Etude hydrologique du bassin versant

L'objectif du projet étant l'évaluation de la possibilité d'agrandissement de la station de Puy-Saint-Vincent du point de vue de la ressource en eau du bassin, une étude hydrologique de la situation actuelle est primordiale.

Une modélisation sera tout d'abord proposée dans le but d'établir un bilan hydrologique du bassin et de quantifier les débits qui ruissellent. En effet, quantifier les apports en eau naturels tout au long de l'année sera la base de notre étude du contexte actuel. Il permettra de définir les possibilités de remplissage de la retenue à partir des eaux du bassin versant.

Afin de justifier et de quantifier l'augmentation de la zone enneigée artificiellement, une étude se basant sur la variation de pluviométrie et la hausse des températures en raison du réchauffement climatique, sera réalisée. Ainsi, à plus ou moins long terme, des variations importantes de hauteurs de neige et de période de fonte seront observées et comparées à celles attendues.

Présentation des données

La recherche de données est une phase longue et fastidieuse mais absolument essentielle pour la validité de l'étude. En effet, les informations disponibles dans les zones de montagne sont rares et très souvent imprécises, d'autant plus que les phénomènes peuvent être très localisés et temporellement ponctuels. N'étant pas en mesure d'effectuer une campagne sur le terrain, nos sources sont donc très diverses.

Au vu des paramètres à intégrer aux modèles, il était impératif de trouver des données journalières. Les données de températures minimales et maximales ainsi que la pluviométrie étaient à disposition sur le site de Météo France (station de mesure à Puy-Saint-Vincent située à 1380m). Les informations sur la neige (épaisseur maximale au sol observée en 24h, épaisseur totale de neige au sol à 6h UTC, hauteur de neige fraîche tombée en 24h) nous ont été fournies après demande spécifique dans l'espace des Données Publiques de Météo France. Les données à notre disposition couvrent la période 2010-2014.

Pour le calage des modèles, il nous a également fallu calculer les débits s'écoulant dans le torrent de la combe de Narreyroux. Or, du fait de la faible importance de ce cours d'eau, aucune information n'existe a priori. Les seules données disponibles ont été des données mensuelles moyennées sur 5 ans fournies par la DDT (Direction Départementales des Territoires). Ces données de débits sont au niveau de prises d'eau situées aux confluences du Gyr et de l'Eychauda et du Gyr et de l'Onde. Une répartition des débits des différents affluents du Gyr suivant la superficie des sous-bassins versants a été réalisée pour obtenir une estimation du débit de l'Onde (voir figure 1). Connaissant le débit de l'Onde, cette opération a été réitérée sur cette rivière afin de déterminer le débit moyen mensuel du torrent de la combe de Narreyroux, affluent principal de l'Onde.

Figure 1 - Répartition des débits suivant les superficies des bassins versants tracés en noirs (Source : Carte IGN)

Toutes ces données présentent des incertitudes plus ou moins fortes mais sont suffisantes dans notre cas, pour obtenir les estimations souhaitées. Les valeurs obtenues ont été comparées aux données présentes dans la littérature afin de s'assurer de la cohérence des résultats.

En résumé, les données à notre disposition sont :
- les températures journalières minimales, maximales et moyennes entre 2010 et 2014 à Puy-Saint-Vincent à 1380m
- la pluviométrie journalière entre 2010 et 2014 à Puy-Saint-Vincent à 1380m
- les données de hauteurs de neige relevées à 6h UTC entre 2010 et 2014 à Puy-Saint-Vincent à 1380m
​- les données de débits mensuels moyennés sur 5 ans du torrent de Narreyroux à l'exutoire du bassin versant de Narreyroux.
 

Modélisation du comportement hydrologique du bassin versant

Le bilan hydrologique de l'ensemble du bassin versant sera établi grâce à deux modèles, le modèle GR4J et un des modèles disponibles dans le logiciel HEC-HMS, auxquels seront associés des modèles de neige :
- un modèle degré-jour pour lequel la fonte est proportionnelle à l'écart entre la température journalière et une température de base, ici CemaNeige (associé avec GR4J)
- un modèle basé sur la conservation de l'énergie et de la masse du manteau neigeux, associé à HEC-HMS.

Dans un souci de simplification, le bassin versant sera divisé en deux (voir figure 1) avec d'une part, la combe de Narreyroux dans laquelle s'écoule le torrent de la combe de Narreyroux et d'autre part, la zone sur laquelle s'étend la commune et le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent. Les données collectées sont en effet de nature différente sur ces deux sous-bassins.

