Analyse des données de gravimétrie spatiales GRACE et de leur potentiel pour l’observation des différents stocks d’eau sur le bassin de la Garonne Présenté par Moussa Mballo Sous la supervision de Sylvain Biancamaria Stage de Master 2R H2SE

2 Sommaire 1. Introduction et contexte de l’étude 1.1. Le projet REGARD 1.2. Présentation du bassin de la Garonne 2.1. La méthodologie 2.2. Les données de gravimétrie GRACE 2.3. Les sorties des modèles hydrologiques SIM et SWAT 3.1. GRACE vs SIM vs SWAT (avec et sans cycle saisonnier) 3.1. SIM vs SWAT 3.3. Bilan hydrologique (d(TWS)/dt de GRACE vs P-E-Q des modèles) Conclusion et Perspectives 2. Méthodes et présentation des données 3. Présentation des résultats de la comparaison

Objectif: utilisation télédétection, modélisation hydrologique, données in-situ, informations sur l’activité humaine pour fournir une vision cohérente et spatialisée des ressources en eau de la Garonne et de leur variabilité ( ) Partenaires : BRGM, CACG, CERFACS, CESBIO, CNRM-GAME, ECOLAB, IMFT/IMT, INRA/AGIR, LEGOS But du stage : d’évaluer l’apport des données GRACE pour l’estimation du stock d’eau de la Garonne, mais aussi d’identifier les principaux réservoirs hydrologiques responsables de ces variations 3 1.Contexte de l’étude 1.1. Le projet REGARD REGARD = Ressources en Eau sur le bassin de la GARonne : interaction entre les composantes naturelles et anthropiques et apport de la téléDétection Financement RTRA-STAE, début 2014 période 3 ans

4 1.Contexte de l’étude Aire ~ km2, Régime nivo-pluvial Exutoire: Tonneins débit Annuel 600m3/s Etiage Juil-Oct Hautes eaux Jan-Mars Pluviométrie contrastée: ~ mm/an au centre; ~1400 mm/an à proximité de l’océan Ressource en eau: aquifères superficiels-alluvions des grands cours d’eau, aquifères profonds- bassin Aquitain 1.2. Le bassin de la Garonne

2.2. Le satellite GRACE ( 2. Méthode et présentation des données 5 GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) : mission NASA/DLR ->mesure du champs de gravité terrestre et ses variations temporelles -> permet d’accéder à la variation d’eau total (∆TWS) -> série mensuelle sous forme de grille (1°x1°) Résolution spatiale ~300km Garonne ~ 14 pixels GRACE Période Avril 2002-Août 2015 Facteur d’échelle (constant en temps)

6 Moyenne des solutions des trois centres CSR, JPL, GFZ Beaucoup de données manquantes après Le satellite GRACE 2. Méthode et présentation des données

Les modèles SIM et SWAT Les paramètres de forçage identiques (données SAFRAN) 2. Méthode et présentation des données SIM : chaine hydrométéorologique (Météo-France) Estimation flux d’eau et d’énergie à la surface du sol, flux d’eau dans le sol, évolution des débits et nappes SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Modèle conceptuel, semi-distribution, à base physique permettant l’analyse des données hydrologiques et agronomiques

Les modèles SIM et SWAT Réservoirs SIM: eau dans le sol (~10m), la neige, eau dans les rivières, eau interceptée par la végétation  pas d’aquifère, ni d’irrigation ou de retenues Réservoirs SWAT: eau dans le sol, la neige, rivières, aquifère superficielle, aquifère profond, eau contenue dans la biomasse  pas d’irrigation, ni de retenues 2. Méthode et présentation des données

Les modèles SIM et SWAT Pour comparer aux données GRACE :  Suppression de la moyenne temporelle de la série totale de chaque modèle  Pour SIM : 2,15e10 m3  Pour SWAT : 1,63e11 m3 2. Méthode et présentation des données Illustration du réseau fluvial de la Garonne

