Eaux de surface : quelle ressource disponible ?

Bienvenue sur le portail technique "eau et milieux aquatiques" de l'Agence française pour la biodiversité.
Lundi 10 juillet 2017

Eaux de surface : quelle ressource disponible ?

Bien que les bilans du cycle de l’eau s’établissent en milliards de m3, la disponibilité de la ressource en eau est limitée et répartie de façon hétérogène dans le temps et dans l’espace.

Certaines régions, en particulier dans l'ouest et le sud de la France, connaissent des situations de sécheresse récurrentes.

Echelle limnimétrique sur la Boivre – Vienne (86)
Suivi des hauteurs d’eau dans la rivière

Les éléments présentés ici portent essentiellement sur les cours d’eau et les plans d’eau (naturels et artificiels) sur lesquels se concentrent les enjeux de la gestion quantitative de l’eau.
Pour autant, les milieux littoraux et en particulier les estuaires ont des besoins spécifiques en matière de débits et d’apports d’eau douce du continent, à prendre en compte pour assurer le bon fonctionnement de l’écosystème de ces milieux.

Accès rapide :

Les référentiels cartographiques
Les réseaux de mesures et les bases de données
L'analyse et la modélisation hydrologique des cours d'eau
Les indicateurs hydrologiques utiles à la gestion
 



Les référentiels cartographiques

La BD CARTHAGE®, le référentiel hydrographique national

La BD CARTHAGE® décrit le réseau des cours d’eau, avec une précision de 10 à 30 mètres, ainsi que leurs bassins versants.
Elle contient également des données sur les plans d’eau (lac, étang, retenue sur cours d’eau, retenue hors cours d’eau, gravière, lagune…), mais elle recense uniquement les plus grands plans d’eau.
Les données sont en accès libre et sont visualisables via une cartographie en ligne.
Détails sur le contenu de la BD CARTHAGE®   
Accès aux données cartographiques

La BD TOPO®, une précision métrique

En parallèle de la BD CARTHAGE®, l’IGN a développé la BD TOPO® qui cartographie les cours d’eau à une précision métrique.
Elle fournit également une cartographie des surfaces en eau, regroupant : les retenues, les cours de plus de 7,5 m de large, les réservoirs de stations d’épuration, …
Réaliser un traitement géomatique pour distinguer les retenues des autres objets : le rapport de l’expertise scientifique collective sur l’impact cumulé des retenues propose des éléments méthodologiques.
La BD TOPO est gratuite pour les missions de service public.
Accès aux données cartographiques

La BD TOPAGE®, le futur référentiel national

L’AFB et l’IGN ont lancé le projet BD TOPAGE® en 2016 afin de regrouper les qualités de la BD TOPO® et de la BD CARTHAGE®.
La BD TOPAGE sera disponible en 2019 pour la métropole. Les travaux devraient commencer en 2019 pour les départements d’Outre-mer. Elle sera en accès libre.

Les cours d’eau réglementaires

Ce sont par exemple : les cours d’eau pour la continuité écologique (L 214-17), les cours d’eau bonnes conditions agricoles et environnementales (BCAE, R 615-10), les cours d’eau pour l’exercice de la police de l’eau (L 214-1 à L214-6).
Concernant les cours d’eau pour l’exercice de la police de l’eau, un travail spécifique est en cours au niveau des DDT, suite à l’instruction gouvernementale de 2015 relative à l’identification de ces cours d’eau et à leur entretien. L’instruction recommande notamment aux DDT d’utiliser la BD TOPO comme base de travail.
Pour plus d’information sur ce travail : se reporter aux sites internet des préfectures de chaque département.

Les masses d’eau, échelle de référence de la DCE (Directive Cadre sur l'eau)

Pour les besoins de la mise en œuvre de la DCE, les eaux de surface ont été découpées en masses d’eau. Elles constituent l’échelle élémentaire d’évaluation des milieux aquatiques sur laquelle s’applique le cadre de la DCE. Les « masses d'eau cours d’eau » sont dérivées de la BD CARTHAGE®. Les données cartographiques sont téléchargeables sur le site du Sandre.
 

Les réseaux de mesures et les bases de données

La Publithèque, l’accès aux données de Météo-France

Les données météorologiques sont nécessaires à toute analyse hydrologique. Elles sont disponibles dans la Publithèque de Météo-France. Certaines données sont en accès libre.

Les réseaux de suivi des cours d’eau

Les données hydrométriques sont aujourd’hui collectées et mises à disposition via : la Banque Hydro pour le « temps-différé » (cf. définitions)  et Vigicrues pour le « temps-réel ».
Ces deux systèmes d’information sont en cours de regroupement dans une base de données unique (plateforme HYDRO Centrale), dans le cadre de l'opération Hydro 3.
Le réseau Onde, principalement mis en place sur les têtes de bassin dans des secteurs où il n’y a pas de station hydrométrique, apporte une information complémentaire sur le niveau d’écoulement des cours d’eau à l’étiage estival.