Figure 1 - Découpage du bassin versant en deux sous bassins (Source : Carte IGN)

Les bassins versants, dont nous allons faire l'étude, sont caractérisés par les singularités propres aux zones de montagne. Ces bassins versants peuvent être soumis à divers régimes hydrologiques régis par l'altitude :
- régime strictement glaciaire au-dessus de 2000-2500 m. Il est caractérisé par une fonte des neiges accrues en période estivale
- régime nival entre 1000 et 2000 m, caractérisé par des fontes de neige au printemps et des pluies fréquentes en cette période
- régime pluvial pour les plus faibles altitudes, pour lequel la neige n'a plus d'impact majeur.
Ces différents comportements hydrologiques entrainent la nécessite de diviser le bassin en tranches d'altitudes afin de mieux représenter le comportement du bassin versant.

Si le découpage en deux sous-bassins est identique pour les deux modèles, la répartition en zones d'élévation distinctes diffèrent cependant suivant le modèle utilisé. Il sera donc précisé dans les deux parties à suivre.

Une comparaison des résultats issus de ces deux méthodes sera effectuée, après un calage et une validation de ces deux modèles pour les années 2010 à 2014 afin d'en connaître les avantages et inconvénients. Le bilan hydrologique doit être réalisé avec soin actuel dans la mesure où il va permettre de déterminer la ou les zones de pompages qui permettront de satisfaire les besoins en eau croissant de la station.

 

Modèle sur HEC-HMS

HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) est un logiciel de modélisation des processus hydrologiques très complet. Il inclut, en effet, la simulation de phénomènes classiques tels que l'infiltration et le ruissellement mais également l'évaporation et la fonte dans la neige quand la situation le nécessite, ce qui est le cas dans notre étude.

Choix des modules

Le projet créé sur HEC-HMS contient les sous-bassins de Narreyroux et de Puy-Saint-Vincent, reliés par une jonction à l'exutoire. Au vu des faibles connaissances sur leurs caractéristiques respectives, les modèles d'infiltration et de ruissellement seront identiques pour les deux sous-bassins. Il en est de même pour les données météorologiques utilisées lors des calculs. 

Au vu des informations en notre possession et des descriptions fournies dans le manuel d'utilisation de HEC-HMS, les modèles utilisés pour la description d'un sous-bassin sont :
- Deficit and Constant pour le modèle d'infiltration
- SCS Unit Hydrograph pour le modèle de ruissellement
- Constant Monthly pour l'écoulement de base

Afin d'augmenter la précision du modèle, les bassins versants sont découpés en tranches d'altitude permettant ainsi la variation des données climatiques en fonction de l'élévation de la zone. Ainsi, le bassin de Puy-Saint-Vincent est réparti en sept bandes entre 1190m et 2750m d'altitude (six zones de 200m chacune et la plus haute d'environ 300m) et celui de Narreyroux en neuf bandes entre 975m et  3250m d'altitude (la plus basse de 50m, sept zones de 200m chacune et la plus haute d'environ 500m).

Pour le modèle météorologique, les précipitations sont extraites sans modification du hyétographe (Specified Hyetograph), les paramètres concernant la température tels que la température du sol et les conditions de fonte de la neige sont fixés dans le module Temperature Index et l'évapotranspiration est estimée par moyenne mensuelle (Monthly Average).

HEC-HMS est programmé pour déterminer, en fonction de la température, si les précipitations sont sous forme de neige ou de pluie. La précision des données de température et du calage des paramètres de fonte est donc essentielle pour la validité des résultats.

Calage du modèle

Après avoir défini, de manière approximative, les paramètres du logiciel, il est nécessaire d'effectuer un calage du modèle. Ce dernier sera réalisé en deux parties, d'une part un calage des paramètres du bassin de Narreyroux grâce aux débits du torrent de Narreyroux et d'autre part un calage des paramètres concernant la neige sur le bassin de Puy-Saint-Vincent grâce aux hauteurs de neige mesurées. Afin de faciliter le réglage de certains paramètres, la simulation débutera en juillet, mois pour lequel on considèrera le bassin sans neige. Le modèle devant être efficient sur plusieurs saisons, il sera calé sur deux ans (entre 2010 et 2012).

