Projets de recherche Hydro-CH2018

Hydro-CH2018 a notamment pour objectif d’améliorer la compréhension des processus hydrologiques afin de combler les déficits de connaissances concernant les impacts des changements climatiques sur les ressources en eau de la Suisse. À cet effet, différents projets de recherche ont été effectués avec la participation de nombreux instituts de recherche suisses.


Actualisation des scénarios hydrologiques d’après les nouveaux scénarios climatiques

Quelle est l’évolution des débits dans différents scénarios climatiques?

Démarche

Au total, 93 bassins versants (stations OFEV) ont été calibrés et validés avec le modèle PREVAH-UniBE. Ils couvrent divers régimes d’écoulement (pluvial, nival, glaciaire, subalpin) et surfaces (de 10 à 1700 km2). Pour chaque bassin versant, des séries journalières de débit ont été générées pour différents scénarios d’émissions (RCP2.6, 4.5, 8.5). Les débits quotidiens obtenus ont été analysés pour divers indicateurs à un niveau d’eau moyen, en situation de crue et en situation d’étiage. Comme les nouveaux scénarios climatiques sont disponibles en continu sur 120 ans, il est possible pour la première fois de déterminer le moment où surviennent les changements de débit significatifs.

Principaux résultats

  • Le moment où surviennent les changements de débit significatifs a tendance à être plus précoce dans les bassins versants situés en altitude que dans les régions du Plateau.
  • D’autres résultats figurent dans l’atlas web du NCCS et dans l’HADES.

Quantification des parts du débit provenant de la fonte des neiges et des glaciers

Schnee- und Gletscherschmelze
Vue du Val Maighels et du glacier de Maighels (Rhin antérieur) depuis le Piz Tagliola
© Markus Weiler

Quelles conséquences la fonte des glaciers et la diminution du manteau neigeux ont-elles sur le débit?

Démarche

Les parts du débit provenant de la pluie, de la fonte des neiges et des glaciers ont été calculées pour 190 têtes de bassins versants englacés des Alpes suisses à l’aide du modèle hydrologique HBV Light-UniZH. Ses modules dédiés à la neige et aux glaciers ont été spécialement adaptés pour représenter au mieux le manteau neigeux et les glaciers. Le modèle a été calibré avec les données relatives au débit, à la couverture neigeuse et aux glaciers. Cela a permis de calculer les parts du débit même dans les régions pour lesquelles il n’existe aucune donnée de débit, puisque les données sur le manteau neigeux et sur la superficie des glaciers sont disponibles pour l’ensemble du territoire.

Principaux résultats

La contribution totale de la fonte des glaciers des 190 têtes de bassins versants représente actuellement 8% du débit annuel et diminue sans mesures de protection du climat pour atteindre moins de 2% vers la fin du siècle. Sans mesures de protection du climat (RCP8.5), la contribution de la neige au débit annuel passe de 34% aujourd’hui à 25% d’ici la fin du siècle.


Scénarios hydrologiques basés sur des données climatiques stochastiques à haute résolution

Quelles sont les conséquences de la variabilité naturelle des données climatiques sur les scénarios hydrologiques?

Démarche

Dans neuf projections climatiques CH2018, la variabilité naturelle de l’atmosphère a été simulée au moyen d’un générateur de conditions météorologiques. Ainsi, pour les trois bassins versants de la Thur, de la Petite Emme et de la Maggia, des paramètres météorologiques ont pu être calculés en haute résolution spatiotemporelle (p. ex. valeurs horaires des précipitations) tels qu’ils sont à prévoir compte tenu des futures conditions climatiques. Sur la base de ces données climatiques, des scénarios hydrologiques ont alors été conçus avec le modèle hydrologique Topkapi-ETH. Les résultats ont été comparés à la variabilité naturelle actuelle.

