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Dossier : Les grands fleuves : entre conflits et concertation

Influence du changement climatique sur l'hydrologie du bassin de la Seine

Agnès Ducharne, Sylvain Théry , Pascal Viennot , Emmanuel Ledoux, Eric Gomez et Michel Déqué

Résumés

Pour évaluer l'impact du changement climatique sur l'hydrologie de la Seine et de son bassin, nous avons construit trois scénarios de changement climatique à partir de trois paires de simulations réalisées avec le modèle de circulation générale ARPEGE (Météo-France). Leur impact a été testé grâce à 2 modèles hydrologiques : le modèle CaB, développé pour simuler les bilans d'eau et d'énergie dans les modèles de circulation générale mais qui ignore les aquifères profonds, contrairement au modèle hydrogéologique MODCOU. Ces deux modèles s'accordent, selon les trois scénarios, sur une intensification des contrastes saisonniers sous changement climatique, illustrée par des crues plus importantes en hiver et des étiages plus sévères en été.

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Texte intégral

Introduction

Contexte hydrologique actuel

1Le bassin versant de la Seine couvre 78600 km² (au Havre), soit 12 % de la surface de la France. Il s'inscrit en presque totalité dans le bassin de Paris, limité par le socle hercynien des Ardennes et des Vosges à l'Est, du Massif Central au Sud (Morvan inclus dans le bassin versant de la Seine) et du Massif Armoricain à l'Ouest. Ce bassin sédimentaire est caractérisé par un empilement de formations sédimentaires à faible pendage convergent vers le centre (géométrie dite « en pile d'assiette »), comprenant d'importantes formations aquifères séparées par des formations semi-perméables. Leurs affleurements forment des auréoles concentriques dont l'altitude tend à augmenter quand on s'éloigne du centre du bassin, vers l'Est notamment (cuestas). Notons cependant que les aquifères les plus profonds (correspondant aux couches les plus anciennes) sont plus étendus que le bassin versant topographique.

2Le relief de ce bassin est donc peu accidenté (Figure 1), avec des altitudes généralement inférieures  à 300 m, dépassant rarement 500 m sauf dans le Morvan où elles culminent à 900 m. Ces altitudes modérées expliquent les faibles pentes des cours d'eau (0.01 à 0.03 m / 100m), qui coulent globalement vers l'ouest en incisant les cuestas orientales, puis les plateaux du centre du bassin (plaines de Beauce et de Picardie par exemple) avant de méandrer dans les plaines alluviales, notamment à l'aval de Paris. La Seine se jette dans la Manche (Océan Atlantique) au Havre, après un parcours de 776 km, mais le domaine estuarien (eaux saumâtres et influence hydrodynamique de la marée) commence à Poses, à  166 km en amont du Havre.

3Les sols actuellement présents sur le bassin de la Seine se sont formés à partir d'une couverture de limons et d'argiles quaternaires qui recouvrent les formations géologiques. En général, ils sont pourvus de bonnes capacités de rétention d'eau, qui contribuent à réguler le débit des rivières, en association avec une contribution importante des aquifères (dont le drainage vers les rivières constitue le débit de base de ces dernières) et une pluviométrie bien répartie au cours de l'année.

Figure 1 : Topographie et réseau hydrographique du bassin de la Seine.

Figure 1 : Topographie et réseau hydrographique du bassin de la Seine.

4Celle-ci s'explique par un apport assez constant d'humidité par les vents d'ouest issus de l'Océan Atlantique (climat océanique). Cette humidité précipite abondamment sur les régions côtières du nord-ouest (Normandie, avec une pluviométrie de 800 à 1100 mm/an) puis sur les reliefs sud-est du bassin (pluviométrie supérieure à 800 mm/an pouvant atteindre 1300 mm dans le Morvan). Les plateaux du centre du bassin sont moins bien arrosés (pluviométrie de 550 à 850 mm/an) car les vents d'ouest humides n'y rencontrent pas d'obstacle orographique favorisant la précipitation. La pluviométrie moyenne sur l'ensemble du bassin est de 750 mm/an (moyenne sur 1931-1960 ; AESN, 1976) et se répartit en 550 mm/an d'évapotranspiration, et 200 mm/an d'écoulement. Cette valeur est faible comparée aux autres fleuves français, qui prennent leur source dans des massifs montagneux plus élevés, donc plus arrosés. Pour les mêmes raisons, la Seine est le fleuve français où l'influence de la neige est la plus faible : le nombre de jours de neige est très faible, à l'exception du Morvan où il peut atteindre 40 jours, et l'influence nivale sur le régime hydrologique des rivières est négligeable.

5Ce régime est dit « pluvial océanique », avec un débit maximal en hiver quand l'évapotranspiration est faible, et minimal en été quand l'évapotranspiration est forte. A Poses par exemple, le débit moyen de la Seine est d'environ 480 m3/s et varie entre 240 m3/s en août et 805 m3/s en février (moyennes sur 1974-2000). Ces valeurs moyennes sont bien sûr soumises à une importante variabilité inter-annuelle. Les trois dernières crues les plus importantes, en 1910, 1955 et 2001, ont ainsi vu des débits à Poses de 2500, 2300, 2200 m3/s respectivement.

