Au lieu de rechercher les états les plus probables, nous avons développé [Vautard et Legras, 1988] une méthode de reconnaissance des états les plus persistants. Celle-ci a été appliquée à un modèle à deux niveaux simplifié de l'atmosphère aux latitudes tempérées. Ensuite cette méthode a été appliquée aux observations sur l'Atlantique nord, et nous a permis de mettre en évidence quatre régimes de temps distincts [Vautard, 1990]. Dans cet article, nous l'appliquons encore à un nouvel ensemble de données, et nous étendons la description au domaine Pacifique pour les deux saisons d'été et d'hiver.

Le chapitre suivant décrit les ensembles de données utilisés. Le troisième chapitre décrit la méthode de reconnaissance des régimes de temps. Au quatrième chapitre, nous présentons l'ensemble des régimes de temps obtenus. Une courte discussion suit au chapitre 5, ou nous montrons en particulier la relation entre les régimes sur l'Atlantique et sur le Pacifique.

## ENSEMBLES DE DONNEES

L'ensemble de données de départ, qui nous a été fourni par le National Meteorological Center (N.M.C.), consiste en 36 ans (1950-1986) de données bijournalières du géopotentiel à 700 hPa (altitude de la surface isobare 700 hPa), et couvre l'hémisphère nord à partir de 20°N par une grille "diamant", superposition de deux grilles de 10° par 10° décalées. Nous nous concentrons sur les deux bassins océaniques en construisant deux fenêtres. Le domaine Atlantique s'étend de 80°W à 40°E et de 30°N à 70°N. Le bassin Pacifique couvre de 140°E à 100°W et de 30°N à 70°N. Sur chaque fenêtre, la grille comporte 113 points au total.

Nous étudions également chaque saison séparément, été et hiver. Pour rendre homogène l'ensemble, l'hiver commence le 15 novembre et dure exactement 136 jours, ce qui le fait terminer le 1 avril. L'été commence le 15 mai et dure également 136 jours. Les 36 hivers sont conservés alors que seulement les 32 derniers étés le sont, à cause de quelques données manquantes. Nous calculons alors, comme dans Vautard [1990], pour chacun des quatre sous-ensembles ainsi constitués, les fonctions empiriques orthogonales (EOFs), définies comme les vecteurs propres de la matrice de covariance spatiale, qui est donc une matrice 113 par 113. Chaque carte de géopotentiel $Z(x,t)$ à 700 hPa peut alors se décomposer en

$$Z(x,t) = \sum_{k=1}^{113} p_k(t) E_k(x) \quad (1)$$

où $E_k$ est la k-ième EOF, et $p_k(t)$ est la k-ième composante principale (PC) à l'instant t. Cette décomposition est doublement orthogonale; les EOFs sont spatialement orthogonales

$$\int_D E_k(x) E_l(x) dx = \delta_{kl} \quad (2)$$

et les PCs sont temporellement orthogonales

$$\langle p_k(t) p_l(t) \rangle = \lambda_k \delta_{kl} \quad (3)$$

Dans l'équation (3), $\langle \rangle$ désigne l'opérateur de moyenne temporelle et $\lambda_k$ la k-ième valeur propre de la matrice de covariance spatiale. Un des avantages nombreux de cette décomposition est de comprimer l'information considérablement; lorsque la somme dans l'équation (1) est tronquée à 20 au lieu de 113, la variance de la série de données reconstituée représente d'environ 95 % de la variance totale pour chacun des 4 cas étudiés. Ceci permet donc de ne conserver que 20 nombres pour une carte de géopotentiel. De plus, les composantes principales d'ordre élevé sont

généralement dominées par le bruit dû aux erreurs de mesure.

Les régimes de temps sont, comme il est expliqué dans Vautard et al. [1988], caractérisés par des variables évoluant à basse fréquence, c'est à dire ayant des périodes dépassant la semaine. Les observations montrent [Fraedrich et Bottger, 1978] que ces variables correspondent principalement aux plus grandes échelles spatiales. En effet, les régimes de temps se caractérisent plus comme l'apparition de grandes ondes planétaires (taille typique 1000-5000 km) sur lesquelles se superposent et interagissent des ondes baroclines (500-1000 km), que comme des situations météorologiques rigoureusement stationnaires. Vautard et Legras [1988] montrent même que les ondes baroclines, issues du cisaillement de vent dans les jet-streams, sont responsables en majeure partie de la persistance des régimes de temps.

Par conséquent, nous ne gardons dans la somme (1) que les composantes dont individuellement au moins 75 % de la variance est expliquée par des périodes dépassant la semaine. Pour qu'une composante $p_k$ soit retenue comme étant de basse fréquence, il faut que l'intégrale de sa densité spectrale de la fréquence 0 à la fréquence $f=1/7$ jour⁻¹ dépasse 0.75. Les autres composantes parmi les 20 premières caractériseront donc les ondes transitoires.

Ainsi, nous pouvons écrire

$$Z(x,t) = B(x,t) + H(x,t) \quad (4)$$

où B est la somme des composantes basse-fréquence et H la somme des composantes transitoires.

Pour l'hiver atlantique, sont retenues comme basse-fréquence les huit composantes 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, et 10. Pour l'hiver pacifique, les mêmes composantes sont retenues (c'est un pur hasard). En revanche, pour l'été atlantique, les PCs 1 à 10 sont basse-fréquence, et pour l'été pacifique, nous retenons les composantes 1 à 10 et 12. L'état de l'atmosphère "basse-fréquence" est donc caractérisé par un point dans un espace vectoriel de dimension assez faible (8 pour l'hiver pacifique et atlantique, 10 pour l'été atlantique et 11 pour l'été pacifique). A cause de l'orthogonalité des EOFs, les carrés des distances métriques dans cet espace sont identiquement égales aux intégrales sur le domaine en question des carrés des différences entre deux champs de géopotentiel. Désormais, nous travaillerons uniquement dans ces espaces à dimension réduite pour l'identification des régimes de temps. Nous réduisons aussi le taux d'échantillonnage à 2 jours pour éviter la redondance des données. Nous aurons besoin, au total de huit ensembles de données:

ensemble A1: données sur l'Atlantique en hiver (2448 cartes définies chacunes par un vecteur de dimension 8);

ensemble B1: données sur le Pacifique en hiver (2448 cartes définies chacunes par un vecteur de dimension 8);

ensemble C1: été Atlantique (2176 cartes, vecteurs de dimension 10);

ensemble D1: été Pacifique (2176 cartes, vecteurs de dimension 11).

Ensuite, nous utiliserons les tendances instantanées de ces cartes: nous associons à chaque carte de chaque ensemble un vecteur de même dimension représentant approximativement sa dérivée temporelle, et calculé par la différence centrée entre la carte suivante et la carte précédente, ayant donc un écart de quatre jours entre elles, qui constitueront les ensembles A2, B2, C2, et D2. Ces ensembles de tendances ont exactement la même structure que les ensembles de données correspondants A1,... L'utilisation de ces tendances sera détaillée dans le chapitre suivant.
## METHODE D'IDENTIFICATION DES REGIMES DE TEMPS

Il est assez tentant de définir les régimes de temps comme les solutions d'équilibre du système dynamique atmosphérique, comme l'ont fait Charney et DeVore [1979] ou Legras et Ghil [1985]; Plus précisément, si la dynamique se résume au système autonôme d'équations différentielles

$$ \frac{dZ}{dt} = F(Z) \qquad (5) $$

où Z est le vecteur d'état de l'atmosphère, comme par exemple le géopotentiel à 700 hPa, et F(Z) est la tendance instantanée associée, alors ces équilibres sont les solutions Z* de l'équation, en général non linéaire

$$ F(Z^*) = 0 \qquad (6) $$

Or, comme l'ont montré, par exemple Reinhöld et Pierrehumbert [1982], ou comme le montre une simple observation synoptique, l'atmosphère dans son ensemble n'est jamais proche d'être stationnaire. Cependant, certains modes peuvent temporairement être stationnaires, et alimentés par l'action des ondes baroclines transitoires. Mais ces situations ne durent pas éternellement, car occasionnellement la configuration des transitoires déstabilise le pseudo-équilibre. Nous cherchons donc à résoudre (6) seulement pour les modes "basse-fréquence". censés représenter les régimes de temps. Avec la décomposition (4), le système (5) devient

$$ \begin{aligned} \frac{dB}{dt} &= F_B(B,H) \\ \frac{dH}{dt} &= F_H(B,H) \end{aligned} \qquad (7) $$

