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Le 30 septembre 2022

Soutenance de thèse de Deniz KILIC

Modélisation des flux d'eau et d'énergie dans le bassin de la Seine

Résumé de la thèse en français

La gestion des ressources en eau et de l'environnement constitue un défi dans le contexte du changement climatique. Parmi ces questions, il faut se pencher sur l'allocation adéquate des ressources en eau pour les différents besoins socio-écologiques tels que l'approvisionnement en eau potable, l'irrigation et la régulation des refuges thermiques pour les communautés aquatiques. l'approvisionnement en eau potable, l'irrigation et la régulation des refuges thermiques pour les communautés aquatiques. Des outils de gestion intégrée de l'eau sont généralement mis en place à cet effet, qui offrent une approche holistique conciliant les facteurs interdépendants ayant un impact sur la quantité et la qualité des ressources en eau, tels que le climat, les processus paysagers et les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines à l'échelle régionale. Jusqu'à aujourd'hui, ces modèles intégrés sont axés sur l'eau uniquement, bien que le changement climatique comporte un aspect thermique essentiel. Il est communément admis que le changement climatique et les besoins croissants en eau affectent la gestion durable à long terme des ressources en eau. Par conséquent, la réalisation de simulations précises de la dynamique du cycle de l'eau et du bilan énergétique à l'échelle régionale est devenue un problème et reste un défi. Cette thèse vise à développer un modèle couplé qui simule les flux d'eau et d'énergie dans un hydrosystème régional, le bassin de la Seine (78 650 km²), qui recouvre l'un des principaux systèmes aquifères d'Europe, le bassin sédimentaire de Paris. Coupler l'hydrologie avec le transport d'énergie à l'échelle régionale peut permettre aux aux scientifiques et aux décideurs politiques de comprendre les processus, de tester différents scénarios de gestion et d'identifier les zones d'intérêt sous les contraintes du changement climatique. L'outil couple le modèle de transfert sol-végétation-atmosphère (SVAT) ORCHIDEE et le modèle hydrologique-hydrogéologique CaWaQS, qui décrit les flux d'eau, sur la base du schéma publié par de Marsily et al. (1978). Une bibliothèque de transport originale basée sur la résolution de l'équation de transport de diffusion/advection a été développée afin de simuler le transfert de chaleur dans les réseaux de rivières 1D et les systèmes aquifères pseudo-3D. En outre, une solution analytique est utilisée pour simuler le transport de chaleur à travers les aquitards et les lits des cours d'eau. Les flux d'eau de surface et d'énergie simulés par ORCHIDEE sont fractionnés en ruissellement de surface rapide et en infiltration lente. Les flux d'eau de surface et d'énergie simulés par ORCHIDEE sont fractionnés en ruissellement de surface rapide et en infiltration lente, puis utilisés comme forçages CaWaQS pour calculer les débits des rivières, les hauteurs hydrauliques et les dynamiques de température dans l'espace et le temps dans chacun des compartiments de l'hydrosystème. La calibration du modèle couplé a inclus la régionalisation du modèle SVAT ORCHIDEE, la sélection de cartes de texture du sol provenant de diverses sources et la modification des paramètres d'hydrologie, de végétation et d'albédo du sol. Pour régionaliser le modèle ORCHIDEE, un forçage météorologique à haute résolution, des cartes de texture du sol, une carte de distribution de la végétation et une carte des pentes ont été développés à l'échelle du bassin de la Seine. Les cartes de texture du sol provenant de 4 flux de données ; l'allocation prescrite et dynamique de l'indice de surface foliaire (LAI) ont été évaluées. La conductivité hydraulique du sol saturé, le LAI maximum et minimum, et les paramètres d'albédo ont été contraints pour améliorer le bilan hydrique de surface. Le bilan hydrique de surface a été évalué en estimant le biais sur le débit moyen pluriannuel dans les principaux sous-bassins versants du bassin de la Seine. sous-bassins versants du bassin de la Seine. Ensuite, les flux du modèle de surface calibré ont été utilisés pour forcer les compartiments eaux souterraines et rivière du CaWaQS de l'hydrosystème. Une fois validé, l'outil permet d'établir un premier bilan couplé eau et énergie sur une période pluriannuelle à l'échelle du bassin de la Seine. Il met en évidence la contribution principale des eaux souterraines au débit de la Seine à son exutoire, représentant 2/3 des 517 m3.s-1 observés à Poses sur la période 2001-2018. Pour la même période, l'apport énergétique des eaux souterraines représente 571,3 GWh, soit une contribution significative des apports énergétiques vers le réseau hydrographique. Le principal apport d'énergie au réseau fluvial provient du rayonnement de courtes ondes (968,2 GWh). Si l'on tient compte des pertes à l'interface air-eau, qui comprennent la chaleur latente, l'apport net d'énergie à la rivière par sa surface libre est de 101,3 GWh. Par conséquent, le principal apport net d'énergie au réseau fluvial provient du système aquifère. Pour détailler les spécificités temporelles du bilan énergétique, des bilans énergétiques saisonniers sont également établis à l'échelle du bassin de la Seine. Enfin, l'avenir du bassin est étudié par le biais d'un forçage du modèle avec les projections CMIP5 du modèle MIROC qui a été précédemment identifié comme significatif pour prospecter la trajectoire hydrologique du bassin de la Seine (Flipo et al., 2020). Les budgets d'eau et d'énergie à l'échelle du bassin de la Seine sont comparés avec une réanalyse de référence de MIROC sur 2040-2060 et 2080-2100, mettant en évidence les enjeux du bassin dans une perspective de moyen/long terme.

