ÉROS : un logiciel de modélisation hydrologique semi-globale d’un bassin versant découpé en sous-bassins

Développé par le BRGM, le logiciel ÉROS sert à la modélisation hydrologique par bilan Pluie - Débit de rivière - Niveau de nappe d’un bassin versant hétérogène découpé en sous-bassins.
Cartes et schémas issus du logiciel ÉROS

Cartes et schémas issus du logiciel ÉROS.

© BRGM

Présentation du logiciel ÉROS 

Le logiciel ÉROS (Ensemble de Rivières Organisé en Sous bassins) permet, à partir de la séquence des données météorologiques (précipitations, évapotranspiration potentielle, température de l’air) sur les sous-bassins de son bassin d’alimentation de calculer : 

  • Le débit dans les cours d’eau à l’exutoire de tout ou partie des sous-bassins ; 
  • Le niveau piézométrique en un point de la nappe libre sous-jacente dans tout ou partie des sous-bassins.

Les effets de pompages, ou d’injections en rivière peuvent être pris en compte. 

Et aussi, sur option : 

  • La concentration en nitrate dans le cours d’eau à l’exutoire du sous-bassin ; 
  • La concentration en nitrate dans la nappe sous-jacente au sous-bassin.

ÉROS est constitué d’une grappe de modèles hydrologiques globaux à réservoirs. Dans chaque sous-bassin versant de la grappe il simule les principaux mécanismes du cycle de l’eau (pluie, évapotranspiration, infiltration, écoulement) par des lois physiques simplifiées. Ces lois physiques simplifiées correspondent à un écoulement à travers une succession de réservoirs. 

Les calculs peuvent être réalisés au pas de temps journalier, hebdomadaire, décadaire (dix jours) ou mensuel. Il est également possible d’utiliser des pas de temps fins au choix de l’utilisateur : par exemple 5 mn ou ½ heure. 

Il est possible de prendre en compte la fonte de la neige. 

Schéma de principe de GARDÉNIA, et schéma du modèle GARDÉNIA avec un réservoir souterrain à deux orifices de vidange

Schéma de principe de GARDÉNIA, et schéma du modèle GARDÉNIA avec un réservoir souterrain à deux orifices de vidange.

© BRGM

Fonctionnalités du logiciel ÉROS 

Le logiciel ÉROS permet les fonctionnalités suivantes : 

  • Établissement à l’échelle des sous-bassins d’un bilan Pluie - Évapotranspiration réelle - Ruissellement - Infiltration à la nappe sous-jacente, 
  • Génération, dans les bassins et sous-bassins, de longues séries de débits ou de niveaux piézométriques à partir d’historiques de pluies, après calibration préalable sur une période plus courte, 
  • Analyse de l’influence du changement climatique sur les débits et les niveaux 
  • Analyse de cohérence entre observations climatiques et observations des débits ou des niveaux piézométriques. 

Dans la pratique, ÉROS permet d’analyser le fonctionnement hydrologique d’un bassin versant hétérogène ou soumis à des pompages en rivière, d'étendre des données de débits et / ou de niveaux. Il peut ainsi aider au dimensionnement de différents types d’ouvrages (barrages) ou aménagements (parkings, ouvrages de captage en rivière, microcentrales électriques), etc. 

En effet, le modèle, une fois calibré, est en mesure : 

  • De reconstituer, pour un bassin versant donné, les débits des rivières, et les niveaux piézométriques en un point des nappes sous-jacentes, durant une période pendant laquelle on ne possède pas de mesures, 
  • De simuler : 
    • Des débits résultant de périodes de sécheresse (débits d’étiage ou dimensionnement de barrage) ou de séquences de précipitations exceptionnelles (risques d’inondations), 
    • Des niveaux piézométriques ponctuels de nappe à partir de précipitations effectivement observées, prolongées par des scénarios de précipitations prévisionnels (sécheresses, périodes de hautes eaux). 
  • Le code de calcul ÉROS est un outil tout particulièrement adapté aux synthèses régionales pour lesquelles on désire réaliser, une modélisation cohérente d’un ensemble de bassins versants emboîtés. 
  • De prévoir l’influence du changement climatique sur un grand bassin à partir de scénarios de pluie et d’évapo-transpiration potentielle. 

ÉROS v.7.2 dispose en particulier des nouvelles fonctionnalités suivantes : 

  • Possibilité de calibrer les paramètres du modèle simultanément sur les séries de débits mesurés à l’exutoire de bassins et sous-bassin et sur des séries de niveaux piézométriques en un point représentatif de certains sous-bassins. Cette fonctionnalité permet une amélioration significative de la fiabilité de la calibration 
  • Possibilité de prendre en compte des séries temporelle de prélèvements (ou d’injection) de débits en rivière dans certains sous-bassins versants. 

Au choix de l’utilisateur, un calcul de bilan et de transfert de nitrate peut être réalisé, à partir des pratiques culturales et des besoins des cultures dans chaque sous-bassin. 