Nous définissons les régimes de temps comme les structures B* telles que leur déformation moyenne sous l'action des transitoires H soit nulle. En termes mathématiques, à chaque mode basse fréquence B correspond une distribution de probabilité de transitoires H, compatibles avec B, considérés comme des fonctions aléatoires. La tendance instantanée de B, FB, est donc considérée elle aussi comme une variable aléatoire ayant une certaine espérance T(B), qui caractérise la déformation moyenne de la structure de grande échelle B. Les régimes sont alors les structures B* telles que

$$ T(B^*) = \langle \langle FB(B^*,H) \rangle \rangle = B = 0 \qquad (8) $$

où l'opérateur $\langle \rangle$ B est la moyenne sur cette distribution de transitoires H compatibles avec B*. Les termes de $F_B$ dépendant de H représentent l'action des transitoires. Ce sont des flux de vortivité potentielle dus aux transitoires. Une omission de ces termes serait équivalente au travail de Charney et DeVore [1979] ou Legras et Ghil [1985]. Dans Vautard et Legras [1988], la résolution complète de l'équation (8) est effectuée dans le cadre d'un modèle simplifié quasi-géostrophique à deux niveaux, où un jet-stream cisaillé produisant des transitoires baroclines est forcé artificiellement. Essentiellement deux types d'écoulement de régimes sont obtenus comme solutions de (8). L'un, caractérisé par un renforcement du jet, faisant penser aux types d'écoulements zonaux rencontrés fréquemment sur l'Atlantique. L'autre pose de la structure du blocage Européen, et est caractérisé par une anomalie positive au nord d'une anomalie négative à la sortie du jet renversant la circulation des vents. Le forçage induit par les transitoires seuls (termes de flux) tend à renfor-

cer l'anomalie, ce qui montre que les transitoires jouent un rôle crucial dans l'équilibre.

Lorsque cette méthode de recherche de régimes est appliquée à des observations, nous ne disposons plus de la fonction dynamique $F_B$, et le problème devient purement statistique. Les tendances instantanées sont estimées à partir de différences finies centrées, comme nous l'avons décrit au chapitre 2. Mathématiquement, le problème est posé de la façon suivante.

Appelons $B_i$ les vecteurs "basse-fréquence" contenus dans les ensembles A1, B1, C1, ou D1, et $T_i$ leurs tendances instantanées associées (ensembles A2, B2, ...). Pour un champ quelconque B, même s'il n'est pas contenu dans un de ces ensembles, nous estimons la tendance moyenne T(B) par l'équation

$$ T(B) = \frac{\sum_{i=1}^{N} \phi(B-B_i)T_i}{\sum_{i=1}^{N} \phi(B-B_i)} \qquad (9) $$

où N est le nombre de données (2448 pour l'hiver et 2176 pour l'été), et $\phi$ est une fonction poids d'autant plus grande que $B_i$ est proche de B, nulle si la distance de B à $B_i$ d($B_i, B_i$) est supérieure à D, et différentiable. Les données $B_i$ donnant un poids non nul dans les sommes de (9) seront appelées les analogues de B. A partir de 100 conditions initiales prises au hasard parmi les $B_i$, une méthode de quasi-Newton permet de résoudre (8). En fait, cette méthode de descente cherche à minimiser le carré de T(B), $J(B) = T(B)^2$, de sorte que nous retenons également ses minima.

Un certain nombre de règles et de tests statistiques ont été adoptés pour rendre la méthode objective, afin de pouvoir l'appliquer à n'importe quel ensemble de données. La distance limite D est choisi comme la moitié de l'écart quadratique moyen des vecteurs $B_i$

$$ D = \frac{1}{2} \sqrt{\langle \langle d^2(B_i, B_j) \rangle \rangle} \qquad (10) $$

Les solutions de (8) sont les zéros ou les minima d'une fonction comportant des fluctuations importantes dues aux incertitudes statistiques. Par conséquent nous imposons un test aux solutions obteintes B*; Dans le voisinage de B*, nous voulons que $J(B)$ ait une distribution significativement différente de la distribution globale des $J(B_i)$, ce qui assure la stabilité statistique de la solution. Pour cela nous calculons la valeur médiane $J^*$ de la distribution des $J(B_i)$, et nous tirons au hasard 500 points $X_k^*$ dans le voisinage de B*, avec une densité de probabilité égale à la fonction poids $\phi(X_k^* - B^*) = 1+\cos(\pi d^2(X_k^*, B^*)/D^2)$. Ensuite, les 500 valeurs $J(X_k^*)$ sont classées par ordre croissant et la 450-ième valeur représente la valeur en dessous de laquelle 90% de la distribution est en. Si cette valeur est supérieure à $J^*$, la solution B* est rejetée.

Cette méthode a été appliquée aux données sur le domaine Atlantique dans Vautard [1990]. La différence majeure avec le travail présenté ici est que nous l'avions appliquée à un ensemble de données après application d'un filtre passe-bas détruisant les fluctuations inférieures à dix jours, ainsi que les cycles saisonniers et semi-saisonniers. Ce filtrage présentait l'inconvénient de réduire significativement l'amplitude des structures évoluant avec des temps de 10-20 jours. La bande de fréquences considérée est légèrement trop courte. Nous avions identifié quatre structures de régime. L'une, le blocage (BL), était de trop faible amplitude
pour renverser les vents sur l'Europe de l'Ouest. L'écoulement zonal (ZO) consistait en un renforcement du jet sur l'Atlantique. Les deux autres solutions étaient une forte anomalie positive sur le Groënland (GA, "Greenland Anticyclone") et une dorsale sur l'Atlantique (AR, "Atlantic Ridge").

Plusieurs solutions peuvent être voisines. Nous associons au même régime deux solutions dont le nombre d'analogues communs $B_i$, tels que $\phi(B^*-B_i) > 0$, dépasse 50% du nombre d'analogues de l'un des deux au moins. Nous ne montrerons qu'un représentant de chaque classe, celui dont l'amplitude est la plus forte.

## RESULTATS POUR LES QUATRE ENSEMBLES DE DONNEES

### L'hiver sur le domaine Atlantique. (Figure 1)

La Figure 1 montre les quatre régimes obtenus, ainsi que l'anomalie associée. Ces résultats sont très similaires à ceux de Vautard [1990], ce qui prouve la stabilité des solutions. L'amplitude des anomalies associées est plus forte. Seul le régime zonal (ZO) diffère du régime zonal obtenu par Vautard [1990]. La position du jet-stream, lieu où le gradient méridien de géopotentiel est le plus fort, est nettement plus basse en latitude. Ceci résulte probablement de l'ajout du cycle saisonnier dans cette étude. En effet, le cycle saisonier modifie principalement la position méridienne et l'amplitude du jet.

La méthode donne en fait six solutions. Les deux solutions restantes sont respectivement très voisines de BL et GA. Le nombre d'analogues pour chaque cas est compris entre 100 et 200, ce qui induit une bonne signification statistique.