Les paramètres finaux choisis sont récapitulés dans les tableaux suivants :

Tableau 1 - Paramètres choisis pour caractériser le bassin versant sur HEC-HMS

Paramètre du bassin versant Valeur choisie
Initial Deficit (mm) 1.0
Maximum Storage (mm) 40
Constant Rate (mm/hr) 0.1
Impervious (%) 15.0
Lag Time (min) 20 000
Constant Monthly (m3/s) 0.005

Tableau 2 - Paramètres choisis pour modéliser la fonte sur HEC-HMS

Paramètre de fonte Valeur choisie
PX Temperature (°C) 0
Base Temperature (°C) 3
Wet Meltrate (mm/°C/jour) 3.3
Rain Rate Limit (mm/jour) 1
ATI-Meltrate Coefficient 0.98
Cold Limit (mm/jour) 20
ATI-Coldrate Coefficient 0.2
Water Capacity (%) 10
Groundmelt Method Fixed Value
Groundmelt (mm/jour) 0.025

Deux fonctions sont également à définir. Ne connaissant pas les ordres de grandeurs de ces fonctions, nous avons utilisé les valeur fournies pour un cas d'étude similaire.

Tableau 3 - Fonctions de fonte

  ATI-Meltrate Functions ATI-Coldrate Functions
Ati (°C/jour) Meltrate (mm/°C/jour) Coldrate (mm/°C/jour)
-10 X 1.2
0 1.09 1.22
38 1.32 1.32
93 1.78 1.32
1000 1.78 1.32

Lors de ce calage, certains paramètres se sont avérés très sensibles. Une modification mineure de leur valeur entraînent des résultats très différents. Le Lag Time, pour la modélisation du bassin et la Water Capacity, pour celle du module de neige, sont apparus comme les paramètres clé à caler.

Les débits moyens à l'exutoire finalement modélisés sont présentés sur la figure 1. On peut observer d'une part les débits moyens mensuels sur chaque année (2010-2011 et 2011-2012) puis la moyenne de ces deux années et d'autre part le débit de référence estimé comme expliqué dans la partie précédente.

Figure 1 - Graphe pour le calage comparant les débits observés et simulés

On remarque que l'allure générale de la courbe est respectée pour les mois d'hiver et de printemps. Cependant, pour la saison estivale et automnale, les résultats ne sont pas très pertinents. Étant dans l'impossibilité d'obtenir une estimation correcte sur l'année entière, le choix a été fait de privilégier la similitude entre valeurs observées et simulées en hiver, période la plus concernée par le projet. On trouve ainsi une erreur relative moyenne sur l'ensemble de l'année de 55% contre seulement 5% sur les mois de décembre à juin, soit la période avec la plus forte possibilité d'enneigement.
Les courbes de débits moyens obtenus pour les deux années sont très différentes mais ce résultat est cohérent au vu des pluviométries moyennes mensuelles qui, elles aussi, diffèrent de manière significative entre 2010 et 2012 (voir figure 2).

Figure 2 - Graphe de la pluviométrie ayant servie pour le calage

Outre les variations annuelles de climat, il est également possible de s'interroger sur la validité des données de débit nous servant de référence. En effet, la seule hausse de débit apparaît au moment de la fonte alors qu'on retrouve des pluviométries importantes aux mois d'octobre et novembre. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait qu'une grande partie du bassin versant de Narreyroux est recouvert par des glaciers d'où une surreprésentation de la fonte des glaces dans le modèle. Cette explication est validée lors de l'observation des débits : le pic des débits en automne est très faible à l'exutoire du torrent comparé à celui à l'exutoire du bassin de Puy-Saint-Vincent.

Pour ce qui est de l'enneigement, malgré les données de hauteurs de neige en centimètre, le Snow Water Equivalent ($SWE = H  d_{neige} / d_{eau}$) en millimètre , où H est la hauteur de neige et d la densité), sera utilisée comme grandeur pour la comparaison, cette information étant celle fournie en sortie de calcul de HEC-HMS. Etant uniquement en possession de données à Puy-Saint-Vincent, les résultats ne seront pas observés à l'exutoire (nous ne tiendrons pas compte des résultats sur le bassin de Narreyroux).

Figure 3 - Graphe pour le calage comparant les SWE

On remarque que si les tendances sont respectées, la courbe de fonte de la neige modélisée est bien plus étalée dans le temps que celle tracée à partir des données Météo France. En effet, on décompte 214 jours enneigés pour HEC-HMS qui ne le sont pas pour Météo France. Il est tout de fois important de savoir que le logiciel ne fournit pas de résultats pour chaque tranche d'altitude mais en fait une moyenne. Or les mesures de Météo France sont effectuées dans la commune de Puy-Saint-Vincent à 1380m d'altitude c'est-à-dire à la limite entre les deux bandes les plus basses alors que le bassin est découpé en sept. Il paraît donc cohérent que l'enneigement trouvé soit plus important. Cependant, lors de la présence avérée de neige, l'erreur de la simulation n'est que de 15%, valeur relativement faible.
On note également une fonte observée extrêmement rapide sur la dernière quinzaine de mars 2011 s'expliquant par une hausse significative des températures minimales qui deviennent alors positives. Cependant, les températures moyennes n'en sont que très peu affectées. Or HEC-HMS n'utilise que des températures moyennes. La seule prise en compte d'une température moyenne semble alors expliquer la différence de fonte.