ÉROS permet alors de calculer également dans chaque sous-bassin : 

  • La concentration en nitrate dans le cours d’eau à l’exutoire du sous-bassin, 
  • La concentration en nitrate dans la nappe sous-jacente au sous-bassin. 

Le calcul de transfert de nitrate est réalisé avec le schéma de calcul BICHE du BRGM (Thiéry & Seguin, 1985c, Thiéry, 1990). 

Graphiques issus du logiciel ÉROS 

Graphiques issus du logiciel ÉROS.

De gauche à droite et de haut en bas : 1. Coefficients de Nash sur les débits journaliers simulés des 41 bassins de la Seine. 2. Débits journaliers observés et simulés de la Seine à Poses (65 000 km2). Coefficient de Nash = 0.92. 3. Bassin versant de la Loire à Montjean discrétisé en 68 sous-bassins - projet de recherche ICC-Hydroqual (Moatar et al., 2010). 4. Débits journaliers observés et simulés de la Vienne à Ingrandes (10040 km2). 5. Débits journaliers observés et simulés de la Loire à Montjean (100 000 km2). 6. Niveau piézométrique dans la nappe sous-jacente du sous-bassin en amont de Tours. 7. Débit moyen mensuel minimal de chaque année de la Loire à Tours pour un scénario de changement climatique. 8. Concentrations en nitrate observées et simulées dans les sources de Provins de 1947 à 1984. 9. Concentration en nitrate observée et simulée dans les sources des Trois Fontaines de 1989 à 2008.

© BRGM

Principe de fonctionnement du logiciel ÉROS 

Dans chaque sous-bassin, ÉROS met en œuvre un modèle hydrologique global à réservoirs GARDÉNIA. Chaque modèle global simule les principaux mécanismes du cycle de l’eau dans un sous-bassin versant (pluie, évapotranspiration, infiltration, écoulement) par des lois physiques simplifiées. Ces lois physiques simplifiées correspondent à un écoulement à travers une succession de réservoirs. 

Dans un sous-bassin, les transferts d’un réservoir à l’autre sont régis par des lois simples décrites par les paramètres dimensionnels du modèle (capacité de rétention du sol, temps de transfert, seuils de débordement, etc.). 

Le modèle hydrologique global permet d’obtenir le débit élémentaire à l’exutoire du sous-bassin et le niveau piézométrique en un point représentatif de la nappe sous-jacente. 

Les débits élémentaires des sous-bassins sont alors agglomérés de l’amont vers l’aval, en prenant en compte le temps de transfert d’un bassin à l’autre 

En raison du caractère global de cette schématisation à l’échelle du sous-bassin et de la complexité du système hydrologique réel, ces paramètres, bien qu’ayant un sens physique, peuvent difficilement être déduits a priori des caractéristiques physiographiques ponctuelles du bassin versant (géologie, couverture végétale, etc.). 

Les paramètres de modélisation doivent donc être déterminés par ajustement (calibration) simultanée sur : 

  • Des séries d’observations de débits à l’exutoire des sous-bassins, ou de certains d’entre eux. 
  • Des séries d’observations de niveaux piézométriques dans la nappe sous-jacente de certains sous-bassins 

Données nécessaires pour utiliser ÉROS 

Les données nécessaires à la calibration des paramètres sont des séries temporelles à pas de temps constant : 

  • Séries de données d’"entrées" du modèle pour chaque sous-bassin :
    • Des séries temporelles ininterrompues de données climatiques d'« entrées » du modèle : pluie et évapotranspiration potentielle (éventuellement température de l’air, si la prise en compte de la fonte de la neige est nécessaire) ; 
  • Séries de données d’"entrées" du modèle éventuellement dans certains sous-bassins :. 
    • Éventuellement une série temporelle de débit de prélèvement (ou d’injection) en rivière dans certains sous-bassins ; 
  • Séries de données de contrôle du modèle dans certains sous-bassins : 
    • Des séries temporelles d’observations de débit à l’exutoire des sous-bassins. Ces séries peuvent présenter des lacunes d’observations à certains pas de temps. 
    • Des séries temporelles d’observations de niveau piézométrique dans la nappe sous-jacente des sous-bassins. Ces séries peuvent présenter des lacunes d’observations à certains pas de temps. 

Ces séries de contrôle seront comparées avec les données correspondantes du modèle. 

Logiciel EROS 

Le logiciel EROS (Ensemble de Rivières Organisé en sous bassins) est une généralisation de GARDÉNIA. Il permet de modéliser un bassin versant hétérogène sous forme d’une grappe hiérarchisée de modèles GARDÉNIA. Chaque modèle GARDÉNIA étant appliqué à un sous bassin. 

Mise à disposition de licences d’utilisation gratuite 

Il est possible télécharger gratuitement ÉROS v7.2 pour une utilisation sous Windows 8 ou 10 (sur les ordinateurs 64 bits). 