  La Banque Hydro est un portail qui met à disposition des données validées sur les hauteurs et les débits des cours d’eau. Elles sont utilisées pour la connaissance des débits de rivières, la prévision des crues, les calculs de débits statistiques, le contrôle des débits reglementaires, etc.
La Banque Hydro stocke les mesures (chiffres de fin 2015) :
- de hauteur d’eau sur 5 000 stations hydrométriques (dont 3 200 opérationnelles) ;
- de débits sur 2 300 stations (débits instantanés, moyens journaliers, débits statistiques…) ;
- dont environ 1 600 avec des chroniques de débit de plus de 30 ans.
Les fournisseurs de données sont principalement les services de l’État (unités d’hydrométrie en DREAL), mais aussi des opérateurs privés (EDF) ou des organismes de recherche (Irstea, universités,…), ainsi que des compagnies d’aménagement (CACG, CNR…).
Table SIG des stations hydrométrique

  Vigicrues est un portail d’accès aux informations sur la « vigilance crues » sur les cours d’eau surveillés par l’Etat (carte nationale de vigilance, bulletins nationaux et régionaux, données hydrométriques brutes en « temps-réel » sur 1650 stations de mesure et prévisions hydrométriques).
Description de la vigilance crue, Description de Vigicrues
Accès aux données en temps réel

  Onde, l’observatoire national des étiages estivaux mis en place par l'Onema en 2012 et aujourd'hui l'AFB, permet de caractériser les étiages estivaux de certains petits cours d'eau métropolitains, par appréciation visuelle de l’état d'écoulement.
Les données collectées sont utilisées pour mieux comprendre le fonctionnement des cours d’eau intermittents en période estivale (liens nappes rivières notamment).
Onde est également utilisé en appui à la gestion de crise en cas de situation jugée sensible. Il permet d’alerter quand le niveau d’écoulement se trouve dégradé sur un bassin versant. À charge ensuite aux services de l’État de prendre les mesures de limitation des usages de l’eau qui s’imposent.
Fiche technique de description du dispositif
Accès aux données d’observation et aux bilans annuels

  Le projet de sciences participatives « En quête d’eau »
L’AFB lance ce nouveau programme qui permettra de prendre part à l’observation régulière de l’écoulement des cours d’eau. L’AFB souhaite ainsi renforcer la connaissance des cours d’eau métropolitains à travers ce programme qui capitalise sur Onde. Le projet est co-construit avec les acteurs concernés par la surveillance des cours d’eau dans le cadre d’une enquête exploratoire et d’une phase de test menée au second semestre 2017.
Les résultats de l’enquête exploratoire, le programme test pour 2017

L’amélioration et l’optimisation des mesures de débit des cours d’eau

La mise en place des réseaux de suivi pose des questions opérationnelles :
  Comment produire une donnée hydrométrique de qualité ?
  Comment optimiser le coût et la pertinence des réseaux de mesure ?

Le Schapi (Service central d’hydrométéorologie et d’appui à la prévision des inondations) tête du réseau de la prévision des crues et de l’hydrométrie pour l’État) apporte des éléments de réponse à ces questions dans les documents suivants.

  La charte de qualité de l’hydrométrie - Guide de bonnes pratiques (2017)
La Charte qualité de l’hydrométrie, dont la précédente version datait de 1998, a été mise à jour en janvier 2017 par un comité de rédaction composé de membres du Groupe Doppler Hydrométrie (Irstea, Ministère en charge de l’environnement, unités d’hydrométrie des DREAL, EDF, CNR, CACG, IFSTTAR, IRD, AFB,…).
Ce document a la double vocation de servir de guide pratique, synthétique et accessible à l’ensemble des hydromètres, mais aussi d’ouvrage de référence sur l’état de l’art de l’hydrométrie. Cette nouvelle édition expose les défis auxquels les services d’hydrométrie doivent répondre, met en avant de nouvelles techniques de mesures (non intrusives notamment), insiste sur l’importance de mieux connaître et diffuser les incertitudes associées aux données et rappelle les règles essentielles de prévention pour la sécurité des hydromètres.
Ce document n’a pas valeur de norme, il s’agit plutôt d’un guide pratique.
Charte hydrométrie
Accès aux fiches :
Fiche 3.1 : Dimensionnement d’une échancrure dans un seuil hydrométrique (et tableur associé)
Fiche 4.1 : Le moulinet d’hydrométrie - Évolutions techniques de l’instrument
Fiche 4.2 : Le moulinet d’hydrométrie à axe horizontal à hélice
Fiche 6.1 : Modèle linéaire et incertitude associée
Fiche 6.3 : Débits caractéristiques d’étiage par corrélation linéaire
Plus de détails sur les normes en hydrométrie (Site AFNOR)