La première solution montrée en Figure 1 est caractéristique du blocage Européen (BL). C'est lors de ce régime que nous connaissons en France les vagues de froid hivernales les plus intenses. La plus célèbre est peut-être celle de janvier 1963, où la structure est restée présente pendant plus d'un mois. Plus récemment, nous avons eu une telle vague de froid en novembre 1990. Un anticyclône est établi sur les îles Britanniques, associé à un centre de basses pressions sur l'Espagne. Le jet se coupe en deux et les perturbations Atlantiques sont déviées soit vers le nord de la Scandinavie soit vers l'Espagne.

La deuxième solution correspond à un écoulement zonal (ZO) amenant sur l'Europe de l'ouest un flux doux et humide. Les perturbations transitoires se propagent jusqu'à l'est de l'Europe. Cette situation est responsable des tempêtes d'hiver comme celles de février 1990.

La troisième solution consiste en une forte anomalie positive sur toute la partie nord-ouest du domaine, centrée sur le Groënland (GA) et est responsable de dégels importants sur le nord-est du Canada. En même temps, une anomalie négative est observée sur l'Europe de l'ouest. Il est important de noter que les conséquences que cette situation entraîne sur nos régions ne sont pas très différentes de celles du régime ZO. Ainsi, nous n'aurions pas pu distinguer ces deux types de régime si nous n'avions considéré que des données provenant de l'Europe. Dynamiquement, pourtant, ces situations sont différentes.

Enfin, la quatrième solution obtenue est une forte dorsale sur tout l'Atlantique occasionnée par une remontée de l'Anticyclone des Açores. Cette dorsale amène sur la France un flux de nord-ouest froid et humide, et laisse libre cours au développement de la cyclogénèse du golfe de Gênes, qui va enneiger nos stations de sports d'hiver, et engendrer un Mistral fort.

<figure><img src="image_170.png" /><figcaption>Fig. 1 Les quatre régimes de temps sur l'Atlantique en hiver. Les zones d'anomalie supérieure (+) à 50 m sont entourées en trait épais. De même pour les zones d'anomalie inférieure à - 50 m (-). Les isolignes à 700 hPa sont cotées en m.</figcaption></figure>

### L'hiver sur le domaine Pacifique. (Figure 2)

Sept solutions, se regroupant en trois classes, sont obtenues pour cet ensemble de données. La première consiste en un énorme centre de basses pressions centré sur les Îles Aléoutiennes (ALL, "ALeutian Low"), accompagnée d'une haute pression sur les Rocheuses des Etats-Unis. Cette situation correspond à un temps doux et humide sur la côte Américaine et le Golfe de l'Alaska, alors que la haute pression des Rocheuses renvoie le célèbre vent sec de Santa-Anna sur les côtes californiennes.

Le deuxième régime est une dorsale s'étendant sur le Pacifique est (EPR, East Pacific Ridge), qui amène un temps plus frais sur les côtes Américaines. Il ne correspond pas réellement au blocage sur le Pacifique, puisque l'écoulement zonal n'est pas arrêté par cet anticyclone. La présence des Rocheuses comme une barrière topographique importante n'existant pas en Europe modifie bien sûr profondément la structure des régimes par rapport au domaine Atlantique. Cette dorsale est plus conforme à la solution stationnaire de faible index zonal (vent zonal faible) de Charney et DeVore [1979]. L'analyse des termes d'interaction avec le relief nous confirmera ce fait dans une étude ultérieure.
<figure><img src="image_171.png" /><figcaption>Fig. 2 Comme figure 1, mais pour les régimes de temps sur le Pacifique en hiver.</figcaption></figure>

Le troisième régime (WZO, Western Zonal Flow) ressemble au premier, mais le centre de basses pressions est déplacé vers le détroit de Behring, et un centre de hautes pressions est situé dans le quart sud-ouest du domaine. Sur la partie est du domaine, en revanche, l'écoulement est assez similaire à celui du premier régime. Il s'agit donc d'un déplacement vers le nord du jet. En fait, la fréquence d'apparition de ce régime est plus importante en début et fin de saison qu'en janvier, alors que ALL a un pic d'apparition en janvier. Il s'agit donc essentiellement du même régime modulé par le cycle saisonnier.

### L'été sur les deux domaines. (Figures 3 et 4)

La distinction des régimes en été est plus difficile car, le jet étant beaucoup plus faible, les perturbations synoptiques ne se propagent plus aussi vite qu'en hiver, donc sont elles-même plus stationnaires, et rendent l'identification plus difficile.

Le premier régime (SZO, Summer Zonal), plus fréquent en début d'été, consiste en un écoulement zonal avec un jet bas en latitude, une anomalie positive sur les Açores et un centre de basses pressions sur le centre-nord du domaine. C'est, en quelque sorte, le "temps pourri" d'été. Le deuxième consiste en une anomalie positive sur le nord-est du domaine et correspond au blocage d'été (SBL, Summer BLocking), engendrant des sècheresses sur nos régions (été 1990...). Les troisième (EUT, European Trough) et quatrième (SAR, Summer Atlantic Ridge) régimes sont assez similaires avec

<figure><img src="image_172.png" /><figcaption>Fig. 3 Comme la figure 1, mais pour les régimes de temps sur l'Atlantique en été.</figcaption></figure>

une dorsale prononcée sur l'Atlantique associée avec un centre de basses pressions sur l'Europe. Le temps est frais et humide sur nos régions. Enfin, le dernier régime est caractérisé par un écoulement zonal plus haut en latitude que le premier régime, et correspond davantage à des situations du mois d'août et de fin d'été.

Sur le Pacifique, les situations sont plus marquées. Les régimes 1 et 3 (resp. ESH, East Siberian High, et GAL, Gulf of Alaska Low) se produisent plus en début d'été et sont tous les deux caractérisés par des écoulements zonaux intensifiés dans le golfe de l'Alaska. La différence entre ces régimes est la présence d'une anomalie positive sur le quart nord ouest du domaine pour ESH, et une dépression plus marquée sur la côte sud de l'Alaska. Les deuxième et quatrième régimes sont des situations de milieu et fin d'été. Le deuxième est l'équivalent en été de EPR, avec un centre de hautes pressions sur l'Alaska. Le quatrième régime est un écoulement zonal avec un jet assez haut en latitude.
<figure><img src="image_173.png" /><figcaption>Fig. 4 Comme Figure 1, mais pour les régimes de temps sur le Pacifique en été</figcaption></figure>

DISCUSSION

Nous avons établi une sorte de catalogue des régimes de
temps apparaissant sur les deux bassins Pacifique et
Atlantique, que nous avons symbolisés par deux ou trois
lettres. La méthode que nous avons utilisée est une extension
de la recherche des équilibres multiples de Charney et DeVore
[1979] ou de Legras et Ghil [1985] dans laquelle nous
n'imposons pas que toutes les échelles spatiales soient sta-
tionnaires, mais seulement quelques modes de grande échelle
associés aux plus basses fréquences.

Vautard [1990] a établi l'existence de précurseurs mul-
tiples à ces régimes. Cette étude dépasserait largement le
cadre de cet article. Toutefois, il est à noter que ces régimes
ont des probabilités de s'enchainer non triviales. Par exemple,
Vautard [1990] montre que GA succède dans plus de 50% des
cas à un régime de blocage BL. ZO est également un candidat
sérieux comme précurseur du blocage.

Une autre question intéressante est de savoir si les régimes

sur l'Atlantique et sur le Pacifique ont un rapport entre eux.
Une étude préliminaire basée sur la simultanéité entre les ana-
logues des régimes Pacifique et Atlantique à des temps décalés
semble montrer les résultats suivants (les plus significatifs):
(1) la cohabitation des régimes ALL (basses pressions sur les
îles Aléoutiennes) et de BL (blocage européen) est très rare;
(2) les régimes ALL et AR (dorsale sur l'Atlantique) se pro-
duisent souvent simultanément; (3) On remarque que ZO
(Ecoulement zonal Atlantique) a une probabilité significative
d'apparition 15 jours après ALL; (4) Même remarque pour
BL 10 jours après EPR (dorsale sur le Pacifique est). EPR
serait donc un précurseur de BL; (5) WZO (jet renforcé sur le
Pacifique ouest) tend à apparaître 20 à 25 jours après BL.

