Thème de Recherche arceau
Démarche et construction scientifique
Yüklə 287,81 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Axe 1 : Comprendre, décrire formaliser
- Mesurer les flux au sein des bassins versants
- Etude des processus hydrologiques dominants
- Hydrodynamique des cours deau
- Méthodes dextrapolation et de changement déchelle
Démarche et construction scientifique
Le fonctionnement hydro-bio-géo-chimique des bassins versants fait intervenir nombre de processus pour lesquels certaines connaissances restent encore à acquérir, en particulier pour mieux quantifier les flux d’eau et de matière dans des bassins versants hétérogènes et en évolution (McDonnell et al., 2007). Approfondir les connaissances sur les processus sous-jacents permettra de les hiérarchiser et de proposer des formalisations adaptées en fonction des conditions hydro-climatiques et des échelles spatiales et temporelles visées (Zehe et al., 2006). Les travaux continueront à s’appuyer sur le triptyque mesures en laboratoire, observations in situ, notamment via les observatoires de long terme, et modélisation (Kirchner, 2006). Au cours de la période 2014-2018, nous projetons d'aborder quatre volets (i) la mesure des processus encore mal connus via le développement et/ou l’évaluation de méthodes de mesures innovantes (ii) l’analyse des données collectées pour la compréhension des processus hydrologiques et leur hiérarchisation (iii) l’hydrodynamique des cours d’eau et les processus associés et (iii) la description et/ou la régionalisation de l’ensemble de ces processus via des modélisations adaptées à différentes échelles d’espace et de temps. On s’intéressera d’une part à quantifier les flux d'eau, à la variabilité de la pluie, aux processus de ruissellement en milieux agricole et périurbain, à la dynamique des crues et des inondations ainsi qu'aux flux d’eau à l’interface sol-végétation-atmosphère. Pour les flux de matière, nous chercherons à mieux comprendre et modéliser les transferts de nitrates et de pesticides dans divers éléments du paysage, les flux de matière en suspension (MES) et de polluants associés dans le réseau hydrographique, les interactions flux sédimentaire/végétation/formes fluviales, notamment les flux de MES et la dynamique de la charge de fond en rivière et leurs incidences sur l’évolution morphologique de la rivière. On s’attachera dans cet axe à renforcer le lien entre les travaux menés sur les aspects quantitatifs et ceux s’intéressant au transport de matière et de substances associées. Pour cela, on travaillera à la modélisation de processus couplés à différentes échelles spatiales et temporelles (de quelques km2 à quelques milliers de km2, de l’épisode pluvieux à la dizaine d’années). En termes de modélisation, il nous faudra aborder les questions de changement d’échelle et de régionalisation des paramètres des modèles qui restent, en dépit des progrès réalisés durant la décennie PUB, encore largement débattues (Sivapalan, 2009).
Mieux mesurer pour mieux comprendre, telle est l'ambition des travaux présentés dans cette section. Des verrous métrologiques limitent la connaissance de certaines variables d’intérêt (débits des rivières en crue, précipitations en montagne, flux de polluants ou de MES) ou de certains processus hydrologiques. C'est pour cette raison que le TR ARCEAU projette de conserver une forte activité sur ce thème pour la période 2013-2017, tant en laboratoire que sur le terrain, pour mettre au point et évaluer de nouvelles méthodes de mesures ou des dispositifs innovants. A la suite du Tableau 6 qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2013-2017 dans ce domaine. xxx
La variabilité spatio-temporelle des précipitations est un élément central pour comprendre la réponse du bassin versant, elle reste pourtant mal connue faute de mesures à haute densité spatio-temporelle, notamment en zone de montagne. La mise en place d’un réseau de 4 radars météorologiques en bande X sur les Alpes du Sud (partenariat avec Météo-France, CPER RHYTMME 2008-2015) apportera, en plus de l’acquisition d’informations nouvelles en zones de montagnes (champs de pluies / neige), une connaissance plus précise de l’aléa pluviométrique et de sa structure spatiale. La bi-polarimétrie des radars permet d’envisager la détection de la nature des hydrométéores (pluies / grêle / neige) qui doit être prise en compte dans les modélisations. De plus, la mesure de l’effet doppler permet l’estimation des vitesses des vents, et le traitement de l’image permet la mise en place d’algorithme de prévision immédiate de pluies. Ce projet fait partie d’un ensemble de projets (réanalyse Radar, Equipex,…) qui visent à améliorer la connaissance des champs de pluies. Cette information spatiale de plus en plus précise, disponible en temps réel à des pas de temps fins (toutes les 5 min) commence à présenter un historique et une qualité permettant d’envisager une utilisation dans les modèles hydrologiques pour appréhender à la fois des phénomènes extrêmes, mais aussi la gestion de la ressource.