Principaux résultats

  • Pour la période de 2020 à 2049, les modèles montrent déjà des changements concernant les précipitations annuelles. Cela dit, ceux-ci sont plus importants que la variabilité naturelle actuelle uniquement dans un scénario sans mesures de protection du climat et à la fin du siècle.
  • Les changements concernant les fortes précipitations peuvent varier considérablement sur une petite zone, au sein même des bassins versants. Ainsi, elles sont en hausse jusqu’à la fin du siècle sur des sections du bassin de la Petite Emme et de la Thur situés à basse altitude tandis qu’elles ont tendance à diminuer à plus haute altitude.
  • Les valeurs horaires des fortes précipitations augmentent sans mesures de protection du climat jusqu’à la fin du siècle (hausse de la médiane de 5% pour la Thur et la Petite Emme, et de 20% pour la Maggia). Mais d’un point de vue statistique, cette progression, calculée pour les épisodes de fortes précipitations avec une probabilité d’occurrence de deux ans et de 30 ans, n’est pas significative et se situe dans la plage de la variabilité naturelle actuelle.
  • Les changements concernant les débits de crue annuels n’ont pas de significativité statistique et coïncident également avec la variabilité naturelle actuelle.

Dynamique forestière, utilisation du sol et régime hydrique

Quelles sont les conséquences des futurs changements de la dynamique forestière sur l’évapotranspiration et sur les débits?

Démarche

Le modèle de régime hydrique PREVAH-WSL a été couplé à un modèle de développement forestier. Les conséquences sur le développement forestier et sur le régime hydrique ont été calculées dans six bassins versants d’après les scénarios climatiques CH2018.

Principaux résultats

  • Sur le Plateau et dans les Préalpes, les débits ne devraient pas évoluer de manière importante du fait des modifications
    de la dynamique forestière.
  • Les changements climatiques favorisent le renforcement du boisement alpin. L’extension des surfaces forestières dépend aussi de l’évolution de l’économie alpestre étant donné que la forêt ne peut pas conquérir des surfaces pâturées.
  • Un boisement plus important dans les Alpes aurait une influence considérable sur l’évapotranspiration et sur les débits. Dans un avenir lointain, cela pourrait se traduire dans les bassins versants alpins par une hausse de l’évapotranspiration et donc par une réduction du débit annuel allant jusqu’à 10%. En raison de la plus grande profondeur d’enracinement, c’est à l’automne que cet effet est le plus prononcé, aggravant encore le débit minimal dû au climat durant cette saison.

AgriAdapt : impacts des changements climatiques et des modifications de l’exploitation sur les rendements et les ressources en eau

Comment le besoin d’irrigation évolue-t-il face aux changements climatiques et quelles sont les répercussions sur le niveau des eaux souterraines?

Démarche

Pour un aquifère du Seeland bernois, on a étudié, à l’aide d’un système intégré de modèles (modèle végétal, modèle hydrologique et modèle d’eaux souterraines), les répercussions des changements climatiques sur les cultures agricoles, les besoins d’irrigation et le niveau des eaux souterraines.

Principaux résultats

  • Sans mesures de protection du climat (scénario RCP8.5), le besoin d’irrigation augmenterait d’environ 40% d’ici à la fin du siècle ; avec des mesures de protection du climat (scénario RCP2.6), il faudrait s’attendre à une augmentation moyenne d’environ 13%.
  • Sans mesures de protection du climat et en cas d’intensification de l’agriculture (+20% de cultures fortement consommatrices d’eau), le besoin d’eau augmenterait en moyenne de 35% supplémentaires. Une façon d’économiser l’eau consisterait à cultiver davantage de variétés précoces et à développer les cultures hivernales.
  • Sans mesures de protection du climat (scénario RCP8.5), les besoins en eau liés à l’irrigation dépasseraient à l’avenir le besoin actuel en eau potable.
  • Sans mesures de protection du climat (scénario RCP8.5), le niveau des eaux souterraines serait plus bas en été et à l’automne. Ce phénomène serait encore accentué par des prélèvements d’eau supplémentaires en vue de l’irrigation. Toutefois, l’effet des changements climatiques sur le niveau des eaux souterraines serait plus important que les conséquences des scénarios d’utilisation du sol (+/- 20% de cultures fortement consommatrices d’eau).

Bilan hydrique et sécheresse

Quel est l’impact des changements climatiques sur la sécheresse, sur la régulation de la transpiration par la physiologie végétale et sur les futurs besoins en irrigation?