Enjeux actuels de gestion de l'eau

6Le bassin de la Seine bénéficiant d'une pluviométrie suffisante et d'aquifères importants, la ressource en eau n'y est pas un problème majeur. D'un point de vue quantitatif, ce sont plutôt les crues, et leur cortège d'inondations dans le bassin, qui suscitent les plus vives craintes. Ainsi, les crues de 1910, 1955 et 2001 ont causé d'importants dommages à Paris, et dès 1910, il fut décidé d'un programme de construction de barrages-réservoirs à l'amont du bassin. Les trois principaux ont été construits en dérivation de la Seine, de la Marne et de l'Aube, sur une auréole argileuse environ 200 km à l'amont de Paris, entre 1966 et 1991. Ils permettent un écrêtement des crues, sensible à l'échelle régionale, mais toutefois limité à Paris étant donné leur éloignement. Là, leur rôle majeur réside dans le soutien du débit d'étiage en fin d'été et en automne, ces trois réservoirs pouvant restituer 60 m3/s, ce qui peut doubler le débit d'étiage à Paris lors des années sèches (Meybeck et al., 1998).

7Ce soutien permet d'assurer les prises d'eau nécessaires à la production d'eau potable pour l'agglomération parisienne (Tableau 1), et de limiter les problèmes de qualité de l'eau, menacée par des pressions anthropiques intenses, avec des répercussions tant environnementales que pour l'alimentation en eau potable.

Tableau 1 : Prélèvements d'eau dans le bassin de la Seine, bassin de l'Eure exclu, de 1988 à 1992

Total (106 m3/an)

Prélevé en nappe (%)

Industries

     dont EDF*

1553

1052

10

1.5

Distribution urbaine

     dont l’Ile-de-France**

1088

890

51

44

Agriculture

40

88

Total

2681

28

(Source : Meybeck et al., 1998). * EDF: Électricité de France, compagnie national d’énergie, ** Une partie de l'eau prélevée pour l'Ile-de-France est puisée en nappe hors d'Ile-de-France (alimentation historique de Paris) ; elle est incluse dans la ligne Ile-de-France.

8La qualité de l'eau est globalement bonne à l'amont du bassin, à l'exception désormais incontournable d'une pollution de plus en plus marquée par les nitrates d'origine agricole (fertilisants), qui contaminent l'ensemble des aquifères alimentant les rivières. La qualité de l'eau subit en outre une dégradation marquée vers l'aval, en conséquence de l'urbanisation et de l'industrialisation du paysage. Le bassin de la Seine concentre 20 millions d'habitants (soit environ 30 % de la population française), dont plus de 10 millions dans l'agglomération parisienne, ainsi que 40% des activités industrielles nationales. Malgré d'importants efforts de traitement (par exemple, la station d'épuration d'Achères, à l'aval de Paris, est la deuxième station d'épuration au monde en terme de volume traité, et bénéficie des dernières innovations technologiques), les rejets associés perturbent la qualité du milieu aquatique : la dégradation de la matière organique et l'oxydation de l'ammoniaque (nitrification) nécessitent de l'oxygène et l'on observe des déficits en oxygène importants jusqu'à 100 km à l'aval de Paris (Meybeck et al., 1998). De plus, l'action combinée des nitrates d'origine agricole et  des rejets de phosphates (détergents) favorisent l'eutrophisation, qui peut accentuer les déficits en oxygène, et poser des problèmes pour la survie des populations piscicoles. Ces problèmes, réduits par l'importante diminution des phosphates dans les produits lessiviels, restent sensibles en été (Billen et al., 1994) du fait des faibles débits qui entraînent une augmentation des concentrations (rejets dans des volumes moindres) et des temps de résidence dans le milieu (car la vitesse des cours d'eau diminue avec le débit).  

La problématique du changement climatique

9La réalité d'un changement climatique dû à l'augmentation des gaz à effet de serre (GES), et notamment du CO2, fait désormais l'objet d'un consensus bien affirmé (Houghton et al., 2001). Ce consensus repose sur la convergence de nombreux éléments de preuve, relatifs :

  •  aux tendances de la température au cours des derniers siècles (e.g. Mann et al., 1998),

  •  à la comparaison de telles tendances avec la variabilité naturelle du système climatique (e.g. Hegerl et al., 1997),

  •  aux simulations, par les modèles de circulation générale (MCG ; e.g. Gachon, 2000), du changement climatique qui pourrait résulter d'augmentations variées des GES.

10Les études les plus récentes de l'IPCC (International Panel for Climate Change ; Houghton et al., 2001) montrent que la température moyenne de la surface du globe pourrait augmenter de 1.5 à 6°C d'ici à 2100, cette fourchette représentant l'incertitude liée aux MCG d'une part, et à l'évolution des émissions de GES d'autre part. Par rapport au cycle de l'eau, ce réchauffement global entraîne une augmentation de l'évaporation et, par suite, des précipitations moyennes à l'échelle du globe. Les variations de précipitation constituent cependant une des incertitudes majeures quant aux effets potentiels de l'augmentation de CO2, à cause notamment de la mauvaise connaissance des mécanismes de rétroaction entre processus radiatifs, convection et couverture nuageuse (Cess et al., 1993). De plus, ces incertitudes augmentent à l'échelle régionale, comme en Europe, où Kittel et al. (1998) trouvent que les changements de précipitation moyenne simulés en été ont des signes différents selon les MCG.

11Le changement le plus probable en Europe correspond cependant à une intensification des contrastes hydrologiques, avec des risques accrus d'inondations en hiver et de sécheresses en été. Il importe donc de préciser la nature de ces risques, et d'étudier leurs conséquences sur les hydrosystèmes continentaux (cours d'eau et systèmes aquifères), qui définissent la ressource en eau, sous son double aspect de la quantité et de la qualité.

