European Regional Development Fund (ERDF) through the Interreg V-A Spain France Andorra program (POCTEFA 2014-2020) (65%) and the project’s partners: CSIC, UPV/EHU, UB, OE, IGME, CNRS, BRGM, INRAE and OBSA (35%).N

Modelling the hydroclimatic evolution of flow and stocks of green and blue water over the Garonne river watershed

La gestion intégrée de la ressource en eau implique de distinguer les parcours de l’eau qui sont accessibles aux sociétés de ceux qui ne le sont pas. Les cheminements de l’eau sont nombreux et fortement variables d’un lieu à l’autre. Il est possible de simplifier cette question en s’attardant plutôt aux deux destinations de l’eau. L’eau bleue forme les réserves et les flux dans l’hydrosystème : cours d’eau, nappes et écoulements souterrains. L’eau verte est le flux invisible de vapeur d’eau qui rejoint l’atmosphère. Elle inclut l’eau consommée par les plantes et l’eau dans les sols. Or, un grand nombre d’études ne portent que sur un seul type d’eau bleue, en ne s’intéressant généralement qu’au devenir des débits ou, plus rarement, à la recharge des nappes. Le portrait global est alors manquant. Dans un même temps, les changements climatiques viennent impacter ce cheminement de l’eau en faisant varier de manière distincte les différents composants de cycle hydrologique. L’étude réalisée ici utilise l’outil de modélisation SWAT afin de réaliser le suivi de toutes les composantes du cycle hydrologique et de quantifier l’impact des changements climatiques sur l’hydrosystème du bassin versant de la Garonne. Une première partie du travail a permis d’affiner la mise en place du modèle pour répondre au mieux à la problématique posée. Un soin particulier a été apporté à l’utilisation de données météorologiques sur grille (SAFRAN) ainsi qu’à la prise en compte de la neige sur les reliefs. Le calage des paramètres du modèle a été testé dans un contexte differential split sampling, en calant puis validant sur des années contrastées en terme climatique afin d’appréhender la robustesse de la simulation dans un contexte de changements climatiques. Cette étape a permis une amélioration substantielle des performances sur la période de calage (2000-2010) ainsi que la mise en évidence de la stabilité du modèle face aux changements climatiques. Par suite, des simulations sur une période d’un siècle (1960-2050) ont été produites puis analysées en deux phases : i) La période passée (1960-2000), basée sur les observations climatiques, a servi de période de validation à long terme du modèle sur la simulation des débits, avec de très bonnes performances. L’analyse des différents composants hydrologiques met en évidence un impact fort sur les flux et stocks d’eau verte, avec une diminution de la teneur en eau des sols et une augmentation importante de l’évapotranspiration. Les composantes de l’eau bleue sont principalement perturbées au niveau du stock de neige et des débits qui présentent tous les deux une baisse substantielle. ii) Des projections hydrologiques ont été réalisées (2010-2050) en sélectionnant une gamme de scénarios et de modèles climatiques issus d’une mise à l’échelle dynamique. L’analyse de simulation vient en bonne part confirmer les conclusions tirées de la période passée : un impact important sur l’eau verte, avec toujours une baisse de la teneur en eau des sols et une augmentation de l’évapotranspiration potentielle. Les simulations montrent que la teneur en eau des sols pendant la période estivale est telle qu’elle en vient à réduire les flux d’évapotranspiration réelle, mettant en évidence le possible déficit futur des stocks d’eau verte. En outre, si l’analyse des composantes de l’eau bleue montre toujours une diminution significative du stock de neige, les débits semblent cette fois en hausse pendant l’automne et l’hiver. Ces résultats sont un signe de l’«accélération» des composantes d’eau bleue de surface, probablement en relation avec l’augmentation des évènements extrêmes de précipitation. Ce travail a permis de réaliser une analyse des variations de la plupart des composantes du cycle hydrologique à l’échelle d’un bassin versant, confirmant l’importance de prendre en compte toutes ces composantes pour évaluer l’impact des changements climatiques et plus largement des changements environnementaux sur la ressource en eau.Integrated water resource management requires distinction between water paths that are directly available for society and those which are not. Water pathways, from precipitation to the oceans or the atmosphere, are highly variable from one place to another. The complexity of water pathways can be simplified by focusing on two main categories of water resources: blue water, which is the stock and flow moving into the hydrosystem that is directly available (e.g. rivers, lakes, aquifers and groundwater flow), and green water, which is the invisible flow of water vapor leaving the hydrosphere to the atmosphere. The latter includes the water used by forests, grasslands, rain fed crops, and the water in soils. However, many hydrological studies focus only on blue water, particularly the discharge or more rarely the ground water recharge, ignoring all green water components, therefore missing the overall picture. At the same time, climate change highlighted in recent years have been found to impact water pathway distributions by affecting different components of the hydrological cycle at the watershed scale. The study presented here exploits the SWAT hydrological model to assess the variation of different components of a hydrosystem facing climate change. The study area is the watershed of the Garonne River, where data is available. The first part of this work focused on refining the implementation of the model in order to better tackle the problem at hand. Particular attention has been paid to the use of gridded weather data (SAFRAN product) as well as to the simulation of snow present in the mountainous portion of the watershed. Calibration of the model parameters was tested through a differential split sampling method, based on calibration and validation using climatically contrasted periods, in order to test the robustness of the model. These steps led to a substantial improvement in the simulations performance over the calibration period (2000-2010) and demonstrated the robustness of the model within a climate change context. The improved SWAT model was next used to produce simulations over a hundred-year period (1960-2050), an analysis carried out in two steps: First, the past period (1960-2000) simulation, based on observed climatic data, was used to validate discharge simulations for which very good performance was obtained. Analysis of the different components of the hydrological cycle showed a strong impact on flows and stocks of green water, with a reduction of the water content in soil and a substantial increase in evapotranspiration. Blue water is mostly impacted in terms of snow stock and discharge flow, which both showed a substantial decrease. Secondly, hydrological projections were performed (2010-2050) based on a selection of climate scenarios and models, submitted to dynamic downscaling. Analysis of these projections partly confirmed the conclusions drawn from the historic period: i.e. a substantial impact on green water, with a decrease of the soil water content and an increase of potential evapotranspiration. The projections also revealed that the soil water content during the summer season is such that it reduces the actual evapotranspiration, highlighting possible future deficits of green water stocks. Furthermore, if the analysis of blue water components always presented a substantial decrease in the snowpack, discharge appears to increase during autumn and winter periods. These results indicate an "acceleration" of blue surface water components which is likely related to an increase in extreme rainfall events. In this study, an analysis of the variation of the main hydrological cycle components have been proposed at a watershed scales, confirming the importance of taking into account all these components to evaluate the climate change impact and more broadly environmental changes on water resources

