La ressource en eau est considérée comme un enjeu majeur du siècle à venir, en particulier dans le contexte du changement climatique et de la pression démographique. Elle est directement liée au cycle continental de l’eau, dont les processus sont principalement étudiés à grande échelle par des modèles hydrologiques tels que ISBA-CTRIP développé au CNRM. Les impacts anthropiques sur les ressources en eau, et notamment les effets des barrages-réservoirs sur les écoulements dans le réseau hydrographique, sont encore mal connus et sont généralement négligés ou fortement simplifiés dans ces modèles.
Un modèle de réservoir paramétré, appelé DROP (Dam-Reservoir OPeration model), a été développé dans cette thèse pour calculer les lâchers hebdomadaires en tenant compte des débits entrants, des demandes en eau et de l'objectif de gestion. L'Espagne a été choisie comme zone d'étude, en raison de sa position stratégique dans la production agricole en Europe et dont les bassins fluviaux sont fortement anthropisés. La simulation des lâchers de barrages et des variations de stockage d'eau dans leurs réservoirs a été comparée aux observations in-situ sur l'ensemble de la période 1979-2014. Les résultats ont révélé la contribution positive du modèle à la représentation du cycle saisonnier de la variation du débit et du stockage d'eau, en particulier pour les réservoirs d'irrigation à grande capacité de stockage pour lesquels le modèle arrive à reproduire le déphasage saisonnier causé par les règles de gestion de l’irrigation.
Le modèle DROP a été ultérieurement implémenté dans le modèle de routage global CTRIP et une évaluation régionale a été réalisée sur les débits des rivières des bassins de la péninsule ibérique pour la même période 1979-2014. Une amélioration significative des scores statistiques a été constatée pour 80% des 1,024 stations de mesure évaluées.
Afin de permettre une application globale du modèle de réservoir, une analyse de sensibilité exhaustive a été menée pour identifier les paramètres les plus influents en utilisant la méthode de Sobol. Les résultats révèlent les paramètres essentiels à retenir selon les caractéristiques du réservoir et la variable de sortie d'intérêt (lâchers, volumes de stockage).
Par ailleurs, la mission spatiale SWOT, dont le lancement a eu lieu le 16/12/2022, fournira pour la première fois des cartes d’élévation de la surface de l’eau sur la quasi-totalité des rivières, lacs et réservoirs du globe. Ces précieuses données à haute résolution permettront de caractériser la dynamique des barrages-réservoirs, à travers leur courbe de remplissage, ainsi que d’améliorer la paramétrisation des modèles globaux de routage en rivière comme CTRIP.
La contribution potentielle des données SWOT dans la calibration du modèle DROP sur l'Espagne a été évaluée sur la base d'estimations des volumes des réservoirs dérivés d'observations de hauteur et de surface d'eau telles que vues par SWOT. Des tests de sensibilité ont été effectués sur plusieurs types d'erreurs de mesure et la calibration a montré une plus grande sensibilité aux erreurs aléatoires. Néanmoins, la caractérisation des paramètres du modèle se rapproche assez fidèlement des résultats obtenus avec les observations in-situ, avec une plus grande précision et convergence dans le cas des réservoirs d'irrigation à grande capacité relative.
En définitive, l'intégration de ce modèle de réservoir dans les modèles de routage en rivière couplés aux modèles de surface, eux-mêmes intégrés dans des modèles de climat et de système Terre constitue une avancée majeure dans la compréhension du cycle hydrologique en climat passé et permettra une représentation plus réaliste des scénarios futurs sous changement climatique. |
The prediction of the evolution of water resources is considered to be a major challenge for the coming century, particularly in the context of climate change and increasing demographic pressure. Water resources are directly linked to the continental water cycle, which is mainly studied on a large scale by hydrological models such as the ISBA-CTRIP developed at CNRM. However, anthropogenic impacts on water resources, and in particular the effects of dams-reservoirs on river flows, are still poorly known and generally neglected or represented using very simplifying assumptions in these models.
A parameterized dam-reservoir model, called DROP (Dam-Reservoir OPeration model), has been developed in this thesis in order to simulate weekly releases given inflows, water demands and the management objective. Spain was chosen as the study area given the country’s importance for agricultural production in Europe and the prevalence of highly anthropized river basins. Simulated outflows and water storage variations are evaluated against in situ observations over the period 1979–2014. The results reveal the positive contribution of the model in representing the seasonal cycle of discharge and storage variation, especially for large-storage capacity irrigation reservoirs, as the model reproduces the seasonal shift between inflows and outflows caused by irrigation management rules with reasonable accuracy.
The DROP model was subsequently implemented in the global routing model CTRIP and a regional evaluation was performed on river flows over the Iberian Peninsula basins for the same period 1979-2014. A significant improvement in statistical scores is reported for 80% of the 1,024 assessed gauge stations.
For a global application of the reservoir model, an exhaustive sensitivity analysis was conducted to identify the most influential parameters in reproducing water flows and volumes by using the Sobol method. The results reveal the parameters that need to be focused on depending on reservoir characteristics and the output variable of interest (outflows, storage volumes).
In addition, the SWOT space mission, launched on 16/12/2022, will provide maps of water surface elevation over continents for the first time. This high resolution spatial data will provide a characterisation of dam-reservoir dynamics, through their filling curves, as well as an improved parameterization of global river routing models such as CTRIP.
The potential contribution of SWOT data in the calibration of the DROP model over Spain was evaluated based on a developed approach estimating volume products from water height and surface SWOT observations. Sensitivity tests were performed on several types of measurement errors and the calibration showed higher sensitivity to random errors. Nevertheless, the characterization of the model parameters was fairly close to results obtained with in-situ observations, with greater accuracy and convergence in the case of large relative capacity irrigation reservoirs.
Overall, integrating this reservoir model into LSM-RRMs, which are in turn coupled to climate and Earth-system models, will provide a major advance in understanding past climate reanalysis and will enable a more realistic representation of future scenarios under climate change. |