Les chiffres sur lesquels s'appuient ces remarques sont
significatifs au sens statistique. Ils sont très prometteurs dans
la mesure où ils montrent que des précurseurs des régimes
existent. En particulier, l'apparition des régimes de temps
semble se produire préférentiellement dans des phases parti-
culières des modes oscillatoires principaux (mode à 30-50
jours, onde de Branstator à 20 jours). L'étude de ces interac-
tions est en cours. La valeur prédictive de ce genre de
méthodes reste cependant très limitée dans l'état actuel. Nous
poursuivons actuellement cette étude afin de déterminer la
faisabilité de prévisions à moyen et long termes.

REFERENCES

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# LA PREVISION NUMERIQUE FRANÇAISE À ECHELLE FINE

HONG LE PHAM, RÉGIS JUVANON DU VACHAT, JEAN-FRANÇOIS GELEYN

Centre de Recherches en Météorologie Dynamique
2, Avenue Rapp - 75340 PARIS Cedex 07

Nous présentons brièvement l'histoire du projet de recherche PERIDOT (Prévision à Echéance Rapprochée Intégrant des Données Observées et Télédétectées) qui a conduit au système de prévision numérique à échelle fine (35 km) opérationnel au début de l'année 1985 à la Direction de la Météorologie Nationale. Ce projet s'inscrit en continuité avec les études d'adaptation dynamique à échelle fine (modèle AMF) mais cherche à utiliser toute l'information à échelle fine pour améliorer la prévision à courte échéance. Nous discutons les expériences de recherche faites sur l'assimilation directe des radiances, l'initialisation nonlinéaire par mode normaux et l'utilisation de différentes paramétrisations physiques. Enfin nous décrivons les divers compromis fait pour assembler ces éléments dans une chaîne cohérente de prévision opérationnelle et les changements qu'elle subi au fil des années. Nous présentons aussi les vérifications de la prévision du modèle avec les observations de surface. Enfin les résultats des simulations à plus haute résolution (10 km) sont aussi présentés, qui indiquent un potentiel supplémentaire de prédicabilité du système de prévision. La conclusion présente le succès de PERIDOT auprès des prévisionnistes mais aussi les domaines de recherche qui restent à explorer.

We present briefly the history of the research project PERIDOT (Prévision à Echéance Rapprochée Intégrant des Données Observées et Télédétectées) that leads to a fine mesh (35 km) operational NWP system at the beginning of 1985 at the French Meteorological Service. This research project was in the continuity of the high resolution dynamical adaptation studies but trying to improve the prediction by using the fine scale information available. We mainly discuss the experiments done in a research mode concerning the radiances assimilation, the nonlinear normal mode initialization and the use of different physical packages. Then we describe the necessary trades of to put all these elements in a coherent operational model and the main changes done in the operational suite through the years. Also are presented the verifications of the fine mesh model with the surface weather observations, that explain how the low-level meteorological parameters are predicted. Then the different results at higher resolution (10 km) are also presented, indicating a way to improve the predictability of the whole system. At last a tentative evaluation is given indicating the success of the PERIDOT system for the forecasters but also the fields where more research must be done.

## INTRODUCTION

Quelques exemples pratiques décriront les réussites et les problèmes fondamentaux du modèle à maille fine PERIDOT (Prévision à Echéance Rapprochée Intégrant des Données Observées et Télédétectées) opérationnel à la Direction de la Météorologie Nationale (DMN). On trouvera au paragraphe 2 un bref historique sur le développement du modèle et ses caractéristiques au paragraphe 3. Des exemples d'applications tant opérationnelles qu'en recherche seront exposés au paragraphe 4. Le paragraphe 5 présentera brièvement la méthode utilisée pour l'assimilation de données. Le paragraphe 6 résumera quelques problèmes qui restent à résoudre même si PERIDOT a amélioré les prévisions à échelle fine. Enfin le paragraphe 7 fera le point des progrès qu'a permis PERIDOT.

Les résultats présentés ici sont le fruit des efforts de nombreuses personnes qui ont contribué au développement, à l'implantation opérationnelle de PERIDOT. Parmi celles-ci citons H.L. Pham, D. Rousseau, R. Juvanon du Vachat, Y. Durand, A. Craplet, M. Imbard, A. Joly, P. Bougeault, P. Pottier, L. Musson-Genon et bien d'autres encore. L'histoire de PERIDOT et son développement sont décrits en détail dans d'autres travaux comme ceux d'Imbard et al. [1987a, 1987b] Geleyn et al. [1988] Pham [1989] et Durand et al. [1990].

## HISTORIQUE DE PERIDOT

La DMN utilise comme modèle de grande échelle le modèle EMERAUDE qui est un modèle global spectral à troncature T79 associé à une grille de Gauss de 120 x 240 points. La dimension de maille horizontale est insuffisante pour bien représenter les problèmes créés par le relief important dans la partie Ouest de l'Europe. Ainsi le modèle à maille fine PERIDOT est utilisé afin de mieux tenir compte des phénomènes d'échelle fine qui ne pouvaient pas être prévus efficacement par le modèle à grande échelle EMERAUDE.

Dans une première phase de développement le modèle PERIDOT a réalisé une adaptation dynamique de quelques heures à partir de la prévision à grande échelle à 24 ou 48 heures afin de connaître certains phénomènes d'échelle plus fine.

En 1982 des discussions ont eu lieu à la DMN afin d'obtenir plus de ressources pour introduire soit un modèle global à plus haute résolution soit une version étendue du modèle PERIDOT. A l'issue de ce débat, il était décidé que pour prévoir les phénomènes d'échelle fine il fallait avoir recours à un modèle à maille fine entièrement pronostique. On trouvera ciodessous les faits marquants durant la phase d'adaptation dynamique et pronostique de développement du modèle.
## PHASE D'ADAPTATION DYNAMIQUE

Modèle de recherche : 1968-1979. Le modèle sur la France est adiabatique avec une grille de 31 x 31 points. La dimension de maille est égale à 35 km. La grille verticale comporte 10 niveaux σ équidistants.

Modèle opérationnel : 1980-1985. La grille horizontale de 31 x 31 points passe à 51 x 51 points. L'adaptation utilise les résultats à 24 heures du modèle à grande échelle comme conditions initiales.

## PHASE PRONOSTIQUE

Modèle de recherche : 1982-1984. La grille verticale est portée à 15 niveaux σ non équidistants. Les processus diabatiques sont introduits dans le modèle. On utilise une méthode d'analyse à échelle fine pour les conditions initiales avec comme ébauche une prévision du modèle EMERAUDE.

Modèle opérationnel : 1985-1990. Le modèle est opérationnel le 2 février 1985. A l'époque, avec une maille de 38,1 km à 60°N PERIDOT possède la maille horizontale la plus fine de tous les modèles opérationnels du monde. En juillet 1986, l'analyse à échelle fine utilise la prévision à 12 heures de PERIDOT comme ébauche. Au mois de juin 1987, le domaine est étendu surtout vers la partie ouest de l'Europe et la grille devient 95 x 95. En novembre 1988 la prévision à 36 heures d'échéance à partir du réseau de 0 H.T.U. est prolongée jusqu'à 60 heures et celle à partir du réseau de 12 H.T.U. jusqu'à 48 heures.

PERIDOT est un succès aussi bien en prévision opérationnelle que pour la recherche. Au début les prévisionnistes étaient sceptiques mais la qualité des prévisions de PERIDOT l'a fait adopter rapidement par ces derniers.