Le calage du modèle étant terminé, il est à présent nécessaire de le valider.

Validation du modèle

La validation aura lieu sur les deux années suivantes malgré le fait que le dernier hiver soit tronqué du fait de l'absence de données de neige après décembre 2014.

Les résultats trouvés pour les débits sont assez similaires. On observe toujours un pic de débit sur la saison automnale. L'erreur relative annuelle est de 60% soit assez proche de celle obtenue lors du calage et l'erreur sur les mois enneigés a triplé, passant de 5% à 15%.

L'allure générale du SWE est mieux représentée temporellement même si on remarque que les hauteurs de neige sont toujours nettement plus importantes que celles mesurées par Météo France du fait de la moyenne effectuée par HEC-HMS. L'erreur obtenue sur le seul hiver de 2012-2013 est de 80%, l'hiver 2013-2014 n'étant pas modélisé. Le nombre de jour pour lequel Météo France donne un enneigement nul contrairement à HEC-HMS passe de 214 à 198 soit une amélioration de deux semaines et demi.

Il aurait toutefois été nécessaire d'avoir les données sur deux hivers consécutifs afin de valider correctement le modèle. En effet, les hivers se suivent et ne se ressemblent pas, d'où l'intérêt de moyenner les résultats.

 

Pour conclure, on remarquera que l'interprétation des résultats est rendue difficile par les singularités propres aux zones de montagne. Le manque de données précises limite les performances du modèle. En effet, les phénomènes hydrologiques (écoulement de surface, pluie) possèdent une très grande variabilité spatiale, les données de débit sont très souvent absentes, la présence tout au plus d'un pluviomètre à l'aval du bassin ne permet pas de prendre en compte l'effet local des précipitations.

Modèle CemaNeige

Plusieurs outils de modélisation hydrologique permettent de prendre en considération la neige. Parmi les modules disponibles, le modèle CemaNeige, développé par l'Irstea, est un modèle simple (à deux paramètres) dont les performances ont été testées sur de nombreux bassins versants (plus de 380) lors de son développement (Modélisation précipitations-débit sous influence nivale. Elaboration d'un module neige et évaluation sur 380 bassins versants de A.Valéry, 2010) . Il a été couplé à plusieurs modèles hydrologiques classiques (HBV, MORDOR, GR4J et TOPMO) et les performances ont été analysées afin de déterminer les associations entre modèles les plus pertinentes. En raison de la pertinence des résultats et des données à notre disposition, le couplage entre le modèle GR4J (modèle Génie Rural à 4 paramètres Journaliers) et CemaNeige, a été retenu pour les simulations.

Modèle GR4J

Il s'agit d'un modèle conceptuel permettant d'évaluer la réponse d'un bassin versant en terme de débit. Il ne fait appel à aucune physique des écoulements, l'approche empirique ayant été prônée. Ce modèle se veut général (applicable à des bassins versants variés) et fournit une représentation globale du bassin versant.

Les données nécessaires au fonctionnement du modèle sont de trois types : pluie, évapotranspiration potentielle (calculé par le modèle à partir des températures moyennes et de la latitude) et débit (uniquement pour le calage). Ces données sont des données classiques fournies par les stations météorologiques.

Le modèle fait intervenir plusieurs réservoirs reliés entre eux (réservoirs de production et de routage) qui se remplissent et se vident afin de modéliser la réponse du bassin versant. Il est nécessaire de réaliser une initialisation du modèle. En effet, il existe un régime transitoire pendant lequel les différents réservoirs se remplissent avant d'atteindre le régime avec les valeurs demandées. Quatre paramètres permettent de réguler la capacité des réservoirs et leurs remplissages :

- X1 : paramètre représentant la capacité du réservoir de production (mm)
Lorsqu'il diminue, l'amplitude du débit augmente. Il y a donc un étirement vertical des valeurs de débit. La capacité de rétention diminuant, le débit issu de ce réservoir est donc plus important.

- X2 : coefficient d'échanges souterrain (mm)
Lorsque ce paramètre diminue, les valeurs de débits sont translatées vers le bas. En effet, X2>0 correspond à un apport souterrain, tandis que X2<0 correspond à une perte.