Thiéry, D. (2018a) – Logiciel ÉROS version 7.1. Guide d’utilisation. Rapport BRGM/RP-67704-FR, 175 p., 82 fig. http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-67704-FR.pdf 

Thiéry D. (2015a) - Validation du code de calcul GARDÉNIA par modélisations physiques comparatives. BRGM/RP-64500-FR, 48 p., 28 fig. http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-64500-FR.pdf 

Thiéry D. (2014) - Logiciel GARDÉNIA, version 8.2. Guide d’utilisation. BRGM/RP-62797-FR, 136 p., 67 fig., 2 ann. http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-62797-FR.pdf 

Thiéry, D. 2010 – Reservoir Models in Hydrogeology. in “Mathematical Models Volume 2, chapter 13, pp. 409-418 • Environmental Hydraulics Series”. Tanguy J.M. (Ed.) – Éditions Wiley/ISTE London. ISBN: 978-1-84821-154-4. 

Moatar, F., Dupont, N. (2016) - La Loire fluviale et estuarienne - Un milieu en évolution. Édition Quae. 320 p. ISBN : 978-2-7592-2401-2 http://www.quae.com/fr/r4749-la-loire-fluviale-et-estuarienne.html  

Moatar, F., Ducharne, A., Thiéry, D., Bustillo, V., Sauquet, E., Vidal, J.P. 2010 - La Loire à l’épreuve du changement climatique. Géosciences, No. 12, 78-87. https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-00549254/document  

Thiéry, D. (2018b) – Modélisation hydrologique globale des débits de 23 sources karstiques avec le logiciel ÉROS. Rapport BRGM/RP-67723-FR, 66 p., 23 fig. http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-67723-FR.pdf  

Thiéry D., 1992 - Influence de la physiographie d'un bassin versant sur les paramètres de modélisation hydrologique globale. Application à la Bretagne et à la Moselle. VIIIèmes journées hydrologiques de l'ORSTOM Montpellier "Régionalisation en hydrologie, application au développement". In Le Barbé et E. Servat (Ed) ORSTOM Editions, pp. 517-529. https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/hal-01061970/document  

Thiéry, D. et Moutzopoulos, C. (1992) – Un modèle hydrologique spatialisé pour la simulation de très grands bassins : le modèle EROS formé de grappes de modèles globaux élémentaires. VIIIèmes journées hydrologiques de l'ORSTOM « Régionalisation en hydrologie, application au développement ». In Le Barbé et E. Servat (Ed.) ORSTOM Éditions, pp. 285-295. https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/hal-01061971/document  

Ducharne, A., Sauquet, E., Habets, F., Déqué, M., Gascoin, S., Hachour, A., Martin, E., Oudin, L., Pagé, C., Terray, L., Thiéry, D., Viennot, P. (2011) – Évolution potentielle du régime des crues de la Seine sous changement climatique. La Houille Blanche, N°1-2011, pp. 51-57. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00557280/document  

Habets, F., Boé, J., Déqué, M., Ducharne, A., Gascoin, S., Hachour, A., Martin, E., Pagé, E., Sauquet, E., Terray, L., Thiéry, D., Oudin, L., Viennot, P.( 2013) –Impact of climate change on the hydrogeology of two basins in Northern France. Climatic Change journal. Online version: doi:10.1007/s10584-013-0934-x  

Thiéry, D., Lopez, B., Bourguignon, A., Gutierrez, A., Baran, N. (2009) – Modélisation des transferts de nitrate sur le site karstique des Trois Fontaines pour contribuer à la protection des captages vis-à-vis des pollutions diffuses et de l’impact des pratiques agricoles. Revue Géologues n°163 Déc. 2009 pp. 82-86. 

Thiéry, D., (1990) - Modélisation des transferts de nitrates dans un bassin versant. Validation du modèle Biche et analyse de sensibilité. Rapport BRGM/RR-30976-FR, 78 p., 38 fig. http://infoterre.brgm.fr/rapports/RR-30976-FR.pdf  

Thiéry, D., Seguin, J.J. (1988) – Prévision des variations de concentration en nitrates dans une source au moyen d'un modèle hydrologique global. 4e Symp. int. Sur l'analyse des systèmes appliquée à la gestion des ressources en eau, Rabat (Maroc), 11-13 septembre 1988, CR., 1988, p. 215-229. https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/hal-01070950  

Thiéry, D. (1987) Étude de l'influence de la variabilité climatique sur le transfert des nitrates dans un bassin versant. Applications aux sources de la Voulzie (Provins - Seine-et-Marne). Rapport BRGM 87 SGN 869 EAU, 42 p. http://infoterre.brgm.fr/rapports/87-SGN-869-EAU.pdf  

Thiéry, D., Seguin, J.J. (1985c) - Modélisation globale des transferts de nitrates dans un bassin hydrogéologique pour prévoir l'évolution des concentrations dans les eaux souterraines. Description du modèle BICHE -trois exemples d'application-.- Ministère de l'Environnement, Direction de la Prévention des Pollutions, Service de l'Eau.- Rapport BRGM 85 SGN 663 EAU, 182 p. http://infoterre.brgm.fr/rapports/85-SGN-663-EAU.pdf

L'Areuse, rivière en Suisse

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