12C'est dans ce contexte que s'inscrit le projet « GICC-Seine », développé dans le cadre du programme « Gestion et Impact du Changement Climatique » du Ministère Français de l'Écologie et du Développement Durable. L'objectif de ce projet est d'étudier l'influence du changement climatique sur la ressource en eau dans le bassin de la Seine, en relation avec les changements des contraintes anthropiques directes, notamment celles qui sont liées à l'agriculture. Nous ne détaillerons dans cet article que les impacts hydrologiques du changement climatique, mais le projet s'intéresse aussi aux conséquences directes et indirectes des modifications climatiques sur la qualité des écosystèmes aquatiques (nutriments, eutrophisation, oxygène).

Une étude basée sur la modélisation

Deux modèles hydrologiques de complexité différente

13Le modèle CaB (pour « Catchment-Based » ; Koster et al., 2000) est un modèle du fonctionnement des surfaces continentales, qui décrit sur des bases physiques l'influence du climat sur les écoulements. Il combine :

  •  une approche TSVA (« Transferts Sol-Végétation-Atmosphère »), où  l'évapotranspiration est couplée au bilan d'énergie, et contrôlée par la végétation et divers facteurs de stress (hydriques notamment),

  • une approche basée sur le modèle hydrologique TOPMODEL (Beven et Kirkby, 1979) pour gérer les écoulements superficiels et souterrains. Selon cette approche, le domaine d'étude est discrétisé en bassin versants élémentaires, toujours pourvus d'une nappe phréatique. Sous l'hypothèse que les gradients topographiques sont une bonne approximation des gradients hydrauliques, on exploite une description à haute résolution de la topographie de chaque bassin élémentaire pour dériver, à chaque pas de temps (20 minutes), une distribution spatiale de la profondeur de la nappe en fonction de l'humidité moyenne du bassin. Cette distribution contrôle les transferts verticaux entre zone racinaire et nappe ainsi que l'écoulement de base (écoulement de la nappe vers les cours d'eau). Il faut cependant noter que cette nappe phréatique « conceptuelle » n'est pas équivalente à un système aquifère multicouche comme celui qui prévaut dans le bassin de la Seine.

14Originellement développé pour être couplé à un MCG, le modèle CaB est particulièrement adapté pour faire le lien entre hydrologie et climat. En particulier, les variables météorologiques nécessaires en entrée de ce modèle sont toutes simulées par les MCG: précipitations, rayonnement incident (visible et infra-rouge), température et humidité de l'air à 2 m, vitesse du vent à 10m et pression atmosphérique à la surface.

Figure 2.  Comparaison des écoulements observés (valeurs journalières en noir) et simulés par CaB (moyennes décadaires en rouge) à Poses, en 1987-1988 (haut) et 1994-1999 (bas).

Figure 2.  Comparaison des écoulements observés (valeurs journalières en noir) et simulés par CaB (moyennes décadaires en rouge) à Poses, en 1987-1988 (haut) et 1994-1999 (bas).

15Le modèle CaB a été validé dans les bassins de l'Arkansas-Red River (Ducharne et al., 2000) et dans le bassin de la Seine. Celui-ci est subdivisé en 29 bassins élémentaires (2600 km en moyenne), où les paramètres du modèle sont définis à partir d'informations sur la topographie (résolution de 100m), les propriétés des sols et de la couverture végétale.  Le modèle a montré des performances satisfaisantes (Figure 2) sur deux périodes au climat contrasté :

  •  1987-1988 (température de 9.25°C et précipitations de 760 mm/an en moyenne), avec un forçage météorologique issu des données ISLSCP Initiative I (Sellers et al., 1996),

  • 1994-1999 (température de 11.0°C et précipitations de 775 mm/an en moyenne), avec un forçage météorologique interpolé à partir de données d'une centaine de stations de mesure du réseau Météo-France.

16Notons que l'écart de température entre ces deux périodes est dans la gamme du réchauffement que l'on peut attendre, en moyenne à long-terme (horizon 2050 à 2100), suite à l'augmentation des GES (Tableau 2). Ceci suggère que l'on peut transposer le modèle CaB en situation de changement de changement climatique avec une confiance raisonnable.

17Le modèle MODCOU (Ledoux, 1980 ; Ledoux et al., 1989) a pour objectif la simulation conjointe des écoulements de surface et des écoulements souterrains dans les aquifères. Le domaine est discrétisé en mailles carrées emboîtées, formant une structure multicouche (une couche de surface et trois couches aquifères dans le bassin de la Seine, Figure 3). Aux mailles sont rattachées les caractéristiques physiques du domaine : direction de drainage, pente, distribution des zones de production, etc. pour les  mailles de surface, transmissivité, coefficient d'emmagasinement, etc. pour les mailles souterraines. Le modèle utilise cinq modules inter-connectés pour représenter les circulations d'eau dans le bassin :

  •  un module d'entrée (ou de forçage), qui prend en compte les données météorologiques d'entrée (précipitations et évapotranspiration potentielle ou ETP) ; ici, elles ont été fournies par Météo-France sur la période 1970-1989 et sur une grille régulière de huit kilomètres de côté couvrant l'ensemble du bassin,

  • un module de production, qui calcule évapotranspiration, infiltration, ruissellement et stockage dans le sol (bilan d'eau) en fonction des précipitations, de l'ETP et de paramètres de structure (types de sol, mode d'occupation) caractérisant des zones de production homogènes,

  • un module de transfert en surface, qui achemine en rivière l'eau de ruissellement ainsi que celle issue des échanges avec le domaine souterrain,

  • un module de transfert souterrain, qui simule les écoulements dans les aquifères en fonction de l'infiltration depuis la surface et des échanges nappes-rivière,

  • un module d'échange surface-souterrain, qui calcule les échanges à double sens entre les deux milieux (aquifères et cours d'eau).