- X3 : capacité à un jour du réservoir de routage (mm)
Lorsqu'il diminue, les valeurs de Q sont augmentées. En effet, si la capacité de réservoir diminue, l'excédent d'eau arrivant au réservoir est restitué sous forme de débit, d'où son augmentation.

- X4 : temps de base de l'hydrogramme unitaire (jour)
Lorsque ce paramètre augmente, une translation des valeurs de débit vers la droite est constatée. Les pics de valeurs sont également lissées. L'augmentation de X4 entraîne l'allongement de la réponse du bassin versant, d'où la translation.

Modèle CemaNeige

L'association du modèle GR4J avec ce module permet de mieux représenter la réponse des bassin versant d'altitude influencé par une composante nivale. Le débit à l'exutoire est, dans ce cas, issu à la fois des précipitations liquides et de la fonte de la neige.
L'objectif du modèle de neige est de calculer la contribution de la fonte de la neige au ruissellement. Ce résultat est ensuite intégré dans le modèle hydrologique GR4J pour améliorer les résultats de la modélisation.

Pour davantage de précision dans ses calculs, CemaNeige propose une discrétisation des paramètres suivant l'altitude afin de prendre en compte les variation de régimes hydrologiques (régime pluvial, nival ou glaciaire). Ainsi les bassins versants sont découpés en tranches d'altitude permettant ainsi de prendre en compte la variation des données climatiques en fonction de l'élévation de la zone. L'étude menée lors du développement du module a montré que l'utilisation de cinq tranches d'altitude était appropriée pour la prise en compte des gradients orographiques. Nous avons donc choisi de découper le bassin versant en cinq zones. Les zones doivent être de même surface.

Le modèle CemaNeige permet de séparer les précipitations neigeuses des précipitations liquides à partir des températures minimales et maximales de la journée. Le manteau neigeux est également modélisé : le SWE (snow water equivalent), la température du manteau ainsi que sa hauteur. L'accumulation et la fonte de la neige sont calculées chaque jour pour chacune des cinq bandes d'altitude. L'accumulation est obtenue en ajoutant les précipitations solides au manteau de neige déjà présent, la fonte est calculée en tenant compte de l'état thermique du manteau (fonte lorsque le manteau atteint 0°C).

Les données d'entrée nécessaires au calcul de ces composantes sont les températures minimales, maximales et moyennes (afin de calculer la fraction de précipitation liquide) ainsi que les précipitations totales. Pour notre part, toutes les données sont issues d'une seule station placée à 1380m. Pour prendre en compte leur variation suivant l'altitude, un gradient de température est appliqué (-6.5°C/km) et la pluviométrie est augmentée avec l'altitude moyennant un facteur de correction. Le principe de fonctionnement du modèle est détaillée sur la figure ci-contre.


Figure 1 - Principe de fonctionnment du modèle Cemaneige (source : Modélisation précipitations-débit sous influnce nivale. Elaboration d'un module neige et évaluation sur 380 bassins versants. A.Valéry, 2010)

Le module de neige repose sur la méthode degré-jour pour calculer la quantité de neige susceptible de fondre F, $F=K_f(T- T_b)$. La fonte est ici considérée comme proportionnelle à l'écart entre la température journalière T et une température de référence Tb classiquement fixée à 0°C. Le facteur degré-jour Kf doit être calé afin de représenter la vitesse de fonte réellement observée. Ce modèle est régulièrement utilisé pour la modélisation de la fonte de la neige car il repose sur les données météorologiques habituellement relevées sur les sites.

Deux paramètres peuvent être calés : 
- le coefficient de pondération de l'état thermique du manteau, CTG, compris entre 0 et 1
- le facteur degré-jour, Kf, (en mm/°C) qui varie entre 2 et 6.

Calage du modèle 

Afin de pouvoir déterminer le débit ruisselant sur le bassin versant de Puy-Saint-Vincent, nous considérons dans un premier temps le bassin versant adjacent de la Combe de Narreyroux. En effet, nous possédons des données de débits mensuelles dans cette combe à l'exutoire permettant de caler les paramètres du modèle. La période de calage s'étend sur les années 2010-2011 et 2011-2012.
L'initialisation du modèle est réalisée sur une période d'été, évitant ainsi les erreurs d'estimation de la hauteur et de la température du manteau neigeux.

Les résultats obtenus après calage sont représentés sur le graphe ci-contre. Les débits mensuels moyens des deux années disponibles pour le calage ont été utilisés afin de comparer des données mensuelles entre elles, bien que les résultats issus du modèle CemaNeige soient des débits journaliers.


Figure 2 - Calage des paramètres du modèle GR4J-Cemaneige. 
Le débit tracé est la moyenne des débits des deux années  2010-2011 et 2011-2012.

