Transformation des précipitations par le bassin de la Seine
Résumé
Dans un contexte de pression croissante sur l’environnement, les milieux aquatiques et la ressource en eau (changement d’occupation des sols, urbanisation, prélèvements), la connaissance des facteurs de contrôle des variations à long terme des niveaux des eaux souterraines et des débits en rivière est cruciale, tout particulièrement afin d’anticiper les effets du changement climatique. Il a été récemment montré que des tendances et oscillations de basse fréquence dans les niveaux de nappe et débits de rivières dans le bassin de Paris trouvent en grande partie leur origine dans les fluctuations climatiques à grande échelle (Dieppois et al., 2013, 2016; Flipo et al., 2012; Massei et al., 2010; Massei and Fournier, 2012; Massei et al., 2017; Slimani et al., 2009). Les variations, interannuelles jusqu’à pluridécennales de la circulation atmosphérique, voire océanique, au travers du couplage océan-atmosphère, induisent une variabilité basse fréquence dans les précipitations et les températures, et par là-même impriment, aux mêmes échelles temporelles, une variabilité dans les niveaux de nappe et les débits des rivières. De telles variabilités peuvent se mélanger aux tendances à long terme et masquer, accentuer ou atténuer les tendances liées aux forçages anthropiques sur les hydrosystèmes. Il importe donc de définir précisément l’expression des variabilités climatiques dans les variables hydrologiques. Dans cet objectif, le problème majeur réside dans la compréhension des facteurs physiques des systèmes hydrologiques influençant la déformation des variabilités climatiques induisant différents types de réponses (différentes variations infra-annuelles, annuelles, pluri-annuelles, etc.) dans la variation des niveaux d’eau à l’échelle de grands aquifères régionaux. L’objectif de ce projet est de définir les propriétés physiques des hydrosystèmes à l’origine de l’expression, plus ou moins marquée, des différentes variabilités climatiques telles qu’elles sont retranscrites dans les niveaux de nappe et dans le débit des rivières dans le bassin de la Seine (76 250 km2) afin (i) d’affiner la calibration du modèle à sept couches incluant les plaines alluviales sur l’ensemble de l’extension de l’auréole de craie du crétacé supérieur et des formations tertiaires, et (ii) de définir un panel de réponses possibles du bassin aux modifications des champs de précipitations dues au changement climatique.
Afin de caractériser la manière dont un hydrosystème filtre les signaux climatiques, et plus particulièrement les précipitations, nous avons développé le modèle HYMIT (HYdrological MInimalist Transfer function), permettant de relier l’expression de la variabilité climatique multi-fréquences dans les niveaux de nappe et dans les débits en rivière aux propriétés hydrauliques et hydrogéologiques des hydrosystèmes par le biais d’une analyse dans le domaine fréquentiel (Schuite et al., 2019). Le présent rapport décrit tout d’abord cette nouvelle méthodologie et illustre son potentiel sur la base d’un cas test permettant de démontrer que la méthode capture bien les propriétés d’un hydrosystème tel que simulé par le modèle CaWaQS (Flipo, 2005; Flipo et al., 2005, 2020; Labarthe, 2016; Baratelli et al., 2018). Une fois ce constat établi, CaWaQS est mobilisé pour estimer la pluie efficace spatialisée à l’échelle du bassin de la Seine par un ajustement à l’aide d’une approche MCMC (Markov Chain Monte Carlo). Cela permet d’illustrer la puissance de HYMIT pour analyser la réponse de quelques chroniques de débit et de piézométrie bien spécifiques. Une troisième partie revient sur la spatialisation de certaines propriétés de l’hydrosystème Seine basée sur l’approche développée, appliquée aux débits naturalisés et aux relevés piézométriques, et révèle la cohérence ces propriétés avec des données morphologiques et des analyses géomatiques. Elle met en lumière l’évolution de l’effet de filtration des précipitations par les bassins versants se succédant d’amont en aval à l’échelle du bassin de la Seine. Finalement, une méthodologie de recalibration du modèle du bassin de la Seine est esquissée ainsi que l’état actuel de reproduction des signaux hydrologiques à l’échelle du bassin de la Seine qui est focalisée sur l’ajustement du fractionnement entre écoulements rapides de surface et écoulements lents dans le domaine souterrain. Le réajustement des propriétés des compartiments souterrains sera mené après la remise de ce rapport, mais dans les meilleurs délais, afin de permettre au partenaire Université de Rouen de mener à bien la partie de l’étude permettant d’étudier la sensisbilité de la réponse du bassin à des modifications possibles des champs de pluie issus de ré-analyses historiques, notamment celles réalisées par Rémy Bonnet dans ses travaux de thèse (Bonnet, 2018).