Notre connaissance du débit des rivières reste entachée de fortes incertitudes. C'est le cas en étiage mais surtout en crue, où il est souvent difficile et dangereux de jauger les cours d'eau par les méthodes intrusives traditionnelles. Nous projetons d'explorer de nouvelles méthodes s'appuyant sur des instruments hydro-acoustiques (Le Coz et al., 2008a; Le Coz et al., 2008b; Moore, 2011), sur des techniques sans contact telles que la méthode LS-PIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) (Dramais et al., 2011; Le Coz et al., 2010) et sur la technique par dilution globale rhodamine WT. Nous souhaitons également poursuivre le développement de méthodes pour l'évaluation des incertitudes en hydrométrie, que ce soit sur les jaugeages (méthode Q+ généralisant la méthode ISO748) ou sur les courbes de tarage (méthode BaRatin par inférence Bayésienne des contrôles hydrauliques), ainsi que les actions de formalisation et diffusion des méthodologies, à travers des transferts et des formations en direction des services opérationnels, à l'échelon national et international (OMM).
Le suivi en continu des flux d’eau et de MES dans les rivières est important pour l’étude du transport des polluants et des nutriments ainsi que pour l’étude des processus hydro-sédimentaires (envasement des retenues, géomorphologie des lits des rivières). Nous projetons de développer des méthodes d'inversion des profils d'intensité acoustique (HADCP, ADCP) (Moore, 2011), d'analyse granulométrique, de prélèvements de MES pour l'analyse des contaminants, et de suivi des flux eau/MES/contaminants particulaires. Nous souhaitons également développer des méthodes d'analyse adaptées pour les contaminants hydrophobes organiques (dont PCB) ou métalliques comme le mercure. Dans tous ces domaines, le fait que nous réunissions des compétences en hydrologie-hydraulique et en chimie environnementale nous permettra de faire progresser des projets communs interdisciplinaires, comme l'Observatoire des Sédiments du Rhône (2009-2013) ou la thèse de M. Launay (2010-2013). Pour ce qui est des mesures de terrain, nous pourrons nous appuyer sur les périmètres de l'OSR (Rhône du Léman à la mer et exutoires des principaux affluents) et du site-atelier Arc-Isère. Le TR est en effet impliqué dans des systèmes d'observation pérennes (stations de mesure), temporaires ou événementiels, notamment pour le suivi des crues et des chasses de retenues (chasses annuelles de l'Arc depuis 2005, chasse des barrages suisses du Haut-Rhône en 2012).
Compte tenu de la dynamique très rapide des concentrations dans les petits cours d'eau, des mesures ponctuelles et peu fréquentes ne permettent que très imparfaitement d’appréhender les flux transitant dans le système ou la dynamique des concentrations auxquelles sont soumises les organismes aquatiques (Rabiet and Margoum, 2010). Pour mieux caractériser l’exposition des cours d’eau aux contaminants, nous devons évaluer plus précisément les flux auxquels ils sont soumis. Sur les sites ruraux des Ardières-Morcille comme sur le site périurbain de l’OTHU, nous projetons de travailler au développement et à l’évaluation de métrologies en continu, avec le test de nouveaux types de sondes multi-paramètres pour la mesure de traceurs des eaux naturelles et urbaines (température, conductivité électrique, pH) ou de polluants (nitrate, ammonium, oxygène dissous, potentiel redox). En ce qui concerne les pesticides, les échantillonneurs passifs (POCIS, SBSE) semblent prometteurs pour avoir une vision intégrative de la contamination du milieu, ainsi que pour détecter des molécules fugaces (insecticides) que les modes d’échantillonnage classiques ne repèrent que rarement. Il reste toutefois à progresser dans l’étude de leur réponse en fonction des conditions d’écoulement et de concentration dans le milieu, pour pouvoir les utiliser de façon réellement quantitative. Ces capteurs seront également testés dans des piézomètres pour suivre la qualité des nappes superficielles et les transferts latéraux dans le sol.