Les débits mensuels obtenus sont cohérents avec ceux observés. La hausse de débit est en juin lors de la période de fonte et la période d'étiage en hiver (janvier-février) est présente. On remarque toutefois, bien que la date du pic de débit soit toujours au mois de juin, que l'amplitude est sous-estimée (erreur relative de 22%). 
Ces erreurs peuvent résulter de deux points principaux. Les débits de référence sont eux même issus d'hypothèses. En effet, le débit réellement observé est à la confluence de l'Onde et du Gyr. L'estimation du débit du torrent de Narreyroux suppose l'hypothèse de proportionnalité entre surface drainée et débit associé. En outre, les débits de référence sont des débits moyen sur 5 ans et la période de calage n'est, elle, que de deux années.  Les variations liées à un hiver très enneigé ou non sont donc plus importantes.
L'évolution journalière des débits a donc été étudiée afin d'expliquer la faiblesse du débit de pointe observé.


Figure 3 - Résultat du calage des paramètres du modèle GR4J-Cemaneige. 

D'après les données d'enneigement fournies par Météo France, l'hiver 2010-2011 a été plutôt pauvre en neige. Ce qui expliquerait la faiblesse des débits simulés par le modèle CemaNeige pour cette année là. L'hiver suivant est, quant à lui, marqué par des des hauteurs de neige plus conséquentes. La fonte de la neige à la fin du printemps apporte donc une contribution plus importante à la lame d'eau ruisselée. En moyennant ces deux hivers, la tendance est donc à la sous-estimation des débits quinquennaux de référence. on peut remarquer également sur le graphique 3 que les orages ponctuels en été ont de fortes conséquences sur la valeur des débits.

Validation du modèle

Afin de vérifier le calage, une vérification est réalisée sur les années 2012-2013 et 2013-2014. Les résultats obtenus sont représentés sur la figure ci-dessous. 


Figure 4 -  Validation des paramètres du modèle GR4J-Cemaneige. Evolution mensuelle du débit sur le bassin de la combe de Narreyroux. Le débit tracé est la moyenne des débits des deux années  2013-2014.

La date du pic maximal est en avance d'un mois et l'erreur relative de son amplitude de 3.5%. L'avance peut être due à des températures plus hautes au printemps ou à une influence glaciaire mal modélisée. La validation est donc acceptable malgré l'erreur d'amplitude et l'avance du pic. Nous gardons ces valeurs de paramètres pour la suite des calculs. 

Les paramètres choisis sont :

Tableau 1 - Paramètres résultant du calage du modèle

Paramètres valeur valeurs associé à un intervalle de confiance de 80%
X1 : capacité du réservoir de production (mm) 403,4 100 : 1200
X2 : coefficient d'échanges souterrain (mm) 2.94 -5 : 31.9
X3 : capacité à un jour du réservoir de routage (mm) 121.5 20 : 300
X4 : temps de base de l'hydrogramme unitaire (jour) 7.89 1.1 : 2.9
X5le facteur degré-jour (mm/°C) 4 2 : 6
X6 le coefficient de pondération de l'état thermique du manteau (-) 0.3 0 : 1

Seul le paramètre X4 n'est pas situé dans l'intervalle de confiance calculé à partir des résultats obtenus sur un large échantillons de bassins versants (d'après le cours d'hydrologie approfondie de l'ENSEEIHT dispensé en 2014/2015).

De plus, la présence de glaciers sur la combe n'a pas été modélisée alors qu'ils peuvent être à l'origine de comportements hydrologiques particuliers. La fonte estivale est plus importante quand les glaciers sont présents sur le bassin.

Estimation du débit ruisselé sur le bassin de Puy-Saint-Vincent

L'hypothèse prônée pour la suite des calculs est l'analogie comportementale entre le bassin versant de Puy-Saint-Vincent et celui de Narreyroux. En supposant que leurs caractéristiques sont similaires, il est possible en reprenant les mêmes valeurs de paramètres, d'estimer le débit ruisselé sur le bassin versant de Puy-Saint-Vincent. Ces valeurs de débits vont ainsi permettre de savoir si l'utilisation des débits issus du bassin sont suffisants pour permettre un remplissage de la retenue d'altitude sans complication majeure.


Figure 5 - Évolution mensuelle du débit sur le bassin de Puy-Saint-Vincent. Le débit tracé est la moyenne quinquennale des débits de 2010-2014.