18Le calage des données de structure de la couche de surface et des trois couches souterraines représentées (Oligocène, Eocène et Craie) a été effectué pour optimiser la restitution des débits de 125 stations hydrométriques et celle des charges hydrauliques de 139 piézomètres (Gomez, 2002). A titre d'exemple, la figure 4 présente la comparaison des débits calculés et mesurés à la station hydrométrique de Poses et les variations piézométriques mesurées et calculées dans la nappe de la Craie (piézomètre de Villeneuve).

Simulations climatiques

19Les MCG sont les meilleurs outils actuellement disponibles pour appréhender le probable changement climatique dû à l'augmentation anthropique des GES, les méthodes alternatives se limitant aux méthodes des analogues temporels ou spatiaux (Arnell, 1994). Les projections du changement climatique par les MCG présentent les avantages d'être quantifiées, spatialisées et de prendre en compte la physique du système climatique au mieux des connaissances actuelles. Ils sont donc largement utilisés pour étudier les impacts du changement climatique, notamment sur les hydrosystèmes continentaux. Ces modèles, ainsi que leurs paramétrisations des processus physiques, sont cependant sujets à de nombreuses incertitudes, dont l'évaluation est problématique (Planton, 1999), et qui augmentent à l'échelle régionale (e.g. Kittel et al., 1998). Leurs projections du changement climatique sont aussi soumises aux incertitudes inhérentes aux scénarios d'émissions en GES. Il semble donc fondamental de disposer de plusieurs projections, dont les différences donnent une idée de la marge d'incertitude du changement climatique potentiel.

20Nous avons donc commencé par exploiter le changement climatique simulé par deux versions d'un même MCG : le modèle ARPEGE (Météo-France). Ces deux versions (Déqué et al., 1998 ; Gibelin et Déqué, 2003) partagent la caractéristique d'un maillage variable, qui est plus dense dans une région dite « zoom ». Ceci permet régionalement une résolution plus fine qu'un MCG à maillage régulier (200 km de côté au minimum), tout en maintenant la cohérence de la dynamique de l'atmosphère à grande échelle. C'est un avantage de la méthode « zoom » par rapport aux méthodes de désagrégation vers l'échelle régionale des MCG à maillage régulier (par des modèles régionaux emboîtés ou des méthodes statistiques), qui s'accompagnent de leurs propres incertitudes, et ne font pas encore l'objet d'un consensus (Hutjes et al., 1998).    

Figure 3. Conceptualisation hydrogéologique du bassin de la Seine selon le modèle MODCOU.

Figure 3. Conceptualisation hydrogéologique du bassin de la Seine selon le modèle MODCOU.

Figure 4. Évolution comparée du débit de la Seine à Poses et de la piézométrie à Villeneuve (aquifère de la Craie).

Figure 4. Évolution comparée du débit de la Seine à Poses et de la piézométrie à Villeneuve (aquifère de la Craie).

Tableau 2.  Description des différentes simulations ARPEGE. Les quatre dernières lignes donnent les différences CC-REF moyennes () de précipitations, température et humidité de l'air à 2 m et rayonnement infra-rouge incident.

Simulations

OLD

B2

A2

MCG

ARPEGE « OLD »

(Déqué et al., 1998)

ARPEGE « NEW »

(Gibelin et Déqué, 2003)

ARPEGE «NEW»

(Gibelin et Déqué, 2003)

Résolution dans le bassin de la Seine

80 x 80 km²

50 x 50 km²

50 x 50 km²

Durée des simulations

10 ans

30 ans

30 ans

Scénarios

d'émissions

CO2  + 1% /an depuis 1990

708 ppm en 2060

Sans aérosols

SRES-B2

610 ppm en 2100

Avec aérosols

SRES-A2

850 ppm en 2100

Avec aérosols

Température de la surface de la mer sous changement climatique

2054-2064

(HadCM2 a)

2070-2099

(Modification des  valeurs  actuelles selon ARPEGE/OPAGb sous émissions SRES-B2)

2070-2099

(Modification des  valeurs  actuelles selon ARPEGE/OPAGb sous émissions SRES-A2)

Température de la surface de la mer des simulations de référence

1984-1994

(HadCM2 a)

1960-1989

(Observée)

Précipitation

+7%

+2%

+12%

Température

+2.4°C

+2.5°C

+3.4°C

Humidité de l'air

+11%

+12%

+13%

Rayonnement infra-rouge

+5%

+4%

+5%

a HadCM2 : MCG couplé océan/atmosphère du Hadley Center utilisé pour simuler l'évolution du climat de 1860 à 2100, avec les concentrations observées de CO2 jusqu'en 1990, puis une augmentation de 1% par an à partir de cette date.

b ARPEGE/OPAG : MCG couplé océan/atmosphère utilisé par Météo-France pour simuler l'évolution du climat de 1950 à 2099, avec les concentrations observées de GES et  aérosols jusqu'en 1999, puis leurs évolutions selon les scénarios d'émission SRES-B2 ou SRES-A2. La différence moyenne de TSM ainsi simulée entre les périodes 2070-2099 et 1960-1989 est ajoutée en chaque maille océanique aux valeurs mensuelles observées en 1960-1989.