  Intercomparaison de mesures de débit en rivière - Guide (2016)
Ce guide technique, réalisé par le ministère en charge de l’écologie, a été conçu pour aider à la réalisation de campagnes d'intercomparaison de matériels de jaugeage.
La pratique « d'intercomparaisons », qui consiste à réaliser des mesures sur un même site par plusieurs équipes et plusieurs types d’instruments dans des conditions prédéterminées permet d’assurer une surveillance périodique des instruments de mesure utilisés, d’améliorer la connaissance des performances des instruments utilisés, de favoriser les échanges entre les équipes de jaugeurs et d’harmoniser les méthodes et pratiques.
Le guide comprend également :
- une fiche métadonnées, qui donne un exemple des données à renseigner pour présenter le site d’intercomparaison ;
- des fiches instruments, qui rappellent les limites et conditions d’utilisation des matériels ;
- des fiches terrain, pour consigner toutes les informations nécessaires lors d’une intercomparaison ;
- un outil de calculs statistiques facilitant le dépouillement des mesures et la présentation des résultats.

   Diagnostic et optimisation du réseau national d’hydrométrie

Le réseau hydrométrique de l’Etat doit s’adapter pour répondre à de nouveaux enjeux, notamment : la diversification des besoins et des utilisateurs, l’exigence de qualité et de fiabilité croissante sur toute la gamme des débits.
Pour garantir la pérennité du réseau tout en prenant en compte ces nouveaux enjeux, le Schapi réalise un état des lieux multicritères du réseau de mesures hydrométriques existant. L’objectif est d’identifier un réseau cible optimal à 5 ans, à l’échelle des six grands bassins hydrographiques. Ce travail devrait aboutir en 2018.
 

Analyse et modélisation hydrologique des cours d'eau

La connaissance du fonctionnement hydrologique des cours d’eau est nécessaire pour prévoir et mieux gérer la ressource. L’AFB y contribue à travers deux grands axes de recherche :

  • l’analyse du fonctionnement hydrologique des cours d’eau ;
  • l’appui au développement et à la bonne utilisation des modèles hydrologiques de simulation et de prévision des écoulements de surface. Le modèle est l’outil indispensable des gestionnaires. Pour autant, il est nécessaire d’en connaître précisément les potentiels et les limites, voire de développer des modèles spécifiques pour répondre aux besoins de gestion.

  Typologies simplifiées des régimes hydrologiques d’étiage (Irstea, 2012)
Cette étude propose une typologie en 4 classes, s’appuyant sur l’analyse de 11 indicateurs hydrologiques décrivant : la sévérité, le déficit, la durée, la saisonnalité et le débit de base de l’étiage.
Ces travaux ont montré que les processus liés à l’existence ou non de stocks sur le bassin (aquifères, stock neigeux) susceptibles d'expliquer l'inertie de la réponse hydrologique étaient les plus déterminants pour la différentiation des régimes d’étiages à l’échelle nationale.

  Cartographie nationale de probabilité d’intermittence des cours d’eau
L’étude a abouti à une première cartographie de la probabilité d’intermittence des cours d’eau (Irstea, 2012).
Ces travaux montrent la limite de l’utilisation des stations de la banque Hydro pour prédire les assèchements de manière robuste. En effet, ces stations sont généralement situées sur des tronçons pérennes et rendent difficilement compte des assèchements en amont ou en aval de celles-ci, sachant que les assèchements peuvent être très locaux.
Une deuxième étude est en cours pour poursuivre ces travaux en intégrant les données du réseau Onde.

  Comment simuler le débit d’un cours d’eau en l’absence de station hydrométrique ?
Bien qu’essentielles pour la gestion, les mesures de débit ne sont directement disponibles que au droit des stations disposant de chroniques suffisantes. En l’absence de station comment estimer les débits d’un cours d’eau ? Quelles sont les méthodes d’extrapolation à partir de stations d’autres bassins et leurs incertitudes ? En quoi la densité du réseau de mesure affecte le résultat des extrapolations ? Qu’apportent les mesures ponctuelles ou les chroniques courtes de débit ?
Synthèse technique compilant les travaux Irstea sur les méthodes d’extrapolation
Accès aux chroniques journalières reconstituées sur 12 000 sites non jaugés (1958-2012)
     Le fichier d’avertissement à lire
Thèse sur la « sensibilité des calculs hydrologiques à la densité des réseaux de mesure hydrométrique et pluviométrique », Irstea - 2015
Rapport sur la reconstitution de chroniques incomplètes par modèle pluie-débit, Irstea - 2014