On remarque une nouvelle fois que les débits sont importants d'avril à juin (période de fonte des neiges). La fonte commence plus tôt que celle du bassin de Narreyroux.  Cette avance peut s'expliquer en partie par l'altitude moins importante du bassin de Puy-Saint-Vincent (point culminant à 2746m pour Puy-Saint-Vincent et 3245m pour la Combe de Narreyroux). Ce débit semble cependant anormalement élevé en janvier-février (période d'étiage hivernale). Contrairement au bassin versant de Narreyroux, le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent n'est pas présent sur un bassin versant influencé par la fonte des glaciers où s'écoule un torrent permanent. Par conséquent la hausse de débit est moins importante (2.5 mm/jour sur le bassin de Puy-Saint-Vincent contre 6 mm/jour pour le bassin de la combe de Narreyroux). En outre, le débit est très variable. En effet, l'influence des épisodes orageux augmente artificiellement la moyenne de débit, de même que la mauvaise distinction pluie/débit.

Le remplissage de la retenue par interception des eaux de fonte n'est donc pas envisageable. La variabilité des débits, le transport solide et la réglementation concernant les débits d'étiage ne permettent pas de subvenir aux besoins en eau fixés dans l'hypothèse d'agrandissement.

Comparaison des modèles et conclusion sur le comportement hydrologique du bassin

Au vu de l'agrandissement de la station souhaité et des besoins supplémentaires en eau qui en résultent, il est aisé de constater que l'eau de la fonte sur le bassin versant de Puy-Saint-Vincent ne parviendra pas à satisfaire la demande. En effet, que ce soit dans la combe de Narreyroux ou sur le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent, les débits sont insuffisants et surtout trop irréguliers selon les années. Pour une plus grande sécurité, il est donc nécessaire de pomper l'eau dans le fond de la vallée. Un pompage au niveau de la prise d'eau à la confluence entre le Gyr et l'Onde est ainsi envisagé (voir figure 1).


Figure 1 - Plan du site envisagé pour le pompage.
La forme ovale rouge indique le lieu de pompage pour l'alimentation de la retenue. (Source : Carte IGN)

Du point de vue de la modélisation, on constate que les deux modèles utilisés présentent des avantages mais aussi des inconvénients.

HEC-HMS nécessite de nombreuses données pour un calage optimal du fait de la quantité de paramètres à régler. Cependant, cela permet une grande flexibilité du logiciel. Dans notre cas, il nous a été toutefois impossible d'obtenir de bons résultats de débits à la fois sur les saisons estivale-automnale et hivernale-printanière.
La fonte de la neige est, quant à elle, bien modélisée par le module météorologique Snow Model. Nous utiliserons donc ce logiciel pour effectuer l'étude de l'impact du changement climatique sur la couverture neigeuse à Puy-Saint-Vincent. Une faiblesse de HEC-HMS est, malgré tout, son impossibilité à fournir des résultats suivant les tranches d'altitudes servant au calcul. En effet, seule la moyenne du SWE (équivalent en eau de la neige) est disponible.

Le module Cemaneige a, quant à lui, la particularité de s'appuyer sur un nombre de données limitées et disponibles facilement car il s'agit de données classiquement mesurées en météorologie. L'ordre de grandeur des débits obtenus est cohérent avec les valeurs de débits observées. Ce modèle ne permet cependant pas de prendre en compte la fonte glacière et d'ajuster des paramètres tels que la température de distinction pluie/neige.
En ce qui concerne les hauteurs de neige, elles sont modélisées mais ne permettent pas une bonne représentation des hauteurs réellement observées. Le modèle GR4J avec lequel il est associé, est un modèle conceptuel ne faisant pas appel aux équations physiques. Certaines interprétations ou résultats sont difficilement exploitables, ce modèle est pertinent, avant tout pour l'estimation des débits. Le calage réalisé a permis d'obtenir une bonne estimation des débits sur le bassin versant de Puy-saint-Vincent.

Le bilan hydrologique actuel étant réalisé, la suite du travail traite de l'influence du réchauffement climatique sur les hauteurs de neige, absolument nécessaires pour le bon fonctionnement de la station de ski.

Estimation des modifications causées par le changement climatique

L'enneigement, pourtant crucial pour le bon fonctionnement de la station est de plus en plus menacé par le réchauffement climatique. En effet, la distinction pluie-neige, comprise entre -3 et 3°C, est très sensible à la moindre variation de la température.
Afin d'assurer une meilleure gestion de l'eau dans la station pour les années à venir, une analyse de la hausse des températures et de la pluviométrie s'impose. Le logiciel HEC-HMS permettra de faire la simulation correspondante. La conséquence de ce réchauffement climatique sera particulièrement observée sur les hauteurs de neige. L'hypothèse concernant l'équipement en canons à neige (voir Enneigement artificiel et aménagement du domaine skiable) tiendra compte des résultats obtenus dans cette section.