Comprendre quels sont les processus hydrologiques dominants, dans différents contextes hydro-climatiques et d'usages des sols : voici l'ambition des travaux présentés ici. Il s'agira de comprendre comment l'occupation des sols influe sur les flux d'eau et de matière, tant en contexte agricole, périurbain ou de crues éclairs. Nous projetons d'aborder aussi la compréhension du fonctionnement des zones tampons visant à limiter les flux de pesticides (bandes enherbées, zones humides construites). Ces travaux s’appuieront sur les expérimentations à l’échelle de l’ouvrage, du versant ou du petit bassin versant, dans les observatoires où le TR ARCEAU est impliqué. A la suite du Tableau qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2014-2018 dans ce domaine. Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Mesurer les flux au sein des bassins versants"
Sur la période visée, les efforts du TR porteront plus particulièrement sur l’étude des processus générateurs de ruissellement durant les crues éclairs en région Cévennes-Vivarais (projet ANR FloodScale 2012-2015). Des expérimentations visant à documenter ces processus à différentes échelles d’espace seront mises en place avec les partenaires (LTHE, HSM, ESPACE) sur les bassins du Gard et de l’Ardèche. Elles permettront de documenter l’hétérogénéité des propriétés du sol, son humidité, de quantifier les flux de subsurface (en collaboration avec des géochimistes de HSM), les chemins de l’eau depuis le versant en passant par les bassins de quelques km2 à quelques centaines de km2, jusqu’au millier de km2. Le nouveau laboratoire de physique du sol, qui sera mis en place dans les locaux de la Doua à Lyon, nous permettra de disposer d’équipements qui renforceront notre capacité pour la caractérisation des propriétés hydrodynamiques des sols. Les informations collectées seront utilisées pour dégager des typologies de fonctionnement et développer et évaluer des modélisations adaptées (thèses O. Vannier, M. Adamovic). On poursuivra aussi l’investissement sur les bassins versants périurbains, en essayant de mieux documenter les chemins naturels et artificiels de l’eau, et d’en proposer des représentations simplifiées (thèse M. Labbas) à l’aide de modélisations plus détaillées comme celles issues de la thèse de S. Jankowfsky (2011). On travaillera aussi sur la détermination des temps de résidence associés des eaux dans les différents compartiments du bassin versant dont le corridor rivulaire (versant, lien versant-cours d’eau, cours d’eau) et les conséquences sur les cycles des éléments vitaux (N, C et P). Les travaux que nous menons visent à une compréhension et une représentation de l’ensemble du cycle de l’eau, y compris entre les épisodes pluvieux. Ceci nécessite la prise en compte des processus d’évapotranspiration dans les modèles et meilleure compréhension du rôle de la variabilité spatiale des propriétés des sols et des caractéristiques du système racinaire sur cette réponse de la végétation. Les acquis de la modélisation sol-végétation-atmosphère seront exploités, notamment pour mieux quantifier les besoins en eau des plantes ou la détermination de l’humidité initiale avant épisodes pluvieux (crues éclairs).
Dans le domaine émergent de l'ingénierie écologique, les zones tampons (zones humides construites, bandes enherbées ou boisées) ont été proposées pour limiter la pollution des cours d'eau par les nitrates et les pesticides. Une des questions qui se pose porte sur le devenir et l'accumulation des pesticides sur le long terme dans ces zones tampons. Evaluer leur performance nécessite de mieux comprendre et de hiérarchiser les processus (sorption, dégradation, accumulation, …) contrôlant le devenir des contaminants5. Ces travaux seront menés sur les sites déjà instrumentés par le TR.
Une fois compris l’impact de zones tampon isolées, on s’intéressera à leur impact à l’échelle d’un petit bassin versant. Les études sur les transferts hydriques de produits phytosanitaires mettent le plus souvent l’accent sur les transferts par ruissellement, par drainage enterré, ou par percolation vers une nappe profonde (Alletto et al., 2010). Cela s’explique en partie par le fait que ce sont les modes de transfert pris en compte pour l’homologation des substances actives au niveau européen (91/414/CE), et, au moins pour les deux premiers, à ce qu’ils sont liés aux pics de concentration. Pourtant, les contaminations chroniques, liées par exemple aux écoulements de subsurface peuvent également avoir un impact significatif sur les écosystèmes aquatiques, et méritent d’être étudiées (Tlili and Dorigo, 2008). Cette étude est toutefois complexe, tant du point de vue de la métrologie (difficulté à mesurer des concentrations et des flux en subsurface) que de la modélisation (interaction entre l’infiltration et les écoulements latéraux de surface et subsurface, difficulté à rendre compte des temps de transfert pour les molécules). Le TR s’attachera à avancer sur cette question, à la fois au niveau de l’expérimentation de terrain (thèse démarrée en 2012) que de la modélisation (thèse démarrée en 2011). Sur les versants, lieu de genèse du ruissellement, une meilleure estimation de la part de pesticides transportés sur les particules de terre érodées est requise, notamment sur les hydro-systèmes soumis à une forte érosion et/ou pour les substances les plus hydrophobes (en particulier les insecticides). Nous souhaitons mieux cerner les conséquences en termes de flux de ces substances vers l'aval et de concentrations particulaire et d'impact écotoxicologique associé (en lien avec le TR BELCA). Des collaborations avec l’université de Bourgogne ont démarré sur ce thème, dans le cadre du Site Atelier Ardières Morcille. En outre, l'emboîtement d'échelle (de la parcelle, groupement de parcelles, versant, bassin versant) sera un des points clefs de la compréhension du transfert de contaminants d'origine agricole (nitrate et pesticides), avec l'appui du bassin de l'Orgeval.