21Trois paires de simulations, représentant le climat sous concentrations de CO2 actuelle et augmentée ont été réalisées avec ces modèles, et sont résumées en tableau 2. Il s'agit d'intégrations limitées (« time-slices » de 10 ou 30 ans) du MCG atmosphérique ARPEGE. Elles diffèrent par leur résolution en Europe et dans le bassin de la Seine, mais elles correspondent aussi à deux versions profondément différentes du MCG, dont le réalisme a été amélioré entre les versions OLD et NEW. Une autre différence importante entre ces trois simulations de changement climatique concerne les températures de surface de la mer (TSM) qui servent de forçage pour les intégrations du MCG atmosphérique ARPEGE, et qui sont un élément important de la dispersion des projections du changement climatique. Ainsi, ce sont deux modèles couplés océan/atmosphère différents qui ont permis de simuler l'évolution des TSM au cours de l'évolution du climat au 21ème siècle suite à l'augmentation des GES.   Enfin, les concentrations en CO2 correspondant aux situations de changement climatique sont différentes entre les 3 simulations de changement climatique : elles sont plus optimistes pour NEW-B2 que pour OLD et NEW-A2. La différence entre NEW-B2 et OLD est également renforcée par la prise en compte dans NEW-B2 d'aérosols, dont l'effet radiatif limite le réchauffement.

22Le tableau 2 montre dans les trois cas une augmentation du rayonnement infra-rouge incident, en conséquence directe de l'augmentation de l'effet de serre atmosphérique. Il en résulte une augmentation de la température de l'air, et une augmentation de l'humidité de l'air (car l'air chaud peut contenir plus de vapeur que l'air froid). L'augmentation de ces trois variables est relativement constante tout au long de l'année, et statistiquement significative aux échelles mensuelle et annuelle. Elle est aussi assez convergente entre les trois projections, les différences les plus importantes concernant l'amplitude du changement de température. Les précipitations présentent une réponse radicalement différente. Elles ne changent pas significativement à l'échelle annuelle, ni à l'échelle mensuelle selon la simulation B2. Selon les simulations OLD et A2 en revanche, elles augmentent en hiver, et diminuent en été, mais pas avec la même magnitude (Figure 5). Enfin, les trois dernières variables étudiées (pression atmosphérique en surface, rayonnement solaire incident et vitesse du vent) ne présentent que des modifications négligeables et non statistiquement significatives.

Figure 5. Cycle annuel moyen des précipitations simulées par le modèle de circulation générale ARPEGE, à l'actuel (noir) et sous changement climatique : simulations OLD (vert), B2 (rouge) et A2 (bleu) .

Figure 5. Cycle annuel moyen des précipitations simulées par le modèle de circulation générale ARPEGE, à l'actuel (noir) et sous changement climatique : simulations OLD (vert), B2 (rouge) et A2 (bleu) .

Les simulations de référence associées à OLD d'une part et B2 et A2 d'autre part sont différentes car réalisées avec les versions OLD et NEW d'ARPEGE. Les astérisques indiquent quand les  différences de moyenne mensuelle entre la simulation de changement climatique  et a simulation de référence sont statistiquement significatives. Les tiretés indiquent enfin les précipitations observées en moyenne sur le bassin et sur 1970-1989 (données Météo-France).

Construction de scénarios de changement climatique

23Les MCG présentent souvent des biais dans leur simulation du climat actuel, tout particulièrement sur les précipitations continentales. C'est le cas pour les deux versions du modèle ARPEGE qui surestiment significativement les précipitations (sauf estivales) dans le bassin de la Seine (Figure 5). De tels biais se transmettent aux débits simulés (Ducharne et al., 2003), et pour s'affranchir de ce problème, nous avons classiquement choisi de construire des scénarios de changement climatique, en perturbant le climat actuel en fonction du changement climatique simulé par ARPEGE.

24Le climat actuel choisi comme base de ces scénarios est différent selon le modèle hydrologique auxquels ils sont destinés :

  •  1970-1989 pour le modèle MODCOU (pas de temps journalier),

  • 1987-1988 pour le modèle CaB (pas de temps de 20 minutes). Cette période est un peu courte, mais elle s'inscrit dans la période simulée comme référence actuelle par les deux versions d'ARPEGE (Table 2), contrairement à la période 1994-1999, où les données météorologiques nécessaires au modèle CaB sont également disponibles. En effet, les années 1990 ont probablement ont été les plus chaudes du millénaire à l'échelle globale (Houghton et al., 2001). On ne peut donc pas exclure qu'elles traduisent déjà un signal de changement climatique, comme le suggère sur la Seine la forte différence de température entre 1994-1999 et 1987-1988 (1.75°C) par rapport au réchauffement simulé par ARPEGE (2.4 à 3.4°C).

25Les perturbations imputées au climat actuel sont alors calculées mensuellement, à partir des moyennes inter-annuelles de chaque variable (moyenne inter-annuelle de janvier, février... décembre). En effet, les MCG ont une valeur climatologique, c'est à dire qu'ils représentent le climat, défini comme une moyenne sur une longue période (typiquement 10 à 30 ans). La variabilité temporelle des MCG est rarement validée, que ce soit la variabilité inter-annuelle autour du climat moyen (qui requiert des simulations et des observations fiables du climat sur plusieurs décennies), ou la variabilité à des échelles de temps plus courtes, comme celle des extrêmes. Quand de telles validations sont entreprises, elles montrent le plus souvent que les extrêmes sont mal capturés par les MCG, parce qu'ils sont associés à des processus à petite échelle spatiale qui ne sont pas résolus explicitement dans les MCG (e.g. Gibelin et Déqué, 2001).

