Trois modèles hydrologiques proposent des variables liées au bilan d’eau et décrivant l’état hydrologique de la surface : les modèles GRSD, ORCHIDEE, SIM2

Plusieurs de ces variables hydrologiques de surface sont mises à disposition sur le portail DRIAS. En plus des variables atmosphériques telles que les précipitations ou les températures, ces variables sont indispensables pour étudier les futurs du cycle de l'eau.

Variables de surface du modèle GRSD

Retrouvez la description du modèle GRSD ici

Le modèle GRSD propose 9 variables de surface :

- Les précipitations solides (Psol, en mm.j-1) : C’est la quantité de précipitations parmi les précipitations totales fournies par les projections climatiques qui tombent sous forme solide (i.e. de la neige). Les précipitations sont considérées comme de la neige lorsque la température moyenne journalière est inférieure à -1°C, ou comme de la pluie si cette température est supérieure à +3°C. Entre ces deux températures, une fonction linéaire est appliquée afin de déterminer les proportions de neige et de pluie.

- Les précipitations liquides (Pliq, en mm.j-1) : C’est la quantité de précipitations parmi les précipitations totales fournies par les projections climatiques qui tombent sous forme liquide (pluie). Pliq = Ptot – Psol

- La lame de fonte de neige (SMD, en m3.s-1) : C’est la quantité d’eau qui fond à partir du manteau neigeux, pour chaque jour

- L’équivalent en eau du manteau neigeux (SWE, en mm) : C’est le stock d’eau présent sous forme de manteau neigeux, converti en équivalent en eau (i.e. quantité d’eau qu’il y aurait si tout fondait)

- La fraction de la maille couverte par le manteau neigeux (SCF, pas d’unité) : C’est la fraction de la zone considérée couverte par le manteau neigeux dans le modèle

- Le volume d’eau contenu dans le sol (SWM, en mm) : C’est la quantité d’eau par m2 accumulée dans le réservoir de production du modèle GRSD (voir Figure 1)

- L’indice d’humidité du sol (SWI, pas d’unité) : C’est le ratio entre la quantité d’eau et de la capacité de stockage du réservoir de production (voir Figure 1). Cette variable n’est pas directement comparable au SWI calculé dans les modèles SIM2 ou ORCHIDEE à partir des propriétés agronomiques de la végétation représentée (capacité au champ, point de flétrissement) : en effet, ici la valeur ne peut pas dépasser 1 ; même si la dynamique est très similaire

- L’évapotranspiration réelle (AE, en mm.j-1) : C’est la quantité d’eau évapotranspirée dans le modèle. Elle est calculée en fonction de la lame d’eau entrante, du niveau d’eau dans le réservoir de production, et de la valeur d’évapotranspiration de référence (donnée d’entrée)

- Le volume d’eau stocké dans les réservoirs souterrains par mètre carré (UWS, en mm) correspond à la somme des volumes d’eau des réservoirs de production et de routage (voir Figure 1).

Figure 1 : Schéma de fonctionnement du modèle GR4J (source : (PERRIN et al., 2003)).

Maille de calcul du modèle GRSD et échelle spatiale des variables fournies :

Le modèle GRSD est un modèle hydrologique semi-distribué, c’est-à-dire que les calculs sont effectués à l’échelle du sous-bassin versant. Cela signifie que l’espace est découpé grâce à la localisation de points de calculs situés sur les rivières. Pour chaque point de calcul, on détermine, grâce à la topographie et l’utilisation d’un modèle numérique de terrain (MNT), la zone amont alimentant ce point de la rivière, à laquelle on retire la zone amont d’un autre point de rivière situé en amont s’il en existe un. Un modèle GR4J est alors appliqué sur chacune de ces zones, et le débit simulé en amont est acheminé jusqu’au point de calcul suivant grâce à une fonction retard.

Concrètement, sur la Figure 2, trois modèles GR4J sont appliqués, à savoir sur les bassins versants amonts 1 et 2, et sur le bassin versant intermédiaire. Les débits des deux bassins versants amont sont retardés jusqu’à la zone aval et additionnés au débit simulé sur la zone du bassin versant intermédiaire.

Les variables fournies correspondent à l’agrégation sur l’ensemble du bassin versant des variables de tous les bassins versants intermédiaires le composant, au pro rata de chaque BVI. Ainsi, ces variables sont cohérentes avec les débits fournis, qui eux aussi considèrent l’ensemble du bassin versant pour être calculés. Concrètement, sur la Figure 2, les variables des bassins versants amonts 1 et 2 correspondent aux variables des modèles GR4J appliqués sur ces mêmes zones. En revanche, les variables fournies pour le point de calcul situé à l’exutoire du bassin versant intermédiaire correspondent à la moyenne pondérée des variables des deux bassins versants amonts et du bassin versant intermédiaire.

Figure 2  : Découpage des bassins versants dans GRSD

Variables de surface du modèle ORCHIDEE et SIM2

Retrouvez la description du modèle ORCHIDEE ici  et  celle du modèle SIM2 ici

ORCHIDEE et SIM2 proposent 5 variables de surface :

Quatre variables à l'interface sol-atmosphère :

- le drainage cumulé (DRIANC) : C'est la quantité d'eau qui s'écoule à la base du sol superficiel vers une couche non-saturée, c’est une source d’alimentation des nappes aquifères.

- le ruissellement cumulé (RUNOFFC) : C'est la quantité d'eau, au cours d'une précipitation, qui ne s'infiltre pas dans le sol, mais qui s'écoule à la surface, alimentant les cours d'eau et pouvant également provoquer des inondations.

- l'évapotranspiration réelle cumulée (EVAPC) : C'est la quantité d'eau restituée à l'atmosphère par le sol et les plantes en raison des processus d'évaporation (du sol nu et de l'eau interceptée par la végétation) et de transpiration des plantes.

- l'indice d'humidité du sol (SWI) : Cet indice permet de caractériser la quantité d'eau présente dans le sol superficiel (couche racinaire), et disponible pour la végétation.

Une variable liée au manteau neigeux :

- l'équivalent en eau du manteau neigeux (SWE) : Il représente la masse totale de neige par unité de surface, et représente donc le stock d’eau potentiellement disponible au moment de la fonte. Il est utile notamment sur les reliefs des Alpes et des Pyrénées, car il joue un rôle majeur dans l'hydrologie des bassins de montagne, avec un étiage marqué en hiver en raison du stockage des précipitations sous la forme de neige, et des débits forts en fin de printemps-début d'été à cause de la fonte.

Maille de calcul des modèles ORCHIDEE et SIM2 et échelle spatiale des variables fournies :

Les données sont produites sur une grille régulière de 8 km de côté, elles sont disponibles au pas de temps quotidien et exprimées en millimètres équivalent en eau, excepté l'indice d'humidité du sol qui est adimensionnel.

=> Retrouver les indicateurs calculés à partir de ces variables dans l'article suivant : Indicateurs hydro.