La première étape consiste à définir une hausse de température et de précipitation. La littérature propose des chiffres très variables, associés à des incertitudes importantes. Afin d'obtenir une estimation de température et de pluviométrie plus précise et spécifique aux Alpes, le document Changement climatique et évolution de l'enneigement dans les Alpes de Météo France a été pris comme document de référence pour fixer les valeurs.

Plusieurs informations chiffrées apparaissent dans ce document. Les résultats présentés dans le tableau ci-dessous s'appuient sur plusieurs modèles. Le modèle ALADIN utilisé par Météo France et le modèle SCAMPEI (Scénarios Climatiques Adaptés aux zones de Montagne : Phénomènes extrêmes, Enneigement et Incertitudes) plus récemment développé par la collaboration de cinq laboratoires.

Tableau 1 - Synthèse des résultats de température et de pluviométrie pour différents modèles dans les Alpes. (Source : Changement climatique et évolution de l'enneigement dans les Alpes de Météo France) 

  Tannuelle Pannuelle Thivernal Phivernal Tété
Observation au Col de Porte (1325m) entre 1961 et 2010  +0.4°C/décennie -30mm/décennie      
Modèle de prévision Aladin pour les Alpes du Sud pour 2021-2050 avec scénario médian     +1.6/ à la moyenne de 1961-1990 +3mm/ à la moyenne de 1961-1990  
Modèle de prévision Aladin pour les Alpes du Sudpour 2021-2050 avec scénario GHG     +1.7/ à la moyenne de 1961-1990 précipitations peu variables  
Modèle de prévision SCAMPEI ​pour les Alpes du Sud pour 2021-2050 -1.75/ à la moyenne de 1961-1990
 
-17mm/ à la moyenne de 1961-1990   -15mm/ à la moyenne de 1961-1990 +2.2/ à la moyenne de 1961-1990

Au vu des résultats fournis par le tableau ci-dessous, les valeurs prises pour les simulations avec le logiciel HEC-HMS seront, si les références sont la moyenne de la pluviométrie et des températures en 2010 et 2015, :
- une température de +0.4°C à l'horizon 2025, et +0.9°C à l'horizon 2035
- une pluviométrie inchangée (résultats très variable) et une hausse de +30mm à l'horizon 2025 et +60mm à l'horizon 2035 afin d'analyser si l'augmentation de précipitation rattrape la perte de hauteur de neige associée.

La simulation avec la seule prise en compte de la hausse des températures est présentée sur la figure 1.

Figure 1 - Evolution du SWE avec une hausse des températures seule

De manière cohérente, on remarque que la hausse des températures va provoquer une diminution de la hauteur de neige d'environ 15cm/jour à l'horizon 2035 ainsi qu'une fonte totale avancée de six jours tous les 10ans. On note que l'enneigement est effectivement très sensible au changement puisqu'une hausse de la température de +0.4°C entraîne une baisse du SWE de l'ordre de 10% alors qu'une hausse de la température de +0.5°C entraîne une baisse du SWE de l'ordre de 15%.

Une simulation a été faite par Météo France (avec le logiciel SCAMPEI) au col de Porte (1325m) qui a montré, pour une hausse de 2°C, une perte de hauteur de neige d'environ 37.5cm. En convertissant les SWE trouvés avec HEC-HMS en hauteur de neige, on observe une diminution respectivement égale à 4cm et 11.7cm pour une augmentation de température de 0.4°C et 0.9°C. Les résultats trouvés paraissent donc cohérents puisqu'un facteur deux en température induit une multiplication par trois de la perte de neige. Il est cependant à noter que l'altitude moyenne de Puy-Saint-Vincent est supérieure à l'altitude du col de Porte.

Cette diminution peut être contrebalancée en partie par une hausse de la pluviométrie comme le montre le graphe ci-dessous.

Figure 3 - Evolution du SWE avec une hausse des températures et de la pluviométrie

On constate en effet qu'une hausse de 30mm de pluie permettrait de compenser en partie la hausse des températures que ce soit du point de vue du SWE mais aussi du point de vue de la date de fonte totale, avancée de seulement quatre jours au lieu de six tous les 10 ans.

​Ces résultats sont toutefois à relativiser car les incertitudes sont fortes quant aux modifications engendrées par le changement climatique, d'autant plus que l'étude se positionne à une échelle locale.

Il sera nécessaire d'augmenter le nombre de pistes enneigées afin de limiter l'influence du réchauffement climatique sur les périodes d'ouverture de la station.