26On distingue deux types de perturbations, donnant lieu aux variables perturbées  Xadd ou Xmult:

  •  perturbations « additives » : Xadd(t,m,y) = Xact(t,m,y) + Mcc(m) - Mref(m)

  • perturbations « multiplicatives » : Xmult(t,m,y) = Xact(t,m,y) . Mcc(m) / Mref(m)

27Dans ces formules, Mref(m) et Mcc(m) sont les moyennes mensuelles inter-annuelles de la variable considérée, calculées à partir des simulations ARPEGE de référence et de changement climatique respectivement. La perturbation du mois m est imputée à la variable actuelle (i.e. observée)  Xact, à tous les pas de temps t (1 jour pour MODCOU, 20 minutes pour CaB) du mois, et ce pour toutes les années. Pour des raisons de cohérence physique et numérique, nous avons appliqué les perturbations suivantes aux différentes variables d'entrée des modèles hydrologiques :

  •  « additives » pour la température et l'humidité de l'air à 2 m, le rayonnement infra-rouge et la pression atmosphérique en surface,

  • « multiplicatives » pour les précipitations, la vitesse du vent, le rayonnement visible incident et l'ETP.

28Cette dernière, nécessaire au forçage de MODCOU, mais non simulée par ARPEGE, fut calculée par la formule de Penman (1948), utilisée par Météo-France pour calculer les ETP actuelles de 1970-1989. Nous avons donc calculé l'ETP à partir du rayonnement visible et infra-rouge incident, de la température et de l'humidité de l'air à 2 m, et de la vitesse du vent à 10 m, simulés par ARPEGE en situation de référence et de changement climatique. Puis nous avons procédé avec ces séries comme avec celles qui étaient directement simulées par ARPEGE.

Résultats

Description des simulations hydrologiques

29Avec chacun des deux modèles hydrologiques CaB et MODCOU, nous avons réalisé quatre simulations :

  •  une simulation de référence sous scénario climatique actuel (i.e. le climat effectivement observé pendant la période de référence),

  • trois simulations sous climat modifié, c'est-à-dire forcées par les trois scénarios de changement climatique construits pour le modèle considéré.

30Avant d'aller plus loin, il faut se rappeler que le sol a une mémoire, à travers son humidité notamment (e.g. Delworth et Manabe, 1988; Ducharne et Laval, 2000). Pour projeter un modèle en climat modifié, il faut donc lui faire oublier l'influence du climat actuel sur l'humidité du bassin. Ceci est particulièrement important pour les simulations réalisées avec le modèle CaB, puisque nous ne disposons que d'une base de deux ans pour construire les scénarios climatiques. Nous avons donc réalisé une mise à l'équilibre du modèle CaB avec les quatre  climats considérés (y compris le climat actuel, afin de limiter au seul climat les facteurs de différence entre les simulations actuelle et de changement climatique), grâce à 5 répétitions de chacun des scénarios climatiques. Pour la première répétition, les quatre simulations démarrent à partir des mêmes conditions initiales, notamment l'humidité du sol estimée au 1er janvier 1987.  Les simulations se poursuivent ensuite dans la continuité alors que les scénarios climatiques sont répétés 4 fois. A partir de la troisième répétition, les évolutions de l'humidité du bassin sur deux ans deviennent superposables, et ce quelque soit le scénario climatique considéré. Ceci qui indique que la moyenne inter-annuelle de l'humidité simulée est en équilibre avec le climat, et ce sont donc les résultats de cette troisième répétition qui sont analysés ci-dessous.

31Avec le modèle MODCOU, nous avons réalisé des simulations de 40 ans, soit deux répétitions des scénarios climatiques de 20 ans. Les quatre simulations démarrent avec la même humidité (dans le sol et les nappes), qui correspond à l'état d'équilibre avec le climat actuel. Les résultats présentés ci-dessous correspondent à la moyenne de ces 40 ans.

Impact simulé par le modèle CaB

32L'impact sur l'hydrologie du bassin (Figure 6) des trois scénarios de changement climatique, par rapport à une référence 1987-1988, consiste en une augmentation de l'évaporation, en lien avec le réchauffement. En été, elle joue de concert avec une diminution des pluies pour diminuer l'humidité du sol (c'est cette réduction qui entraîne la diminution de l'évaporation en août par flétrissement de la végétation) et les débits (écoulements). En hiver, les différences d'évaporation sont très faibles entre la référence et les simulations sous changement climatique (sauf en janvier où l'évaporation est plus faible sous changement climatique, ce qui traduit en fait une condensation / rosée supérieure car l'air est plus chaud et plus humide). Malgré cela, les débits augmentent en proportion moindre que les pluies, voire même diminuent dans la simulation B2, car une partie des précipitations sert à reconstituer l'humidité du sol perdue en été. En terme de débits, l'impact peut finalement se résumer par :

  •  des crues plus importantes en hiver qu'à l'actuel,  

  • des étiages plus sévères en été qu'à l'actuel.

Impact simulé par le modèle MODCOU

33Le modèle MODCOU s'accorde avec le modèle CaB sur cette intensification des contrastes saisonniers de débit de la Seine, qui s'observe selon les trois scénarios de changement climatique (Figure 7). MODCOU montre aussi que les variations de profondeur des nappes aquifères sont généralement faibles (amplitude généralement inférieure à 2 m), sauf dans le cas du scénario B2, qui montre localement des baisses plus importantes du niveau piézométrique de la nappe de la Craie (Figure 8).

Figure 6.  Impact de trois scénarios de changement climatique sur les bilans d'eau simulés par le modèle CaB dans le bassin de la Seine. Les valeurs représentées sont des différences par rapport au climat actuel.