Le code informatique de PERIDOT a d'abord été écrit pour la recherche puis modifié pour pouvoir être utilisé à la fois en recherche et en opérationnel. De par sa flexibilité le modèle PERIDOT s'adapte à tous les domaines géographiques. Cependant on a rencontré certains problèmes dus aux conditions aux limites latérales. Enfin, la mise en place de vérifications/diagnostics s'est faite progressivement : vérifications avec les données de surface d'abord, puis étude des diagnostics modèle/analyse, enfin bilans de la physique.

Quelques exemples illustreront les succès et les échecs de PERIDOT opérationnel et ses applications en recherche.

## PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DE PERIDOT

Comme le modèle global EMERAUDE de la DMN, PERIDOT est un système complet de Prévision Numérique (PN) incluant, en plus du modèle dynamique, l'analyse, l'initialisation et les paramétrisations physiques. Ce paragraphe décrit quelques-unes de ses caractéristiques.

PERIDOT est un modèle hydrostatique à équations primitives, à coordonnée verticale $σ= p/p_s$ ($p$ = pression et $p_s$ = pression de surface) discrétisée sur une grille horizontale C-Arakawa. Le domaine actuel est un carré d'environ 3300 km de côté, centré sur la France (Figure 1). On utilise la projection stéréographique polaire avec une grille régulière de 95 x 95 points. La dimension de maille est égale à 38,1 km à 60° N (35 km sur la France). La grille verticale consiste en 15 niveaux non équidistants ($σ = 1-(n-k)^2/n^2$ avec $n = 15$). On utilise la discrétisation temporelle "saute-mouton". Le schéma est semi-implicite avec un pas de temps égal à 200 s. Les

conditions aux limites latérales sont obtenues par une interpolation linéaire des résultats du modèle à grande échelle EMERAUDE toutes les 6 heures et incorporées au modèle PERIDOT par la méthode dite de relaxation Davies-Kallberg.

L'analyse utilise la méthode d'interpolation optimale afin de conserver le maximum d'informations disponibles: les observations faites en surface et en altitude par les stations, les bateaux, les satellites ainsi que les prévisions du modèle PERIDOT et les analyses globales d'échelle synoptique d'EMERAUDE. On a recours à une analyse optimale multivariée tridimensionnelle pour les variables pronostiques T (température), U et V (composantes horizontales du vent) aux niveaux σ. L'humidité aux niveaux du modèle est obtenue par interpolation à partir de cinq couches d'humidité relative. On utilise aussi une fonction de structure anisotrope pour mieux représenter les fronts.

Une des originalités du schéma d'analyse de PERIDOT est l'utilisation des radiances fournies par le sondeur TOVS à bord des satellites NOAA. Les radiances claires ou partiellement nuageuses fournies par le CMS/Lannion (Centre de Météorologie Spatiale) sont utilisées directement dans l'interpolation optimale sans passer par l'intermédiaire des températures ou humidités [Durand, 1985]. L'analyse prend aussi en compte la divergence du vent qui est une composante importante de l'atmosphère à échelle fine.

Le schéma d'initialisation du modèle utilisant l'algorithme de Machenhauer est adapté selon la méthode de Brière [1982] pour un modèle à domaine limité. Seuls les deux premiers modes verticaux sont initialisés tandis que la température au niveau le plus bas et la pression de surface sont conservées à leurs valeurs d'origine.

Les paramétrisations de PERIDOT comprennent :

- Le schéma Kuo avec une détermination locale auto-régulée du paramètre de répartition b et l'ajout d'un terme de transport de quantité de mouvement [Geleyn, 1985].

- Les flux de rayonnement sont calculés à chaque pas de temps à l'aide d'un modèle très simplifié. On ne considère que deux intervalles solaire et thermique.

<figure><img src="image_174.png" /><figcaption>Fig. 1 Domaines opérationnels de PERIDOT. a) ancien domaine 51 x 51. b) domaine actuel 95 x 95. Relief enveloppe avec des isolignes équidistants de 200 m.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_175.png" /></figure>

Fig. 2 Comparaison des prévisions de PERIDOT et EMERAUDE de 0 à 36 heures d'échéance sur la France de juin à décembre 1986. a) Force du vent à 10 m. b) Direction du vent. c) Humidité relative à 2 m. d) Nébulosité totale. e) Température à 2 m. En gras PERIDOT et en trait fin EMERAUDE. Pour les deux modèles, en trait continu l'erreur moyenne, en pointillé l'écart type de l'erreur.

- En présence des nuages le rayonnement est calculé à partir du rayonnement en ciel clair et d'une nébulosité déduite de l'humidité relative par une relation simple.

- Les flux turbulents sont calculés par la méthode du CEPMMT (Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme) [Louis et al., 1981]. On tient aussi compte des effets de la convection peu profonde en modifiant le nombre de Richardson utilisé pour la définition des coefficients d'échange en fonction de la stabilité [Geleyn, 1987].

- Une forme linéaire simple de frottement orographique par onde de gravité déduite de la quantité de mouvement engendrée par le relief de petite échelle. On respecte le critère de Lindzen sur la verticale [Rochas et Geleyn, 1988].

- Les précipitations de grande échelle dans les couches en sursaturation supérieure à 100 % sont admises. L'évaporation dans les couches se fait selon le schéma de Kessler.

- On tient compte de l'évolution des paramètres de surface. Le terme d'évaporation est défini par une combinaison linéaire des méthodes de l'humidité relative et des flux de Hallstead-Budyko.

Elles sont identiques à celles d'EMERAUDE sauf pour le profil vertical de l'humidité relative utilisée pour définir les nuages radiatifs ainsi que la paramétrisation de la convection humide.

Les paramètres de surface sont initialisés par une méthode d'incrément comme celle utilisée dans EMERAUDE. On utilise comme ébauche la prévision PERIDOT à 12 heures pour les gradients verticaux et les résultats d'EMERAUDE pour les conditions aux limites latérales.

Jusqu'à l'échéance 36 heures on fait des sorties toutes les 3 heures puis toutes les 6 heures de 36 à 60 heures. Pour les prévisions à 48 heures faites à partir du réseau de 12 H.T.U. les résultats sont fournis toutes les 6 heures.

Une prévision spéciale à 24 h d'échéance est effectuée en hiver à partir du réseau de 12 heures du jour j afin d'apporter des informations supplémentaires aux réseaux routiers en cas de chute de neige ou de verglas. On utilise alors le domaine réduit (51x51) et les résultats de la prévision du modèle PERIDOT opérationnel à 36 heures d'échéance à partir du réseau de 0 heure du jour j comme conditions aux limites latérales.

APPLICATIONS DE PERIDOT

Applications opérationnelles

De par sa conception le modèle PERIDOT réalise une adaptation à l'échelle méso-α de prévision d'échelle synoptique plutôt qu'une prévision d'événements spécifiques à l'échelle fine. Ainsi, à cause de la complexité du relief de l'Europe de l'Ouest, les capacités de PERIDOT sont évaluées par la prévision du vent.

Le modèle PERIDOT fournit un vent de surface nettement meilleur que celui d'EMERAUDE (Figure 2). Ceci a été observé en appliquant le système de vérifications avec les données des stations de surface du modèle PERIDOT aux prévisions du modèle EMERAUDE [Juvanon du Vachat et al., 1987]. Pour bien faire cette comparaison, on commence par adapter les prévisions EMERAUDE à la grille PERIDOT par une interpolation, puis on fait la prévision de PERIDOT pour un pas de temps. Les améliorations les plus spectaculaires se voient sur le vent à 10 m et la température à 2 m.