Démarche

Avec le modèle climatique régional couplé COSMO-CLM2, les conséquences des changements climatiques sur le bilan hydrique et sur les périodes de sécheresse en Europe ont été calculées sur un maillage de 50 km (scénario RCP8.5). Les recherches ont notamment porté sur les futurs besoins en irrigation et sur les adaptations de la physiologie végétale aux concentrations accrues en CO2. De plus, les chaînes de modèles de CH2018 ont fait l’objet d’analyses approfondies en ce qui concerne la sécheresse future.

Principaux résultats

  • Sans mesures de protection du climat, la Suisse doit s’attendre à l’avenir à ce que les périodes de sécheresse soient plus longues, le sol, moins humide, et les débits, réduits. Le niveau exact du dessèchement estival est encore incertain.
  • Du fait des changements climatiques, les besoins en irrigation doublent d’ici la fin du siècle pour les terres actuellement
    cultivées et en supposant que la surface agricole utile reste la même.
  • Les plantes réagissent aux concentrations accrues en CO2 en refermant leurs pores (stomates) et en laissant moins d’eau s’échapper. Cela entraîne une diminution générale de l’évapotranspiration qui pourrait également accentuer la hausse de la température de l’air et générer des températures extrêmes dans de vastes régions d’Europe centrale et septentrionale.
  • Tandis que les modèles climatiques globaux tiennent compte de cet effet de la physiologie végétale, il est absent des projections climatiques régionales qui ont été utilisées pour les scénarios climatiques CH2018. Une fois que ce processus est pris en considération, la température maximale projetée en été est alors encore plus élevée que dans CH2018.

Dynamique des eaux souterraines et stockage dans les bassins versants alpins

Comment les ressources en eaux souterraines évoluent-elles dans les bassins versants alpins avec les changements climatiques et quelles influences ont-elles sur la formation des débits?

Démarche

La relation entre la dynamique des eaux souterraines et la dynamique des débits a été étudiée dans onze bassins versants alpins. Les mesures et les informations géologiques ont été intégrées aux modèles à base physique. Grâce à ces simulations, l’influence des changements climatiques sur les réservoirs d’eaux souterraines et sur la réaction des bassins versants peut être quantifiée.

Principaux résultats

  • Dans les Alpes, les réservoirs d’eaux souterraines en roches meubles et ceux en roches cohérentes réagissent différemment aux changements climatiques. Dans les roches meubles, c’est surtout la dynamique saisonnière qui change, tandis que, considérée sur toute l’année, la quantité demeure inchangée. Contrairement aux sites du Plateau, la dynamique saisonnière des eaux souterraines diminue dans les roches meubles alpines.
  • Dans les roches cohérentes alpines, des tendances baissières à long terme peuvent également apparaître dans la quantité d’eaux souterraines stockée.
  • Malgré la fonte des neiges précoce et l’évapotranspiration accrue en été, la quantité d’eaux souterraines stockée et l’écoulement dans les régions alpines restent bien plus élevés en été qu’en hiver. Les vastes terrains sédimentaires meubles ont pour effet de réguler le débit car ils sont à même de stocker puis de libérer d’importantes quantités d’eaux souterraines de manière saisonnière.

Réservoirs d’eau

Speichersee
© Manfred Stähli, WSL

Les lacs naturels et les réservoirs artificiels peuvent-ils contribuer à maîtriser la pénurie d’eau en été?

Démarche

Des scénarios hydrologiques ont été élaborés pour toute la Suisse avec le modèle hydrologique PREVAH-WSL. Au total, huit chaînes de modèles climatiques avec des mesures de protection du climat (RCP2.6) et 18 chaînes de modèles climatiques sans mesures de protection du climat (RCP8.5) ont été utilisées. Sur la base de ces résultats, les variations du volume d’eau global disponible en Suisse peuvent être déterminées. Les futurs besoins en eau ont également été estimés d’après les scénarios hydrologiques.