Testing the SWAT Model with Gridded Weather Data of Different Spatial Resolutions

This study explored the influence of the spatial resolution of a gridded weather dataset when inputted in the soil and water assessment tool (SWAT) over the Garonne River watershed. Several datasets are compared: ground-based weather stations, the 8-km SAFRAN product (Système d’Analyse Fournissant des Renseignements Adaptés à la Nivologie), the 0.5° CFSR product (Climate Forecasting System Reanalysis) and several derived SAFRAN grids upscaled to 16, 32, 64 and 128 km. The SWAT model, calibrated on weather stations, was successively run with each gridded weather dataset. Performances with SAFRAN up to 64 or 128 km were poor, due to a contraction of the spatial variance of daily precipitation. Performances with 8-km SAFRAN are similar to that of the aggregated 16- and 32-km SAFRAN grids. The ~30-km CFSR product was found to perform well at some sites, while in others, its performance was considerably inferior because of grid points where precipitation was overestimated. The same problem was found in the calibration, where data at some weather stations did not appear to be representative of the subwatershed in which they are used to compute hydrology. These results suggest that the difference in the representation of the climate was more influential than its spatial resolution, an analysis that was confirmed by similar performances obtained with the SWAT model calibrated on the 16- and 32-km SAFRAN grids. However, the better performances obtained from these two weather datasets than from the ground-based stations’ dataset confirmed the advantage of using the SAFRAN product in SWAT modelling

Impact of climate change on Swedish agriculture: Growing season rain deficit and irrigation need

Over 90% of Swedish agriculture is rainfed, and thus future climate change can pose a risk to agricultural production in coming decades. An overall increase in annual precipitation is predicted for northern Europe, but Sweden could still face an increasing need for irrigation, as shown by the drought summer of 2018. Adaptation of Swedish agriculture to include irrigated agriculture should thus be considered. To evaluate the theoretical need for irrigation, calculations were performed for different locations in Sweden, and for different soil-crop pairs at each location. In-situ weather data from a projected climate dataset created by the Swedish Meteorological and Hydrological Institute were used to evaluate changes in irrigation need over the period 1981–2050. The results showed an increasing need for irrigation of cereal crops during the early season (May–June), for two main reasons: i) A shift to an earlier start of the cropping period, leading to an earlier need for irrigation; and ii) a higher probability of dry spring weather, substantially increasing the irrigation requirement in dry years. Crops for which the growing season starts later (e.g., potatoes) showed an increasing need for irrigation during July. Crop development stages were predicted to occur earlier, leading to earlier harvesting, reducing the irrigation requirement in August. However, the calculation approach developed for this study may have underestimated the need for irrigation, which could be higher than reported here

Coevolution of Hydrological Cycle Components under Climate Change: The Case of the Garonne River in France

International audienceClimate change is suspected to impact water circulation within the hydrological cycle at catchment scale. A SWAT model approach to assess the evolution of the many hydrological components of the Garonne catchment (Southern France) is deployed in this study. Performance over the calibration period (2000-2010) are satisfactory, with Nash-Sutcliffe ranging from 0.55 to 0.94 or R 2 from 0.86 to 0.98. Similar performance values are obtained in validation (1962-2000). Water cycle is first analyzed based on past observed climatic data (1962-2010) to understand its variations and geographical spread. Comparison is then conducted against the different trends obtained from a climate ensemble over 2010-2050. Results show a strong impact on green water, such as a reduction of the soil water content (SWC) and a substantial increase in evapotranspiration (ET) in winter. In summer, however, some part of the watershed faces lower ET fluxes because of a lack of SWC to answer the evapotranspiratory demand, highlighting possible future deficits of green water stocks. Blue water fluxes are found significantly decreasing during summer, when in winter, discharge in the higher part of the watershed is found increasing because of a lower snow stock associated to an increase of liquid precipitation, benefiting surface runoff