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Changement climatique : anticiper les risques hydrologiques

Publié le 27/05/2015

© P. Ansart

« La hausse de température ne doit pas dépasser 2°C d’ici 2100 si l’on ne veut pas faire naufrage … » : c’est ainsi que les médias résumaient les conclusions du GIEC en 2007 peu après la publication des différents scénarii d’évolution du climat. Dans son rapport publié en 2014, le groupement scientifique confirme son diagnostic de hausse des températures. En comparaison, les tendances hydrologiques à venir sont beaucoup moins certaines. Comment les débits des cours d’eau peuvent-ils évoluer avec le changement climatique ? Quelle sera la fréquence des évènements extrêmes tels que les crues et les étiages forts ? Comment y faire face ?

À Irstea, nos projections se heurtent à une difficulté de taille : le manque de données observées sur le long terme. La plupart des stations hydrométéorologiques disposent de données enregistrées depuis au mieux une cinquantaine d’années, ce qui est insuffisant pour bien caractériser les évènements extrêmes. Seule la modélisation basée sur des outils numériques et statistiques puissants et complétée par des expérimentations en laboratoire permet de réaliser ces projections. Irstea s’est engagé dans plusieurs programmes de recherches visant à mieux prévoir les événements hydrologiques extrêmes, notamment dans un contexte de changement climatique. Les services de l’Etat utilisent nos travaux pour établir des plans de protection ou de gestion du territoire. Avec en ligne de mire, le souci d’anticiper les impacts à l’échelle des bassins versants et élaborer des stratégies d’adaptation optimales.

Crues extrêmes : les chercheurs en quête de données  

En bord de rivière soumise à de forts régimes de crue, une centrale nucléaire doit être protégée par des digues, qui doivent résister à des niveaux et des vitesses de crue extrêmes. La gestion d’une ville riveraine dépend elle aussi de ces informations. Informations d’autant plus cruciales dans un contexte évolutif incertain lié au changement climatique.

Les scientifiques ne disposent pas ou peu de données observées sur les crues extrêmes, qui ont une chance sur mille (millénale), de se produire. Cela limite les possibilités de modélisation. Afin de pallier ce manque et répondre aux besoins concrets des aménageurs, Irstea étudie ces phénomènes sur une maquette de rivière et constitue des séries de données expérimentales. C’est le cas par exemple avec le projet ANR FlowRes, initié en janvier 2015. Une moquette plastifiée avec des poils de 5 mm de haut en guise de prairie, des rangées de tiges en bois de 1 cm de diamètre pour reproduire les arbres, et bientôt, des cubes en plexiglass de 10 cm de côté qui feront office de maisons ; le tout installé sur une plateforme de 18 m de long et 3 m de large, avec en son centre, un canal d’eau… bienvenue au laboratoire d’hydrologie et d’hydromorphologie du centre Irstea de Lyon-Villeurbanne où l’on explore notamment les effets de résistance à l’écoulement d’une rivière lors d’une crue extrême.

Cette maquette est une reproduction de rivière permettant de mesurer les effets de son débordement sur les plaines d’inondation. Dans le cadre du projet FlowRes, elle sert à étudier la résistance à l'écoulement de différents types d’occupation du sol : prairies, arbres ou maisons.

En faisant varier l’occupation du sol parallèlement aux berges, dans le sens longitudinal, et en s’éloignant des berges dans le sens latéral, les chercheurs mesurent des résistances différentes qui aboutissent à des degrés d’inondation divers. Ils prennent également en compte la variation de résistance dans le sens vertical : les flots d’une crue réagissent différemment lorsqu’ils butent contre une maison émergée ou immergée… Cas ultime, une situation où la résistance varie dans ces trois référentiels simultanément. «Notre travail consiste à mesurer la hauteur et la vitesse de l’eau dans chaque situation avec une large gamme de débits. Ces débits correspondent à des crues fréquentes, peu fréquentes, et rares – dites extrêmes-», explique Sébastien Proust, spécialiste en hydrodynamique fluviale à Irstea et coordinateur du projet FlowRes qui réunit neuf partenaires pendant quatre ans. 

Dans un deuxième temps, l’équipe du projet tentera de lever les incertitudes sur la fiabilité des modèles numériques en les confrontant aux données expérimentales, obtenues en laboratoire sur la maquette de rivière, puis aux données de terrain, relevées à Besançon où la bathymétrie du lit mineur et la topographie du lit majeur sont bien connues.

Étiages : s’adapter au changement climatique dans le bassin de la Seine

Autre phénomène hydrologique fort, dont l’intensité risque d’augmenter avec le changement climatique, les étiages, qui correspondant à de faibles niveaux d’eau dans les rivières. A ce titre, Irstea a travaillé sur les stratégies d’adaptation et de gestion du bassin de la Seine (projet Climaware).

