Développement d'une modélisation hydrologique incluant la représentation des aquifères : évaluation sur la France et à l'échelle globale

Abstract

L'impact des eaux souterraines sur le bilan d'eau en surface et sur le climat a récemment fait l'objet de plusieurs études. Dans cette thèse, un schéma d'aquifère simplifiée à été développé dans le système hydrologique continental ISBA-TRIP utilisé au CNRM et évalué sur la France et à l'échelle globale. D'abord implémenté dans le modèle de routage TRIP, ce schéma a permis d'améliorer la comparaison entre les débits simulés et observés. La bonne comparaison des stocks d'eau simulées avec les estimations du satellite GRACE a en outre confirmé la cohérence des nappes d'eau simulées. Le principal effet des aquifères est d'introduire un temps de résidence qui décale et lisse les variables hydrologiques simulées. L'introduction des remontées capillaires de la nappe vers le sol d'ISBA a nécessité l'utilisation de la version explicite et multi-couche du schéma de sol d'ISBA. Son évaluation sur la France et à l'échelle globale a démontré l'intérêt d'une représentation plus physique des processus hydrologiques du sol en améliorant significativement les débits et stocks d'eau simulés. Le principal effet des remontées capillaires est d'augmenter l'évapotranspiration en période sèche. Cette évaluation révèle cependant un manque de dynamisme tendant à sous-estimer les débits moyens annuels et à augmenter la sensibilité d'ISBA à la résolution. Il reste en outre de nombreuses incertitudes. Certaines paramétrisations sont discutables et nécessiteraient sans doute d'être améliorées ou corrigées. L'objectif ultime de ces travaux sera l'introduction du système complet ISBA-TRIP dans le modèle de climat du CNRM afin d'évaluer l'impact des aquifères sur la simulation du climat récent et futur. ABSTRACT : The impact of groundwater on surface water budget and climate has recently received increasing attention. In this thesis, a simple groundwater scheme is developed in the continental hydrological system ISBA-TRIP used at Météo France, and evaluated over France and at global scale. This scheme has been first introduced in the TRIP river routing model. It improves the comparison between observed and simulated river discharges. The good comparison between simulated terrestrial water storage and estimates of the GRACE satellite mission confirms the coherence of the simulated water table heads. The main effect of groundwater is to introduce a time lag which shifts and smooths the simulated hydrological variables. The introduction of the capillary rises from the water table to the soil requires the use of the explicit multi-layer scheme soil of ISBA. His evaluation over France demonstrates the relevance of a more physically-based representation of the soil hydrological processes by improving the simulated river discharges and terrestrial water storages. The main effect of capillary rises is to increase the evapotranspiration during dry periods. However, this evaluation point out a lack of dynamism which leads to underestimate the mean annual river discharges and to increase the sensitivity to the resolution. Moreover, numerous uncertainties still remain. Some parameterizations are questionable and would require to be improved. The ultimate objective will be to introduce the fully-coupled ISBA-TRIP system into the CNRM global climate model in order to assess the relevance of groundwater processes for the simulation of both recent and future climates