GRACE, SIM et SWAT (avec cycle annuel) Bon phasage des trois séries, corrélation SIM-GRACE=0,90 SWAT-GRACE= 0,92 Cycle annuel similaire: faible stock en 2012 puis hausse du volume en 2013 pour les trois jeux de données Pics de SIM en avance sur GRACE et ces étiages plus importants que ceux SWAT sauf les étés de 2011 et Résultats de la comparaison

GRACE, SIM et SWAT (climatologie moyenne) Les années moyennes similaires GRACE décalé d’un mois par rapport aux modèles 3. Résultats de la comparaison

GRACE, SIM et SWAT (suppression du cycle saisonnier) Baisse de la corrélation SIM-GRACE=0,73 SWAT-GRACE=0,85 Différences dues:  résolution grossière de GRACE, post-traitement des trois centres  Erreurs des modèles : pas de retenues (barrages), pas d’irrigation et/ou paramètres de forçages Variabilité interannuelle très cohérente entre Jan.2006 et Dec Résultats de la comparaison

SIM vs SWAT (volume brut) SIM:  Réservoir sol ~95% du total,  Sa variation saisonnier très marqué SWAT:  Aquifère profond~64% du total,  Volume quasi constant dans le temps Volume total SWAT très grand devant SIM 3. Résultats de la comparaison

SIM vs SWAT (suppression moyenne temporelle) SIM: Fluctuations du réservoir sol ~ signal GRACE SWAT: Signal GRACE ~ aux réservoirs sol + aquifère superficiel 3. Résultats de la comparaison

SIM vs SWAT (Année moyenne ou cycle saisonnier) ∆TWS GRACE dû à l’eau dans le sol et l’aquifère connecté Eau dans le solAquifère superficiel 3. Résultats de la comparaison

Bilan hydro(∆TWS vs P-E-Q) Dérivée de GRACE approchée par une méthode de différence finie (formule centrée) SIM: (P-E-Q) par pixel ISBA SWAT: (P-E-Q) par pixel HRU Transformé en séries mensuelles à l’échelle du bassin P : Précipitations (pluies + neige) E: Evapotranspiration Q: Runoff 3. Résultats de la comparaison

Bilan hydro(d(TWS)/dt vs P-E-Q) Baisse TWS en 2012, puis hausse en 2013  variations des précipitations 3. Résultats de la comparaison

Bilan hydro(d(TWS)/dt vs P-E-Q) Faible evapotr. et runoff  d(TWS)/dt ~ Precip. 3. Résultats de la comparaison

Conclusion et perspectives Le signal GRACE a bien une sens physique sur un petit bassin comme la Garonne La variation du stock d’eau ∆(TWS) GRACE cohérente avec les sorties de SIM et SWAT (corrélation supérieure à 0,9 Variabilité inter annuelle moins bonne (corrélation de 0,72 environ) ∆(TWS) GRACE ~~ évolution réservoir sol de SIM, {réservoir sol + aquifère superficielle} de SWAT Fluctuations de ces réservoirs  variabilités des précipitations 19 Conclusion

Conclusion et perspectives Nappes profondes peu variable  faible impact sur GRACE Différences entre GRACE et modèles due approximations de GRACE, erreurs des modèles, incertitudes des forçages (même si les données SAFRAN sont relativement fiable à l’échelle de la France) Différences entre SIM et SWAT liées au formalisme différents des deux modèles, 20 Conclusion

Conclusion et perspectives Améliorer le post-traitement des produits GRACE (exemple utilisation des produits du LEGOS) Utiliser les sorties de MARTHE (BRGM) pour voir la contribution des eaux souterraines au signal GRACE Etudier d’autres bassins français comme la Seine (énorme fluctuations nappe) La mission GRACE Follow-On (lancement en 2017) fournira certainement des données plus précis et fiable 21 Perspectives

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24 Comparaison GRACE et eau dans le sol des modèles SIM-SWAT

25 Comparaison des données de forçage Neige

26 Séries temporelles des trois centres

27 GRACE – Débit banque hydro Débit banque hydro (m3/s) ->volume mensuel Corrélation de 60%