Hydrologie de montagne

Experts de la modélisation des processus hydrologiques, des scientifiques du centre Irstea d’Antony développent des modèles adaptés aux régions de montagne. Leur but : mieux prendre en compte l’influence de la neige pour améliorer la prévision des débits des rivières de ces régions, et notamment des crues.

Dans certaines régions françaises, comme les Alpes, les Pyrénées ou le Massif Central, les débits des rivières sont soumis à l’influence du manteau neigeux. Accumulée l’hiver, la neige entraîne une forte hausse des débits lors de la fonte printanière qui peut provoquer crues et inondations. Intégrer la neige dans les modèles hydrologiques est donc crucial pour simuler fidèlement les débits des cours d‘eau de ces régions et ainsi mieux les prévoir.

C’est dans ce but qu’en 2010, un modèle permettant de transformer les chutes de neige en fonte du manteau neigeux a été développé à Irstea1. Son fonctionnement repose sur des données faciles d’accès (précipitations et températures) et le calcul de seulement deux paramètres : la vitesse de fonte de la neige en fonction de la température (plus il fait chaud, plus elle fond vite) et l’énergie disponible dans le manteau neigeux (plus la neige est froide, plus il faut d’énergie, donc de chaleur, pour la faire fondre).

Couplé aux modèles hydrologiques classiques qui transforment les pluies en débits dans les cours d’eau, ce modèle - nommé CemaNeige - a permis de fournir un outil efficace, spécifiquement adapté aux régions impactées par la neige. « Particulièrement fiable, simple et flexible, ce module est rapidement devenu opérationnel, puisqu’il a été intégré à nos modèles hydrologiques GRP utilisés en routine par les services de prévision des crues (SPC) qui élaborent les cartes d’alerte Vigicrues », précise Guillaume Thirel, spécialiste en hydrologie au centre Irstea d’Antony.

Une version améliorée de CemaNeige

Un outil efficace mais présentant néanmoins des limites que les scientifiques viennent de repousser2. La première version de CemaNeige repose sur une estimation de l’enneigement qui n’est pas comparée à des données réelles ; de fait, elle peut ne pas représenter précisément les quantités de neige présentes sur le bassin versant3. D’où l’idée des scientifiques d’utiliser les données satellitaires MODIS qui fournissent des images quotidiennes de l’état du couvert neigeux sur des carrés de 500 mètres de coté. « En comparant à la fois les débits calculés par le modèle aux débits réels (relevés dans les cours d’eau) et les couverts neigeux simulés par CemaNeige à ceux issus des images satellites, nous avons pu améliorer la qualité de la représentation de la neige dans notre modèle, et ainsi le rendre plus fidèle à la réalité », explique le chercheur. Un travail qui a nécessité l’intégration d’une autre composante : la variabilité de la vitesse de fonte de la neige dans le bassin versant. « Si la neige tombe assez uniformément sur le bassin versant, la fonte est en revanche plus hétérogène ; plus rapide sur les versants sud par exemple. Pour améliorer notre modèle, nous avons donc dû intégrer la relation mathématique qui existe entre la vitesse de fonte et la proportion de la surface enneigée du bassin versant », complète Guillaume Thirel.

Garantissant désormais une meilleure prise en compte de la neige dans les modèles, les résultats de ces travaux vont rapidement devenir opérationnels. Les améliorations de CemaNeige devraient en effet être intégrées, d’ici fin 2018, aux modèles de prévision des crues d’ores et déjà utilisés par les SPC dans les régions impactées par la neige.

Mais ces travaux ont abouti à un autre résultat marquant : testée sur des séries de précipitations et de températures relevées dans le passé, la nouvelle version de CemaNeige s’avère fournir des valeurs de débits plus fidèles aux débits réels mesurés sur la même période passée. Une preuve de fiabilité du plus grand intérêt ; elle permet en effet de garantir la pertinence du modèle pour étudier l’impact du changement climatique sur les débits des rivières des régions de montagne. Et, au-delà, sur la disponibilité de la ressource en eau et la survenue des crues (période, intensité), deux enjeux cruciaux pour l’avenir de ces régions.

Irstea à la conférence de l’EGU 2018

Du 8 au 13 avril, lors de son assemblée générale annuelle, l’Union européenne des géosciences (EGU) rassemblera à Vienne en Autriche quelque 15 000 chercheurs du monde entier spécialistes de l’hydrologie. Irstea ne manquera pas à l’appel. Pour cette nouvelle édition, une session organisée par Guillaume Thirel sera dédiée à l’hydrologie de montagne. Y seront présentées les dernières avancées internationales en termes d’observation et de modélisation de la neige pour l’hydrologie des bassins versants.

En savoir plus

1- Travaux réalisés dans le cadre de la thèse d’Audrey Valéry (2010).
2- Travaux réalisés dans le cadre de la thèse de Philippe Riboust (2018), codirigée par Guillaume Thirel (Irstea), et Nicolas Le Moine et Pierre Ribstein (UPMC).
3- Un bassin versant est un territoire délimité par les lignes de relief les plus hautes et qui draine chaque goutte d’eau qu’il reçoit vers un exutoire, un cours d'eau ou la mer.