Figure 6.  Impact de trois scénarios de changement climatique sur les bilans d'eau simulés par le modèle CaB dans le bassin de la Seine. Les valeurs représentées sont des différences par rapport au climat actuel.

Figure 7. Impact des trois scénarios de changement climatique sur les débits calculés à Poses par le modèle hydrogéologique MODCOU.

Figure 7. Impact des trois scénarios de changement climatique sur les débits calculés à Poses par le modèle hydrogéologique MODCOU.

Figure 8. Variations piézométriques moyennes de la nappe de la Craie calculées par MODCOU  sous le scénario B2.

Figure 8. Variations piézométriques moyennes de la nappe de la Craie calculées par MODCOU  sous le scénario B2.

Discussion et conclusion

34La tendance qui émerge des trois scénarios, selon les deux modèles hydrologiques, est une intensification des contrastes saisonniers du débit de la Seine (augmentation des crues hivernales, étiages estivaux plus sévères). Les réponses des deux modèles à ces scénarios présentent bien sûr des différences, mais elles ne remettent pas en cause la conclusion, et s'expliquent par une référence actuelle différente : 1970-1989 pour MODCOU contre 1987-1988 pour CaB, ainsi que par le rôle régulateur des nappes dans MODCOU, qui limite l'assèchement par rapport à CaB. Cependant, la simulation MODCOU, représentant 40 années de climat modifié à partir de l'état du bassin en 2000, n'exprime peut-être pas les changements qui pourraient se développer à plus long-terme, étant donné le temps de réponse de plusieurs décennies du système aquifère du bassin de la Seine. C'est un point qu'il nous reste à vérifier.

35Trois simulations de changement climatique ne suffisent cependant pas à appréhender toutes les incertitudes des simulations de  changement climatique, qui proviennent des MCG eux-mêmes et des scénarios d'émissions en gaz à effet de serre (Houghton et al., 2001). L'étude des trois simulations ARPEGE de changement climatique confirme que les variations de précipitations constituent une des incertitudes majeures quant aux effets potentiels de l'augmentation de CO2. Ces variations de précipitation contrôlant largement les impacts hydrologiques, il est fondamental de disposer d'autres simulations MCG pour espérer caractériser la marge d'incertitude du changement climatique potentiel. L'étude présentée ci-dessus est donc en cours de généralisation, en exploitant 9 autres simulations de changement climatique, par six MCG différents, certains forcés par différents scénarios d'émissions. Une analyse préliminaire confirme que la température augmente dans tous les cas (à titre d'exemple, la température augmente en été de 4°C en moyenne sur les 12 simulations, et de 10°C selon la simulation la plus chaude). En ce qui concerne les variables caractérisant l'hydrologie du bassin (écoulements et humidité du sol), qui sont importantes pour de nombreux secteurs économiques (agriculture, navigation, industries de l'eau...), nous avons montré que, selon le modèle CaB, la marge d'incertitude est inférieure au signal moyen en été. C'est donc avec le maximum de confiance que l'on peut dire que l'humidité du sol et les débits d'étiage devraient diminuer en été sous changement climatique (horizon 2100). L'évolution des débits de crue est beaucoup moins certaine, nos simulations montrant des cas d'augmentation comme de diminution, en lien avec une dispersion importante des changements de précipitation (positifs ou négatifs selon les simulations climatiques).

36Par ailleurs, la qualité de l'eau est actuellement la préoccupation majeure des gestionnaires de l'eau dans le bassin de la Seine, du fait des importantes pressions exercées par les activités humaines. Nous nous intéressons donc bien sûr aux répercussions du changement climatique sur cette qualité (d'un point de vue biogéochimique, i.e. en ce qui concerne les teneurs en nutriments dont les nitrates, l'eutrophisation et problèmes d'oxygénation). Ainsi, la diminution des débits estivaux est a priori néfaste, ce qui sera quantifié grâce au modèle Riverstrahler du fonctionnement biogéochimique des cours d'eau (Billen et al., 1994), forcé par écoulements simulés par les modèles hydrologiques CaB et MODCOU sous changement climatique.

37Enfin, la portée de tels résultats reste limitée, dans ce qu'ils ignorent la réponse au changement climatique de nombreux facteurs clés du système, pouvant modifier en retour l'impact du changement climatique sur l'hydrologie et la qualité de la Seine :

  •   La modification des débits affectera certainement la gestion des grands barrages réservoirs de la Seine, c'est à dire le volume et le timing des prélèvements et rejets aux cours d'eau qui alimentent ces ouvrages.

  • La température de l'eau devrait augmenter avec celle de l'air, ce qui peut modifier les processus biogéochimiques. Même si cet effet semble mineur par rapport à celui des changements hydrologiques (Jenkins et al., 1993), des études sont engagées pour en affiner la compréhension.

  •   L'augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique a des conséquences directes sur la transpiration des couverts végétaux. Cet effet fut testé dans les deux modèles CaB et MODCOU, mais il est du second ordre par rapport à celui du changement climatique (non publié).

  • D'une manière plus générale, l'agriculture continuera d'évoluer au cours des 50 prochaines années, en réponse au changement climatique, mais aussi selon sa propre dynamique socio-économique. Les modifications résultantes des cultures et des pratiques agricoles auront probablement des répercussions sur le fonctionnement hydrologique et biogéochimique de l'hydrosystème Seine, en modifiant notamment les bilans d'eau ainsi que le cycle de l'azote dans le sol et son lessivage vers les nappes (et donc les apports diffus au cours d'eau). Dans le cadre du projet GICC-Seine, nous avons développé des scénarios contrastés d'évolution du système agricole dans le bassin de la Seine à l'horizon 2050 (Poux et Olive, 2003), et leurs répercussions sur le fonctionnement de l'hydrosystème sont en cours d'évaluation, grâce au modèle agronomique STICS (Brisson et al., 1998).