Juvanon du Vachat et al. [1987] abordent le problème de la variabilité naturelle des observations synoptiques à l'échelle inférieure à la maille du modèle (35 km). Deux stations sur terrain plat à moins de 35 km de distance : Orly et Villacoublay ont permis de comparer l'estimation de variabilité naturelle et d'erreur instrumentale à l'erreur de la prévision à l'une des deux stations (Orly). Cette comparaison montre clairement que le vent et la température sont fidèlement reproduits par la procédure d'analyse (en fait mieux que la pression de surface), mais l'humidité analysée est de qualité aussi "médiocre" que celle prévue. De plus l'erreur du vent prévu reste près du niveau de variabilité naturelle pendant 36 heures montrant l'excellente qualité de la prévision pour ce paramètre lorsque le terrain est plat. On observe une saturation rapide de l'erreur de température (environ 12 heures) alors que l'erreur de la pression de surface a une croissance linéaire plus classique.

<figure><img src="image_176.png" /></figure>

Fig. 3 Bilan annuel des différences entre les vents analysés et prévus au sommet de la couche limite planétaire pour le modèle PERIDOT opérationnel. Les grandes flèches indiquent les biais importants du vent prévu. (supérieurs à 2 noeuds)
<figure><img src="image_177.png" /><figcaption>Fig.4: Influence du relief sur la formation de la cyclogenèse dans le Golfe de Gênes. Prévisions PERIDOT à 30 heures à partir du 3 mars 1982. a) relief moyen. b) relief enveloppe.</figcaption></figure>

### Applications en recherche

Le modèle PERIDOT opérationnel est aussi utilisé pour des expériences de recherche.

On présente le bilan annuel des différences entre les vents analysés et prévus à 24 heures au sommet de la couche limite planétaire (Figure 3). Dans des régions montagneuses quoique l'interprétation soit plus difficile, ces vérifications montrent cependant que le courant a une tendance exagérée à contourner les barrières montagneuses. Ceci est lié au relief enveloppe.

L'influence de la montagne sur la formation de la cyclogenèse est présentée à la figure 4. Avec un relief moyen (Figure 4a) le positionnement du centre de la dépression est mauvais, tandis qu'il est plus réaliste avec le relief enveloppe (Figure 4b).

Bougeault et Lacarrère [1989] utilisent le modèle PERIDOT pour étudier une forte tempête de vent descendante observée le 11 janvier 1972 près de Boulder (Colorado, USA) avec une version plan vertical et à haute résolution: x = 5 km et z = 500 km. Les résultats numériques obtenus sont tout à fait semblables à la structure observée décrite par Lilly [1978]. La vitesse maximale du vent (près de 60 ms⁻¹) est correctement prévue dans la basse troposphère et une zone de vent faible se développe en altitude. Ceci montre que le modèle opérationnel peut prévoir un tel phénomène à condition que la résolution soit augmentée.

### EXPERIENCES D'ASSIMILATION DE DONNEES A ECHELLE FINE

Le 7 juin 1987 à 15.30 T.U. une ligne de grain surgit à l'avant d'un front nord/sud juste avant qu'elle n'atteigne la côte française entre Bordeaux et la frontière espagnole. La violence et l'orientation sont dues à un développement secondaire le long d'un front primaire sud-ouest/nord-est. La dimension de maille de PERIDOT est trop large (35 km) pour pouvoir prévoir cette ligne de grain. On s'attendait néanmoins à ce qu'il donne un indice d'un second développement et d'une structure frontale solide. Malgré plusieurs essais

[Imbard et al., 1987], il n'a pas été possible de la prévoir à partir des données de 0 T.U. De meilleurs résultats sont obtenus à partir des données de 12 T.U. On doit insister sur deux aspects : la prévision arrive trop tard pour pouvoir être utilisée et est décalée par rapport à la réalité probablement à cause des problèmes de "spin-up".

Une prévision à 6 heures d'échéance à partir de 12 heures montre une grande sensibilité du modèle aux conditions initiales [Geleyn et Jarraud, 1988]. Tous les ingrédients de l'analyse contribuent à améliorer la prévision : prévision à maille fine utilisée comme ébauche, analyse à échelle fine, données satellites. La meilleure prévision (non montrée) fournit un gradient de température potentielle de 1°K/15 km traversant le front dans le sud-ouest de la France.

### PROBLEMES DE PERIDOT

Un système opérationnel est un compromis entre des ambi-tions scientifiques et des besoins pratiques, aussi il ne faut pas le juger comme s'il n'était qu'un système de recherche pure.

L'exemple suivant montre que souvent les problèmes de PERIDOT sont dus non pas aux défauts du modèle lui-même mais des conditions aux limites latérales imposées par le modèle à grande échelle.

Dans la journée du 11 février 1988 un thalweg se déplace du large Atlantique aux côtes de l'Europe. L'analyse EMERAUDE à 0 H.T.U. montre une dépression en cours de creusement au large de l'Atlantique (Figure 5a). Cette dépression se déplace rapidement vers l'est. La prévision EMERAUDE à 24 heures d'échéance à bien vu le creusement (Figure 5b) tandis que PERIDOT est incapable de générer cette cyclogenèse sur la France (Figure 5d). En effet la prévision PERIDOT à 6 heures est très mauvaise. La prévision EMERAUDE à 6 heures montre un creusement à l'intérieur du domaine. La rapidité avec laquelle se déplace le creusement ne permet pas à PERIDOT de capter ces mouvements à cause des valeurs fournies par EMERAUDE dans la zone des
<figure><img src="image_178.png" /><figcaption>Fig. 5 Analyse du 11 février 1988 à 0 H.T.U. et les prévisions à 24 heures d'EMERAUDE et PERIDOT. a) analyse EMERAUDE. b) prévision EMERAUDE à 24 h. c) analyse PERIDOT. d) prévision PERIDOT à 24 h.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_179.png" /><figcaption>Fig. 6 Vents de surface à 3 heures d'échéance prévus par PERIDOT pour le 7 juin 1987 à 15 H.T.U. pour la ligne de grain au sud-ouest de la France. a) sans mouvement convectif descendant. b) avec mouvement convectif descendant.</figcaption></figure>

conditions aux limites latérales (Figure 5a). La méthode de traitement des conditions aux limites en est largement responsable.

Les vents à 10 m prévus par PERIDOT sont meilleurs que les températures à 2 m. Mais il y a un réel problème pour la prévision de tout ce qui est associé au cycle de l'humidité : humidité relative à 2 m, précipitations convectives, précipitations forçées par le relief, nébulosité basse..., ce qui détériore la prévision de la température de surface. Enfin le couplage de l'humidité avec les conditions aux limites d'EMERAUDE pose un autre problème.

La paramétrisation des mouvements ascendants de la convection dans le modèle opérationnel engendre des précipitations et le flux de chaleur latente réchauffe l'environnement. Il est évident, à partir des résultats numériques, que la convection profonde est associée aux mouvements convectifs descendants. Ces mouvements descendants transportent l'air sec du milieu de la troposphère vers la couche limite planétaire, réduisant des pluies convectives par évaporation. Il se forme ainsi une masse d'air froid sous le système convectif (5° à 6° K plus froid que l'environnement) qui conduit à établir une densité de courant. Cette dernière se propage jusqu'à la ligne du front convectif et fournit un mécanisme pour créer de nouvelles cellules convectives par l'élévation de l'humidité et de l'air chaud vers le haut. Pour tenir compte de ce processus, on introduit une représentation simple de l'échelle convective des mouvements descendants basée sur une paramétrisation d'un mouvement ascendant. La figure 6 montre que dans ce cas le modèle prévoit le développement des vents forts le long d'une ligne de grain au sud-ouest de la France le 7 juin 1987 à 15 H.T.U.. Ce cas est le même que celui du paragraphe 5 ; cependant, la ligne de grain ne peut être simulée qu'avec une résolution plus forte (10 km) que celle du modèle opérationnel. Un autre exemple sans paramétrisation du mouvement descendant convectif prévoit aussi une accélération du vent (Figure 6a).