Portant sur différentes régions européennes, le projet de recherche ClimAware s’est focalisé en France sur l'hydrologie du bassin versant de la Seine à l'horizon 2050. Premier constat : "<On peut s’attendre à des baisses des débits d’étiages de l’ordre de 30 à 40 %, et des périodes d’étiages (été et automne) qui s’allongent", explique David Dorchies, ingénieur en hydraulique au centre Irstea de Montpellier et responsable du volet français de l’étude. Sur les 25 stations de mesures de débits réparties le long de la Seine et de ses affluents, on projette une baisse de l’étiage dépassant 25% pour la grande majorité des simulations. Un résultat peu rassurant pour la qualité de l’eau qui sera beaucoup plus sensible à la pollution et qui pourrait avoir des répercussions sur les usages notamment l’alimentation en eau potable de la région parisienne. Les quatre lacs-réservoirs construits entre 1950 et 1990 pour réguler le débit, notamment pour soutenir les étiages, suffiront-ils à pallier ce déficit ?

Afin d’optimiser les règles de gestion des réservoirs avec un climat en évolution, Irstea a testé deux approches : la première a consisté à proposer une adaptation des courbes saisonnières de remplissage des réservoirs de manière à limiter les risques de défaillances à l’aval des ouvrages. La seconde se base sur une gestion centralisée en temps réel des réservoirs, de manière à s’adapter au fur et à mesure à l’évolution de la situation hydrologique, compte tenu des prévisions de précipitations à venir.

« Ces deux approches permettent une sensible amélioration de la gestion des étiages et des crues de la Seine, précise David Dorchies. Cependant, avec les infrastructures actuelles, cette amélioration pourrait être insuffisante pour garantir des débits d’étiage minimum». En conséquence, l’EPTB Seine Grands Lacs, établissement public territorial de bassin dont la mission est de gérer les étiages et les risques d’inondations de la Seine, prévoit de développer en partenariat avec les acteurs du bassin un programme d’actions en amont de Paris. Il s’agira notamment de proposer une gestion innovante et collaborative des étiages. D’autres solutions techniques, dont la recharge artificielle des nappes, sont à l’étude.

Cet exemple illustre comment nous pouvons œuvrer contre les effets négatifs du changement climatique. «Nous avons les moyens de limiter les changements climatiques. Il existe de nombreuses solutions qui permettent un développement économique et humain continu. Nous n’avons besoin que de la volonté d’évoluer, qui, nous l’espérons, sera motivée par la connaissance et par la compréhension de la science des changements climatiques», concluait M.R.K. Pachauri, ancien président du GIEC, dans le rapport publié en 2014.

Explore 2070 : cartographier le devenir de l’aléa hydrologique

Entre 2010 et 2012, une large étude orchestrée par le Ministère en charge de l’écologie a mobilisé les hydrologues français et permis de construire une carte de l’évolution de l’eau superficielle et souterraine avec le changement climatique. L’équipe d’Irstea était impliquée dans le volet concernant l’eau de surface, en partenariat avec la société d’ingénierie BRLIngénierie et Météo-France. Son objectif : simuler les évolutions du débit moyen, de l’étiage et des crues de l’ensemble des cours d’eau français à l’horizon 2070.

En se basant sur une évolution modérée du climat, l’équipe d’Irstea a pu quantifier les évolutions des débits aux exutoires de 1522 bassins versants français. En voici les principaux résultats, commentés par le responsable projet, Charles Perrin, hydrologue au centre Irstea d’Antony.

  • « Pour le débit moyen annuel, les résultats des différents modèles s’accordent sur une diminution générale sur les cours d’eau français. Elle pourrait atteindre 40% dans les régions Seine-Normandie et Adour-Garonne ;
  • Pour les débits d’étiage, la baisse est encore plus marquée avec des pics à moins 70% ; sur la Garonne par exemple, la baisse pourrait atteindre 50% ce qui risque d’exacerber les tensions autour de l’usage de l’eau ;
  • Pour les débits de crues, nos résultats présentent des évolutions hétérogènes et globalement moins marquées ».

Cette étude prospective s’appuie sur des hypothèses, à commencer par le choix du scénario A1B comme scénario d’évolution climatique. En 2007, ce scénario élaboré par le GIEC était considéré « médian », c’est-à-dire ni trop optimiste ni trop pessimiste quant à l’évolution de la situation météorologique (cas de figure où les énergies renouvelables se développent partiellement, les émissions de gaz à effet de serre sont en parties maîtrisées, la démographie aussi, etc.). C’est pourquoi la plupart des études scientifiques l’utilisaient comme hypothèse d’évolution probable. Cependant, les évolutions rapportées dans le dernier rapport du GIEC, en 2014, placent désormais A1B parmi les scénarios optimistes …. « Si les derniers développements tendent à modérer l’optimisme de cette hypothèse, l’étude Explore 2070 n’en reste pas moins une base de travail essentielle, qui a permis de lancer la réflexion sur un large éventail de stratégies d’adaptation », souligne Charles Perrin.

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Charles Perrin