Développement d'une modélisation hydrologique incluant la représentation des aquifères : évaluation sur la France et à l'échelle globale - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Development of an hydrological modeling including groundwater: evaluation over France and at global scale

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

Résumé

Continental hydrological processes play an important role in the global climate system. They influence exchanges of water and energy between land surface and atmosphere. Recently, several studies emphasized the need to account for groundwater in the land surface models used in climate models. The main objective of this thesis is to develop and evaluate a global hydrological modeling including groundwater in the ISBA-TRIP continental hydrological system of the CNRM. In this thesis, a simple groundwater scheme is introduced into the global TRIP river routing model. This original scheme is first test without coupling with the ISBA land surface model over France at high and low resolutions. Resultats are compared to a dense network of in-situ observations and to the fine-tuned SIM hydrometeorological model. In addition, the simu- lated Terrestrial Water Storage (TWS) variations are compared to the TWS estimates from the GRACE satellite mission. Results show that the groundwater scheme allows TRIP to better capture the spatio-temporal variability of the observations. Summer base flows are particularly improved over the main rivers of France. Decreasing the horizontal resolution has a limited impact on the simulated discharges, while it slightly degrades the simulation of water table variations. A similar methodology is used to evaluate the simple groundwater scheme implemented in TRIP at global scale using a 0.5° model resolution. The simulated river discharges are eval- uated against a large dataset of gauging stations compiled from the GRDC institution and other sources. The simulated TWS are compared to the GRACE estimates. Results show that groundwater improves the simulated river discharges for about 70 % of the gauging sta- tions and deteriorates them for 15 %. The simulated TWS are also in better agreement with the GRACE estimates. These results are mainly explained by the lag introduced by the low- frequency variations of groundwater. This lag tends to shift and smooth the simulated river discharges and TWS. A sensitivity study on the global precipitation forcing used in ISBA shows that the groundwater scheme is not influenced by the uncertainties in precipitation data. The last step of development consists in introducing the coupling between the TRIP ground- water scheme and ISBA in order to take into account the capillary rises from the water table to the soil. This coupling require to use the multi-layer version of ISBA. The evaluation of this more physically version of ISBA over France and at global scale shows changes in the surface water budget and significant improvements of the simulated river discharges. It also highlights a lack of dynamic in the soil scheme, which leads to the underestimation of the simulated annual mean discharges, and higher sensitivity to the resolution. The main effect of capillary rises is to increase evapotranspiration during dry periods. Uncertainties remain in the fully coupled ISBA-TRIP system. Some hypothesis in the cou- pling parameterization are questionable and will need to be investigate. Moreover, the ground- water scheme questions parts of the parameterizations introduced in TRIP. Despite these un- certainties, the positive impacts found on the simulated hydrological variables suggest that the groundwater scheme is robust and suitable for global hydrological and climate appications, which is confirmed by the first global applications of the fully coupled ISBA-TRIP system, even though some aspects need to be improved. The ultimate objective will be to introduce the ISBA-TRIP system with aquifers into the CNRM global climate model in order to assess the relevance of groundwater processes for the simulation of both recent and future climates.
Les processus hydrologiques continentaux jouent un rôle essentiel dans le système climatique global en influençant les échanges d'eau et d'énergie entre les surfaces continentales et l'atmosphère. Récemment, plusieurs études ont souligné la nécessité de prendre en compte les eaux souterraines dans les modèles de surface continentaux utilisés dans les modélisations clima- tiques. L'objectif principal de cette thèse est donc de développer et d'évaluer une modélisation hydrologique globale incluant les eaux souterraines dans le système hydrologique continental ISBA-TRIP du CNRM. Dans cette thèse, un schéma d'aquifère simplifié à été implémenté dans le modèle de routage TRIP. Ce schéma a été évalué sans couplage avec le modèle de surface ISBA sur la France à fine (1/12°) et basse (0.5°) résolutions. Les débits et hauteurs de nappe ont été comparés à un dense réseau de mesures de débit et de hauteur de nappe, ainsi qu'aux sorties du modèle hydrométéorologique SIM. Enfin, les stocks d'eau continentale ont été comparés aux estimations du satellite GRACE. Les résultats ont montré que le schéma d'aquifère améliore les variables hydrologiques simulées par TRIP, le principal effet de l'aquifère étant de soutenir les débits d'étiage en période sèche. Cette évaluation a aussi démontré la capacité du schéma à capturer les variations spatio-temporelles de la nappe. Enfin, l'impact de la résolution sur les débits simulés s'est révélé être relativement faible. Une méthodologie similaire a permis de construire un système de modélisation à l'échelle globale et à basse résolution utilisant le schéma d'aquifère développé dans TRIP. Les débits simulés ont été comparés à un vaste réseau de mesures de débit provenant de plusieurs orga- nismes, le principal étant le GRDC. Les eaux souterraines améliorent les débits pour environ 70 % de ces mesures, et les détériorent pour 15 % d'entre elles. Le temps de résidence introduit par les variations basses fréquences de la nappe tend à décaler et lisser les débits et les stocks d'eau continentale simulés. Ces derniers sont de ce fait en meilleur accord avec les estimations de GRACE. Une expérience de sensibilité sur les forçages de précipitation a par ailleurs montré que le schéma d'aquifère était peu sensible aux incertitudes des précipitations. La dernière phase de développement a consisté à coupler le schéma d'aquifère de TRIP avec le sol d'ISBA dans le but de tenir compte des éventuelles remontées capillaires de la nappe vers le sol. Ce couplage a nécessité l'utilisation de la version multicouche du schéma de sol d'ISBA. L'évaluation de cette nouvelle version sur la France et à l'échelle globale met en évidence des changements dans le bilan d'eau en surface et une amélioration significative des débits simulés. Elle révèle aussi un manque de dynamique dans le schéma de sol conduisant à sous-estimer une partie des débits et à augmenter la sensibilité à la résolution. Le principal effet des remontées capillaires est d'augmenter l'évapotranspiration durant les périodes sèches. Des incertitudes demeurent cependant dans le système couplé ISBA-TRIP. Certaines hypo- thèses du schéma d'aquifère restent discutables et nécessiteraient d'être corrigées. De plus, le schéma d'aquifère remet en cause une partie des paramétrisations de la géométrie de la rivière dans TRIP. En dépit de ces incertitudes, l'impact positif des aquifères sur les variables hydro- logiques simulées suggère que le schéma d'aquifère est apte à être utilisé dans des applications hydrologiques et climatiques globales, ce que confirment les premières applications à l'échelle globale du système couplé, même si des améliorations restent à apporter. L'objectif ultime sera d'introduire le système complet ISBA-TRIP dans le modèle de climat du CNRM de manière à estimer l'impact des eaux souterraines sur la simulation du climat présent et futur.
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Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04279763 , version 1

Citer

Jean-Pierre Vergnes. Développement d'une modélisation hydrologique incluant la représentation des aquifères : évaluation sur la France et à l'échelle globale. Hydrologie. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04279763v1⟩
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