Principaux résultats

  • Presque tout le volume de stockage des réservoirs artificiels est effectivement utilisable, mais il est aujourd’hui généralement réservé à la production d’énergie hydroélectrique. Dans les lacs naturels, seule une faible part est utilisable durablement étant donné qu’il n’est pas possible d’aller en dessous d’un niveau d’eau minimum. Tous les lacs doivent aussi respecter les débits résiduels dans les eaux en aval.
  • Il faut s’attendre à une pénurie d’eau en été principalement sur le Plateau, et seulement à certaines conditions dans les régions alpines. Les réservoirs artificiels se trouvent surtout dans les Alpes, bien loin des zones susceptibles de souffrir d’un manque d’eau. C’est la raison pour laquelle la contribution que les lacs de retenue alpins peuvent apporter à la réduction de la pénurie de l’eau en été sur le Plateau est plutôt faible. Des réservoirs locaux auraient un plus gros potentiel, mais le Plateau est confronté à un manque général de place.

Influence des changements climatiques sur les températures des cours d’eau et des lacs

Comment la températurede l’eau dans les cours d’eau et lacs suisses évoluera-t-elle?

Démarche

À l’aide des modèles Snowpack/Alpine3D et StreamFlow, des scénarios relatifs à la température de six cours d’eau sur le Plateau (Birse, Broye, Eulach, Ergolz, Rietholzbach et Suze) et de quatre dans les Alpes (Inn, Kander, Landwasser et Lonza) ont été élaborés à titre d’exemple. En raison des longs temps de calcul, sept projections climatiques RCP8.5 et quatre RCP2.6 ont pu être considérées pour une période de référence raccourcie (1990-2000) et deux décennies futures (2055-2065 et 2080-2090).

Les températures et les processus de brassage dans 29 lacs ont été calculés en continu sur la période de 1981 à 2099 dans les trois scénarios – avec des mesures significatives de protection du climat (RCP2.6), avec des mesures moyennes de protection du climat (RCP4.5) et sans mesures de protection du climat (RCP8.5) – avec Simstrat, le modèle de lac unidimensionnel à base physique. Les lacs sélectionnés sont situés entre 200 m et 1800 m d’altitude, pour des volumes allant de 0,004 à 89 km3.


Évolution de la température dans les eaux souterraines en roches meubles en Suisse

Quels sont les principaux facteurs ayant une influence sur l’évolution de la température des eaux souterraines et comment la température des eaux souterraines évoluera-t-elle?

Démarche

Les conséquences des changements climatiques sur le renouvellement des eaux souterraines et sur la température ont été étudiées de manière plus approfondie pour 35 aquifères situés dans cinq régions suisses (Bâle-Ville, Bâle-Campagne, Bienne, Winterthour et Davos) et des paramètres-clés représentatifs ont été déduits (p. ex. géométries des aquifères, propriétés des réservoirs, taux de renouvellement et temps de séjour des eaux souterraines).

D’une part, les eaux souterraines présentes dans l’espace urbain ont été modélisées avec des modèles 3D de transfert thermique à haute résolution spatiotemporelle. D’autre part, en coopération avec l’EPFL et à l’aide du modèle Alpine3D, l’évolution des précipitations, des débits et des températures a été évaluée pour les 35 aquifères dans les trois scénarios d’émissions : avec des mesures significatives de protection du climat (RCP2.6), avec des mesures moyennes de protection du climat (RCP4.5) et sans mesures de protection du climat (RCP8.5). Les évaluations ont permis de décrire la sensibilité de la température des eaux souterraines dans le cadre des principaux processus de renouvellement des eaux souterraines dans les différents scénarios d’émissions futures.

Principaux résultats

  • Les conséquences sur la température des eaux souterraines sont avant tout liées aux décalages saisonniers du renouvellement de celles-ci. Ainsi, un déplacement des épisodes de précipitations et de crues de l’été à l’hiver va de pair avec une augmentation du renouvellement des eaux souterraines durant les saisons relativement «froides».
  • Concernant les eaux souterraines souterraines urbaines, peu profondes et peu importantes comme celle de Davos, il faut s’attendre à ce que la température des eaux souterraines soit soumise à une influence plus forte. Par contre, des changements de température des eaux souterraines dans des aquifères profonds comme à Bienne, ou parfois très profonds comme à Winterthour, ne sont escomptés que de manière très atténuée et sur de longues périodes d’observation.

Dernière modification 16.03.2021

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