## CONCLUSION

Des progrès notables en prévision numérique à échelle fine ont été obtenus pendant les deux dernières décades. La DMN a largement participé à cette avancée. On espère mieux comprendre autant en physique qu'en dynamique la variété des phénomènes à échelle fine dans un avenir proche afin d'améliorer cette prévision. Le progrès dépendra de la disponibilité d'ordinateurs plus puissants.

Voici quelques principes qui peuvent guider le développement d'un système de prévision opérationnel à échelle fine :

- Il faut être ambitieux en ce qui concerne les objectifs tant scientifiques que pratiques.

- Il ne faut pas faire trop de promesses aux prévisionnistes et aux usagers : ainsi ils seront satisfaits ou agréablement surpris si les résultats s'améliorent.

- L'assimilation des données prend une place de plus en plus importante comparée à la modélisation qui sont ainsi devenues inséparables.

- Sujets importants de la recherche: a) caractérisation de l'attracteur diabatique"; b) description nuageuse cohérente dans le modèle; c) recherche d'algorithmes "économiques" pour l'assimilation des données, la dynamique et la physique du modèle. L'histoire nous montre qu'on a toujours un moyen moins coûteux pour obtenir des résultats pratiquement équivalents à ceux d'algorithmes plus coûteux.

- Le couplage unilatéral EMERAUDE-PERIDOT pose des problèmes dans certaines situations météorologiques.

- L'assimilation des données ouvre des horizons prometteurs en recherche.
REFERENCES

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# PROGRES RECENTS EN MODELISATION DES FLUX DANS LA GEOSPHERE

DOMINIQUE BRUEL, PATRICK GOBLET, EMMANUEL LEDOUX

Centre d'Informatique Géologique
Ecole des Mines de Paris - 35 rue Saint-Honoré
77305 Fontainebleau.

Les récents progrès de l'informatique ont autorisé le développement de nouveaux modèles mathématiques numériques permettant une approche de plus en plus fine de la grande complexité du milieu souterrain. Ces développements portent d'une part sur les types de structures qu'il est possible de représenter, mais également sur la nature des processus physiques couplés qui sont inclus dans les modèles. Ces propos sont illustrés par des exemples tirés du domaine des ressources en eau, de la pollution des systèmes aquifères et de la géothermie traités au Centre d'Informatique Géologique de l'Ecole des Mines de Paris.

The recent development in computer facilities has allowed the building of more and more complex numerical mathematical models. These models lead to a more and more accurate approach of the diversity of the geological medium. These developments concern on one hand the types of structures to be modelled, and on the other hand the nature of physical coupled processes to be included in the models. These words are illustrated by the mean of examples concerning water resources, pollution of groundwater and geothermal energy which have been considered at the Centre d'Informatique Géologique of the Ecole des Mines de Paris.

## INTRODUCTION

La modélisation des flux dans la géosphère intéresse de nombreux problèmes pratiques en sciences de l'eau qui se posent de manière quantitative à l'ingénieur, parmi lesquels nous citerons: l'évolution et la gestion des ressources en eau; les pollutions accidentelles ou chroniques des systèmes aquifères; l'analyse de la sûreté des stockages de déchets, notamment toxiques ou radioactifs; l'étude de l'impact de stockages souterrains en milieu aquifère, notamment d'hydrocarbures; l'étude du comportement hydraulique et thermique des systèmes d'exploitation géothermique.

Nous présentons ici une brève revue des récents développements effectués au Centre d'Informatique Géologique de l'Ecole des Mines de Paris dans le but d'élaborer des outils de simulation adaptés à la résolution de ces problèmes.

Nous distinguerons deux aspects: l'évolution des concepts de base destinés à représenter le milieu géologique; l'évolution des processus physiques qu'il est nécessaire de prendre en compte dans le modèle.

## CONCEPTS DE BASE, LES STRUCTURES GEOLOGIQUES ET LEURS DISCONTINUITES

Le vecteur essentiel de la migration dans le sous-sol est l'eau souterraine qui circule dans les discontinuités du milieu géologique. Le modèle est donc conditionné au premier chef par deux notions: la nature et l'organisation des discontinuités; les mécanismes physiques régissant l'écoulement de l'eau et, éventuellement, le comportement de la matière transportée à l'intérieur des discontinuités.

Une des difficultés essentielles réside dans le fait que selon la nature du milieu géologique, les discontinuités intèressent différentes échelles, ce qui a des répercussions sur le type de modèle à mettre en oeuvre, le nombre de mécanismes à prendre en compte et finalement le nombre et la valeur des paramètres descriptifs du milieu. Ce phénomène, malheureu-

sement toujours mal maîtrisé à l'heure actuelle, est connu sous le nom d'effet d'échelle.

Cependant, quelle que soit l'échelle considérée, le calcul de la migration prend en compte trois types de mécanismes: la convection représentée par un vecteur vitesse dont le flux quantifie le débit d'eau moyen qui transite localement dans le milieu; la dispersion qui traduit macroscopiquement l'effet des hétérogénéités locales de la vitesse de l'eau à une échelle trop fine pour être décrite par la convection; l'interaction entre les substances transportées par l'eau souterraine et le milieu, qui englobe une multitude de mécanismes physicochimiques.

D'une manière générale, les modèles se différencient essentiellement par la manière dont ils décrivent les hétérogénéités et par les concepts qui sont pris en compte pour représenter l'interaction.

Deux types de discontinuités se présentent dans le milieu géologique qui ont une influence sur le choix du modèle à utiliser.

### Le milieu poreux

Il s'agit dans ce cas de l'hétérogénéité fondamentale microscopique des roches à l'échelle du pore. Les propriétés sont décrites de manière macroscopique en cherchant à les évaluer en valeur moyenne sur des échantillons (Volumes Elémentaires Représentatifs, VER) dont la juxtaposition constitue un milieu continu équivalent, éventuellement hétérogène et anisotrope. Ce type de description s'applique bien aux formations sédimentaires constituées de roches poreuses aux propriétés variables.

### Le milieu fracturé :

La circulation de l'eau dans les massifs géologiques, par exemple de type cristallin, s'effectue pour l'essentiel dans les discontinuités engendrées par les contraintes subies par ces massifs au cours de leur histoire géologique. Le problème de la
modélisation réside, dans ce cas, essentiellement dans la méthode de description de la connectivité du réseau de fractures.

En fonction des types de milieu décrits précédemment, plusieurs voies de modélisation peuvent être proposées:

### Modèle de milieu poreux équivalent

Ce modèle s'applique par définition au cas des roches poreuses, mais peut également s'appliquer dans certains cas au milieu fissuré lorsqu'il s'agit de simuler des domaines de grandes dimensions (pluri-kilométriques). On fait alors l'hypothèse que la fracturation créant l'essentiel de la perméabilité en grand du massif possède une extension et un espace ment faibles devant la taille du domaine modélisé. Il faut noter cependant que l'on ne possède pas, à l'heure actuelle, de données à grande échelle démontrant la validité de ce type de modèle.

Les modèles de milieu poreux équivalent font généralement appel à une technique de résolution discrétisée (éléments finis ou différences finies). Il est possible, lorsque l'on utilise la méthode des éléments finis, d'inclure explicitement des fractures de grande extension sous forme d'éléments de dimension inférieure (éléments monodimensionnels dans un maillage bidimensionnel ou éléments bidimensionnels dans un maillage tridimensionnel).

Dans une approche voisine, mais plus sophistiquée, on considère le milieu comme résultant de la superposition de deux milieux traités chacun comme un milieu poreux équivalent: un premier milieu représente la fracturation d'échelle moyenne, et un second la perméabilité locale (fractures de petite extension et matrice). Les deux milieux sont reliés par des conditions de continuité des pressions et des flux.