  Prévision des étiages - Projet PREMHYCE (2014)
Ce projet, coordonné par Irstea, évalue les performances de 5 modèles hydrologiques (GARDENIA, GR6J, MORDOR, PRESAGES, SIM) sur la simulation et la prévision des étiages d’un ensemble de bassins versants français.
Le document présente également le cadre aactuel d'utilisation des modèles de prévision des étiages.
Le rapport du projet PREMHYCE, la synthèse technique
Le projet a aboutit à la production d'un outil opérationnel de prévision des étiages, rassemblant les 5 modèles hydrologiques. Il sera mis à disposition des DREAL et DDT après une période de test.

  Modélisation des étiages historiques sur 150 ans (Irstea)
Ce projet vise à produire une base de données sur les étiages historiques simulés, en s’appuyant sur des informations documentaires (champs de pression atmosphériques, températures, débits).
L’objectif est de produire des indicateurs d’étiage sur de longues périodes pour mieux prendre en compte les oscillations climatiques multi-décennales et ainsi mieux « contextualiser » les débits caractéristiques d’étiage produits pour la gestion ou ceux produits dans le cadre des travaux sur les changements climatiques.
La première étape de ce projet consiste à évaluer l’évolution des débits de référence (QMNA5) calculés sur des périodes de 20 ans, afin d’éprouver leur robustesse au regard des fluctuations climatiques et hydrologiques multi-décennales.

  Evaluation des procédures de naturalisation des débits (Irstea)
L’objectif de ce projet est d’évaluer les différentes méthodes existantes de naturalisation des débits en rivière et d’estimer les incertitudes associées (aux débits naturels reconstitués). Ces travaux s’appuient sur des études de cas variés, disposant de données détaillées sur les influences anthropiques (ouvrages de stockage, prélèvements, rejets...).


Les indicateurs hydrologiques utiles à la gestion

Le débit des cours d’eau varie fortement au cours du cycle hydrologique et d’une année à l’autre. Pour gérer la ressource, il est donc nécessaire de s’appuyer sur des « débits caractéristiques » des différentes phases du cycle hydrologique, associés à une fréquence de retour statistique permettant d’évaluer le risque de voir cet évènement se produire.
Les gestionnaires et porteurs de projets ont besoin de connaître ces indicateurs en tout point des cours d’eau. Or, ces variables ne sont disponibles qu’au niveau des stations hydrométriques disposant de suffisamment de données pour établir ces valeurs statistiques.
Pour répondre à ce besoin, l’AFB travaille avec Irstea sur le calcul des débits de référence pour les sites ne disposant pas ou peu de données hydrométriques.

  Cartographie nationale des débits « naturels » de référence : QMNA5 et Module
Les modules et QMNA5 ont été reconstitués sur tous les tronçons de la BD CARTHAGE® en s’appuyant sur les stations hydrométriques les moins influencées possibles par les activités humaines et disposant de chroniques de débit de suffisamment bonne qualité, soit un total de 636 stations sur les 3 500 stations opérationnelles de la Banque Hydro.
Les chroniques produites correspondent donc à des débits « naturels », en l’absence de prélèvements ou de réalimentation dans les cours d’eau. Les QMNA5 (et dans une moindre mesure les modules) « mesurés » peuvent donc être significativement différents des QMNA5 « naturels » produits par cette cartographie nationale.
 

Méthodologie pour l’hexagone : la cartographie résulte d’une combinaison de trois modèles réalisés par les équipes de recherche d’Irstea de Lyon, Aix et Antony. Rapports :
Irstea Lyon 1/2 (module), Irstea Lyon 2/2 (QMNA5), Irstea Aix, Irstea Antony
Rapport de croisement des méthodes

Données cartographiques (SIG)
Lire le fichier avertissement avant d’utiliser les données. Les valeurs des débits caractéristiques sont associées à un indice de robustesse (fragile, prudence, robuste) et à une fourchette d’incertitude. Ces cartes n’ont pas vocation à se substituer à des estimations locales plus précises quand elles existent.

Méthodologie pour la Corse et les DOM : les critères de sélection des stations hydrométriques rendent impossible l’application de la méthode générale. Des méthodes spécifiques sont en cours de développement pour ces territoires.

  Estimation du QMNA5 à partir de jaugeages ponctuels – Guide (2016)
Ce guide fournit une méthode pour estimer le QMNA5 à partir de données de jaugeages. Il comprend des chapitres sur :
- La critique et sélection des données de jaugeages ;
- Le choix du site de référence ;
- La quantification des incertitudes ;
- Des recommandations sur la stratégie de jaugeages pour parvenir à un résultat fiable dans un délai raisonnable.