En hydrodynamique, nous souhaitons mettre l'accent pour la période 2014-2018 sur les phénomènes de débordement (lits composés, interaction lit mineur-lit majeur), l’effet des singularités (propagation de front, écoulement consécutif à une rupture de digue, ressaut, ouvrages), les inondations en zones urbaines, le transport de solutés, le transport solide (suspension et charriage) et son influence sur la morphologie de la rivière. Les activités tourneront autour de (i) la compréhension (identification et analyse des processus sur la base des mesures et observations en milieu naturel ou au laboratoire.), (ii) la modélisation (mise en équations de modèles analytiques et semi-empiriques, calage et validation de modèles), (iii) la simulation (développement d’outils de calcul efficaces pour résoudre les équations des modèles, analyse de sensibilité, calage). A la suite du Tableau qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2014-2018 dans ce domaine. Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Hydrodynamique des cours d'eau"
Ce projet s’appuie sur le site atelier Arc Isère de la ZABR et s’inscrit dans notre participation à l’OSR (Observatoire des Sédiments du Rhône). Il comprend en particulier le suivi de chasses sur l’Arc et sur le Rhône. Deux thèses ont commencé sur le sujet à la rentrée 2011. Ces travaux s’appuient également sur le développement des outils de simulation numérique tels que RubarBE et Adis-TS.
Ce domaine de recherche va bénéficier de la construction du hall expérimental de l’Irstea à Lyon. Il s’agit de mieux comprendre les processus de débordement afin de pouvoir améliorer la précision de nos logiciels de simulation d’écoulements en crue, en particulier dans la plaine d’inondation. Dans le prolongement des travaux expérimentaux conduits sur les canaux de l’Insa de Lyon (Peltier, 2011), une thèse va démarrer à la rentrée 2012 sur l’étude de l’effet des fortes rugosités afin de mieux estimer les paramètres (niveaux, débits, vitesses) des crues extrêmes à proximité des zones sensibles endiguées. Le prolongement naturel de ces travaux consiste à intégrer les modèles obtenus dans les outils de simulation numérique (le modèle ISM sera adapté aux écoulements en régime non stationnaire et intégré dans PamHyr-MAGE).
Dans le prolongement du projet Axelera-PCB et dans le cadre de l’Observatoire des Sédiments du Rhône, Marina Launay a commencé une thèse fin 2010 sur la mesure et la modélisation des flux de matières en suspension et des contaminants associés, en ajoutant le suivi du mercure à celui des PCB, dans le Rhône à l'amont de Lyon. L’objectif est d’améliorer la quantification des apports et de mieux comprendre comment se propagent ces polluants en liaison avec le transport des sédiments fins. Pour cela, le développement du code de simulation numérique Adis-TS sera poursuivi pour permettre de simuler de très longues périodes, la modélisation des dépôts et l'érosion en 1D et la modélisation des échanges eau – sédiments.
Dans le cadre de sa thèse, Pierre-Henri Bazin va réaliser en partenariat avec l’université de Kyoto, des expériences sur une maquette d’un quartier urbain afin de disposer de données pour d’une part, améliorer la prise en compte des obstacles et singularités hydrauliques (voitures, mobilier urbain, trottoir, bouches d’égout, etc.) dans les codes de simulation numérique et d’autre part, mieux évaluer les incertitudes sur les résultats obtenus. Dans le même chapitre, les travaux sur la propagation des incertitudes dans les modèles numériques en hydraulique à surface libre seront poursuivis, le but visé étant de produire des codes de calcul qui, en plus de leurs résultats primaires habituels (niveaux, débits, vitesses, surface inondées, etc.) fourniraient une estimation de l’incertitude de ces résultats.