  • Les aquifères répondront aussi au changement climatique par des modifications de concentration (en nitrates notamment) suite aux modifications de recharge et d'apport en nitrates depuis les sols agricoles. Ces aspects seront évalués grâce au modèle MODCOU couplé au modèle STICS (Gomez et al., 2002).

  • Enfin, démographie, urbanisation, industrialisation et techniques de traitement de l'eau évolueront à l'horizon du changement climatique simulé, ce qui devrait limiter les rejets ponctuels dans les cours d'eau, et atténuer la dégradation de la qualité causée par la baisse des débits.

38Tous ces aspects sont en cours d'étude dans le cadre du projet GICC-Seine. Il est important de noter que notre objectif n'est pas là de tendre vers une projection réaliste du devenir du bassin de la Seine. Tout au plus pourrons nous prétendre à terme avoir défini des possibles raisonnables.  Mais ce qui nous intéresse particulièrement à travers ces travaux, c'est de pouvoir cerner l'importance qualitative du changement climatique, en plaçant son impact en perspective de celui d'autres changements attendus dans le bassin.

Remerciements

39Ce  travail est financé par le programme Gestion et Impact du Changement Climatique du Ministère de l'Écologie et du Développement Durable (France). Nous remercions également Météo-France pour les données météorologiques actuelles mises à notre disposition (données SAFRAN 1970-1989 et données de stations sur 1994-1999).

Note bibliographique sur l'auteur principal

40Agnès Ducharne est diplômée de l'École Normale Supérieure de Paris et titulaire d'un Doctorat de l'Université Pierre et Marie Curie, consacré à l'influence de l'hydrologie continentale dans les modèles climatiques. Chargée de recherche au CNRS, elle est l'auteur d'une vingtaine de publications sur la modélisation hydrologique en relation avec le climat, et coordonne actuellement un projet de recherche visant à évaluer l'impact du changement climatique sur la Seine.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Topographie et réseau hydrographique du bassin de la Seine.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/3845/img-1.png
Fichier image/png, 29k
Titre Figure 2.  Comparaison des écoulements observés (valeurs journalières en noir) et simulés par CaB (moyennes décadaires en rouge) à Poses, en 1987-1988 (haut) et 1994-1999 (bas).
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URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/3845/img-3.png
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Titre Figure 3. Conceptualisation hydrogéologique du bassin de la Seine selon le modèle MODCOU.
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Titre Figure 4. Évolution comparée du débit de la Seine à Poses et de la piézométrie à Villeneuve (aquifère de la Craie).
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Titre Figure 5. Cycle annuel moyen des précipitations simulées par le modèle de circulation générale ARPEGE, à l'actuel (noir) et sous changement climatique : simulations OLD (vert), B2 (rouge) et A2 (bleu) .
Légende Les simulations de référence associées à OLD d'une part et B2 et A2 d'autre part sont différentes car réalisées avec les versions OLD et NEW d'ARPEGE. Les astérisques indiquent quand les  différences de moyenne mensuelle entre la simulation de changement climatique  et a simulation de référence sont statistiquement significatives. Les tiretés indiquent enfin les précipitations observées en moyenne sur le bassin et sur 1970-1989 (données Météo-France).
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Titre Figure 6.  Impact de trois scénarios de changement climatique sur les bilans d'eau simulés par le modèle CaB dans le bassin de la Seine. Les valeurs représentées sont des différences par rapport au climat actuel.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/3845/img-7.png
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Titre Figure 7. Impact des trois scénarios de changement climatique sur les débits calculés à Poses par le modèle hydrogéologique MODCOU.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/3845/img-8.png
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Titre Figure 8. Variations piézométriques moyennes de la nappe de la Craie calculées par MODCOU  sous le scénario B2.
URL http://journals.openedition.org/vertigo/docannexe/image/3845/img-9.png
Fichier image/png, 20k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Agnès Ducharne, Sylvain Théry , Pascal Viennot , Emmanuel Ledoux, Eric Gomez et Michel Déqué , « Influence du changement climatique sur l'hydrologie du bassin de la Seine », VertigO - la revue électronique en sciences de l'environnement [En ligne], Volume 4 Numéro 3 | décembre 2003, mis en ligne le 15 décembre 2003, consulté le 15 décembre 2017. URL : http://journals.openedition.org/vertigo/3845 ; DOI : 10.4000/vertigo.3845

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Auteurs

Agnès Ducharne

Laboratoire CNRS Sisyphe, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France  UMR Sisyphe, Université Pierre et Marie Curie, Case 123, 4 place Jussieu, 75252 Paris cedex 05, France, Tel : +33.1.44.27.51.27, Fax: +33.1.44.27.45.88 ducharne@ccr.jussieu.fr  

Sylvain Théry

Laboratoire CNRS Sisyphe, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France

Pascal Viennot

Laboratoire CNRS Sisyphe, École des Mines de Paris, Fontainebleau, France

Emmanuel Ledoux

Laboratoire CNRS Sisyphe, École des Mines de Paris, Fontainebleau, France

Eric Gomez

Laboratoire CNRS Sisyphe, École des Mines de Paris, Fontainebleau, France

Michel Déqué

CNRM, Météo-France, Toulouse, France

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