Résumé de la thèse en anglais

Water resources and environmental management are challenging under climate change. Among those questions, one has to address a proper allocation of water resources for various socio-ecological needs such as drinking water supply, irrigation, and regulation of thermal refugia for aquatic communities. Integrated water management tools are usually established for this purpose, which offers a holistic approach that reconciles interrelated factors that impact the quantity and quality of water resources, such as climate, landscape processes, and surface water and groundwater interactions at the regional scale. Until today such integrated models are focused on water only, although climate change has a critical heat aspect. It is well accepted that climate change and growing water needs affect long-term sustainable water resources management. Therefore, performing accurate simulations of the water cycle and energy balance dynamics at the regional scale became an issue and remains challenging. This PhD aims at developing a coupled model that simulates water and energy fluxes within a regional hydrosystem, the Seine River basin (78,650 km²), which overlays one of the main aquifer systems of Europe, the Paris sedimentary basin. Coupling hydrology with energy transport at the regional scale can enable scientists and policymakers to understand the processes, test different management scenarios and identify zones of interest under the stresses of climate change. The tool couples the Soil Vegetation Atmosphere Transfer (SVAT) model ORCHIDEE and the process-based hydrological–hydrogeological model CaWaQS, which describes water fluxes, 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 are fractionated into fast surface runoff and slow infiltration and then used as CaWaQS forcings to compute river discharges, hydraulic heads and temperature dynamics through space and time within each of the hydrosystem compartments. The calibration of the coupled model included the regionalization of the SVAT model ORCHIDEE, selection of soil texture maps from various sources and modifications of soil hydrology, vegetation and albedo parameters. To regionalize the ORCHIDEE model, a high-resolution meteorological forcing, soil texture maps, a vegetation distribution map, and a slope map were developed at the Seine basin scale. Soil texture maps from 4 data streams; prescribed and dynamic leaf area index (LAI) allocation were evaluated. Saturated soil hydraulic conductivity, maximum and minimum LAI, and albedo parameters were constrained to improve the surface water balance. The surface water balance was assessed by estimating the bias on pluri-annual mean discharge at the main sub-catchments of the Seine basin. After that, fluxes from the calibrated surface model were used to force the CaWaQS groundwater and river compartments of the hydrosystem. Once validated, the tool allows us to establish a first coupled water and energy budget over a pluri-annual period at the scale of the Seine basin. It emphasizes the main contribution of groundwater to the Seine River discharge at its outlet, representing 2/3 of the 517 m3.s−1 observed at Poses over the 2001-2018 period. For the same period, energy input from groundwater represents 571.3 GWh, a significant contribution of energy inputs toward the river network. The primary energy input to the river network comes from short wave radiation (968.2 GWh). When balance by losses at the air-water interface that includes latent heat, the net energy input to the river through its free surface is (101.3 GWh). Therefore, the main net energy input to the river network originates from the aquifer system. To detail temporal specificities of the energy balance, seasonal energy budgets are also established at the Seine basin scale. Finally, the future of the basin is investigated through a forcing of the model with CMIP5 projections from the MIROC model that was previously identified as meaningful to prospect the hydrological trajectory of the Seine basin (Flipo et al., 2020). Water and energy budgets at the Seine basin scale are compared with a reference reanalysis of MIROC over 2040-2060 and 2080-2100, highlighting what is at stake in the basin from a mid/long term perspective.

Date de soutenance : vendredi 30 septembre 2022 à 13h30
Adresse de soutenance : Mines ParisTech 60 Bd Saint-Michel, 75006 Paris - à venir
Directeur de thèse : Nicolas FLIPO
Codirecteur : Agnès RIVIERE
Co-encadrant : Patrick GOBLET