Les travaux présentés dans cette partie visent à étendre les connaissances acquises sur des bassins bien instrumentés à des bassins où l’information est plus fragmentaire, dans la continuité des actions déjà engagées. Il s'agit aussi bien du transfert direct des grandeurs d’intérêt hydrologique (débits moyens, quantiles de crue ou d'étiage) ou de l’estimation des paramètres permettant d'utiliser des modèles hydrologiques sur les bassins non-jaugés. Ces travaux s’appuient sur les techniques de changement d’échelle et/ou la régionalisation des paramètres des modèles et/ou des caractéristiques hydrologiques. Sur la période 2014-2018, il nous semble important de généraliser les résultats obtenus à l'ensemble des situations d'extrapolation, tout en approfondissant les méthodes permettant de mieux contraindre les paramètres et d'éviter les problèmes d’équifinalité. Les travaux projetés aborderont la spatialisation de l’entrée pluie, la problématique du changement d’échelle pour la compréhension des processus de transferts, mais aussi pour la modélisation du versant au petit bassin. Outre des approches mathématiques, ces travaux s’accompagneront d’une réflexion sur la typologie des paysages hydrologiques, permettant de faciliter la paramétrisation des modèles. A la suite du Tableau qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2014-2018 dans ce domaine. Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Méthodes d'extrapolation et changement d'échelles"
L’entrée pluie est une des données d’entrée fondamentale des modèles hydrologiques, dont la variabilité spatiale et temporelle doit être décrite de manière plus ou moins fine selon les applications. L’analyse géostatistique des champs de pluie (réseaux de pluviographes ou radars) à différents pas de temps, réalisée pour alimenter le simulateur de pluie TBM, permet aussi d’acquérir des informations utiles sur la variabilité spatio-temporelle des pluies Le développements de TBM sera poursuivi, et on l'utilisera pour mieux quantifier les incertitudes liées à la méconnaissance de l’entrée pluie (Renard et al., 2011).
Deux verrous importants subsistent pour la compréhension des processus en milieu poreux. Le premier provient de la nature désordonnée de la structure poreuse sur de très larges gammes d'échelles (es propriétés hydrodynamiques peuvent être extrêmement hétérogènes et varier très abruptement). Le deuxième verrou porte sur la méconnaissance de la structure du milieu poreux. Nous projetons de poursuivre les travaux sur les méthodes de Lattice Bolzmann (Ginzburg, 2005) afin de prendre en compte les hétérogénéités du milieu poreux aux différentes échelles d'investigation et d'intégrer à l'hydrodynamique le transfert de soluté.
La question du changement d’échelle dans la modélisation hydrologique est abordée dans différents travaux de thèse qui ont débuté en 2011. La thèse de K. Djabelkhir abordera le passage de l’échelle locale à celle du versant pour le ruissellement et le transfert de pesticides, via la proposition de modélisations simplifiées, représentant le comportement du versant. Pour les bassins plus grands, nous explorerons des approches ascendantes (thèse O. Vannier) et descendantes (thèses M. Adamovic et M. Labbas) qui s’appuient sur l’analyse des données hydrométéorologiques et géographiques pour la conceptualisation de la modélisation, la spatialisation des paramètres des modèles et leur évaluation. On continuera à développer des approches où les modèles sont non-calibrés et utilisés pour évaluer la pertinence de différentes hypothèses de fonctionnement grâce à des analyses de sensibilité. Les applications concerneront les crues éclairs (projet FloodScale) et la modélisation du cycle de l’eau en bassins périurbains (thèse M. Labbas).
Nous projetons de poursuivre les travaux réalisés en régionalisation et d'utiliser les développements réalisés en termes de caractérisation de la similarité des bassins versants (Oudin et al., 2008; Oudin et al., 2010). Plusieurs voies sont intéressantes à explorer : recherche d'indicateurs plus pertinents et précis spatialement (profondeur des sols par exemple), couplage de modèles pour différencier les processus, régionalisation mensuelle pour en déduire une information sur les débits de base pouvant être prise en compte dans un modèle de crue. De plus, les avancées obtenues en régionalisation peuvent nous permettre de mieux paramétriser des modèles distribués (Koren et al., 2003), avec une paramétrisation distribuée contrainte par les relations de régionalisation et un nombre très restreint de paramètres à caler.
Tant pour la modélisation des flux d’eau que des flux de polluants, nous souhaitons poursuivre les travaux entamés sur le découpage de l’espace en unités homogènes du point de vue des processus représentés (Jankowfsky, 2011; Lin, 2010; Schmocker-Fackel et al., 2007). Ces travaux seront généralisés pour aborder des échelles plus grandes (thèses M. Adamovic, M. Labbas), ainsi que pour mieux représenter les transferts des produits phytosanitaires.
|