### Modèle de milieu à fractures discrètes

Il est possible de décrire l'écoulement dans un réseau constitué d'un nombre limité de fractures de forme quelconque qui s'interconnectent. Le modèle utilisé doit résoudre les équations d'écoulement et de transport dans chaque fracture. A l'intersection de deux ou plusieurs fractures, on écrit des équations qui traduisent la conservation des flux. L'équation à l'intérieur d'une fracture peut être résolue au moyen d'une méthode discrétisée (différences finies ou éléments finis), ce qui permet de faire varier les propriétés à l'intérieur de la fracture.

Ce type de modèle peut être développé assez facilement à partir d'un modèle d'écoulement bidimensionnel classique de type milieu continu. Il peut s'avérer très utile pour décrire l'écoulement et le transport de soluté dans un massif lorsque celui-ci est contrôlé par un nombre limité de grandes fractures traversant une matrice quasiment imperméable.

### Modèle de réseaux fracturés aléatoires

Dans ce type de modèle de développement récent [Cacas, 1989], les fractures sont représentées par des objets de forme simple (disques ou rectangles). Leurs orientation, ouverture et extension sont obtenues par tirage de fonctions aléatoires données (Figure 1).

Ces fonctions peuvent être reliées aux observations de fracturations réalisées sur un site particulier. Certains de ces modèles prévoient une certaine forme de conditionnement par les mesures, ce qui signifie que des fractures majeures observées peuvent être introduites de manière déterministe dans le

<figure><img src="image_180.png" /><figcaption>Fig. 1: Modèle de réseau fracturé aléatoire. Représentation tridimensionnelle des discontinuités au moyen de disques.</figcaption></figure>

réseau, la part aléatoire étant réservée à des fractures de moindre extension et de plus grande fréquence. A l'intérieur de chaque fracture, les équations d'écoulement et de transport sont résolues, soit analytiquement, soit par méthode discrétisée.

Le but de ces modèles est de créer une réalisation du milieu fracturé, au sens statistique du terme, qui reproduise aussi fidèlement que possible les observations. Les réseaux obtenus sont généralement assez denses et donnent lieu à la résolution de systèmes d'équations très volumineux. Leur utilisation semble donc pour l'instant limitée à des volumes de roche assez réduits.

### Modèle mixte

Une approche possible conciliant les avantages des deux grandes familles de modèles présentés ci-dessus (fractures discrètes et milieu poreux équivalent) pourrait consister à réserver le premier type de modèle au champ proche où la géométrie de la fracturation peut être décrite, et le second au champ lointain. La continuité entre les deux milieux se réaliserait à la distance pour laquelle l'approximation du milieu poreux équivalent devient légitime.

## LES PROCESSUS PHYSIQUES IMPLIQUES DANS LES TRANSFERTS DE FLUX

Les concepts qui viennent d'être décrits permettent de mettre en place des structures de modélisation sur lesquelles des transferts de flux pourront être décrits. Les processus mis en jeu dépendent du type de problème posé. Les développements récents ont porté sur la prise en compte simultanée de mécanismes multiples ou processus couplés.

Parmi ces processus couplés, on peut distinguer de manière non exhaustive: Ceux qui influencent directement les mouvements convectifs de l'eau par effet densitaire. La convection
naturelle sous l'effet d'un dégagement de chaleur en constitue un exemple. Ceux qui interviennent indirectement sur l'écoulement en modifiant les propriétés hydrodynamiques du milieu. Il s'agit par exemple du couplage hydromécanique accompagnant le processus de compaction d'une couche d'argile dont la pression interstitielle varie, ou encore du comportement d'un milieu fissuré sollicité par une injection d'eau sous forte pression à l'occasion d'une exploitation géothermique de type "roches chaudes et sèches" (RCS). Ceux qui concernent les interactions de nature physico-chimique entre des substances réactives dissoutes dans le fluide en mouvement et la roche encaissante. Enfin les processus non dominants qui relient par exemple une force thermodynamique telle que le gradient de température au flux de matière (effet Soret, effet thermogravitationnel).

Ces mécanismes lorsqu'ils obéissent à des lois connues peuvent être introduits dans les modèles numériques d'écoulement et être validés sur la base d'observations de systèmes naturels.

Nous allons à présent illustrer ces propos par des applications récemment réalisées au Centre d'Informatique Géologique.

## MODELISATION DE LA CONVECTION THERMIQUE

La convection thermique résulte de l'hétérogénéité de densité de l'eau engendrée par un gradient de température. Le phénomène peut se manifester sous l'effet du gradient géothermique naturel; il jouerait ainsi un rôle dans le transport d'éléments en solution au cours de la diagenèse minérale ou encore dans la formation des gisements d'hydrocarbures. Une application importante trouve sa place dans l'étude de la sûreté des stockages de déchets radioactifs pour lesquels les déchets de haute activité sont générateurs d'un fort dégagement thermique.

La figure 2 montre l'exemple du champ de vitesses d'écoulement calculé dans un aquifère sableux surmontant une couche d'argile où sont aménagées des galeries de stockage. On constate que se mettent en place des cellules de convection impliquant une vitesse verticale ascendante à l'aplomb des sources de chaleur et descendante entre les gale-

<figure><img src="image_181.png" /><figcaption>Fig. 2: Cellules de convection thermique naturelle engendrée par un stockage de déchets radioactifs dans un horizon argileux.</figcaption></figure>

ries. Le calcul est ici mené à l'aide d'une modélisation en milieu continu, en résolvant en deux dimensions au moyen d'une méthode d'éléments finis les équations de l'écoulement obtenues en employant une expression généralisée de la loi de Darcy qui fait intervenir explicitement la masse volumique et la viscosité de l'eau [modèle METIS, Goblet 1989]:

$$ \vec{V} = - \frac{k}{\mu} (\overrightarrow{grad} p + \rho g \overrightarrow{grad} z) $$

avec $p$ = pression de l'eau

$k$ = perméabilité intrinsèque

$\rho, \mu$ = masse volumique et viscosité

$\vec{V}$ = profondeur

$z$ = profondeur

## MODELISATION DE LA COMPACTION AU SEIN D'UN SYSTEME AQUIFERE MULTICOUCHE

Un système aquifère en milieu sédimentaire constitué d'un empilement de couches aquifères et de couches semi-perméables peut être classiquement simulé au moyen d'un modèle multicouche qui résout pour chaque couche l'équation de diffusivité au moyen, par exemple, d'une méthode numérique en différences finies [modèle NEWSAM, Ledoux et Levassor, 1989]. Dans le cas où les semi-perméables sont constitués de sédiments non compactés, l'écoulement se trouve influencé par les variations de porosité et de perméabilité de la couche qui doivent être prises en compte dans le modèle. Cette variation de porosité est elle-même à l'origine d'un tassement du milieu qui devient une variable calculée par le modèle, au même titre que le niveau piézométrique. Une adaptation du programme NEWSAM [Rivera-Busros, 1990] a été réalisée en ce sens au Centre d'Informatique Géologique, suivie d'une application au cas de la cuvette de Mexico.

Dans cette approche, le couplage hydromécanique, phénomène fortement non linéaire, est essentiellement modélisé dans les couches argileuses par le biais d'un coefficient d'emmagasinement spécifique variable dépendant de la contrainte effective s'exerçant sur la matrice argileuse, elle-même liée à la pression interstitielle de l'eau. Le couplage hydromécanique est finalement décrit par deux coefficients caractérisant l'argile (indice de compression et indice de gonflement) qu'il est possible de mesurer au laboratoire par des essais oedométriques sur des échantillons prélevés in situ.

La figure 3 représente la structure géologique du système aquifère de Mexico et le maillage du modèle multicouche qui a été réalisé. L'ensemble comprend une couche aquifère surmontée de 22 couches argileuses où se manifeste la compaction.

La figure 4 montre l'historique des débits prélevés dans l'aquifère utilisé pour la simulation des évolutions piézométriques et du tassement au sol sur la période 1934-1986. Les résultats du calcul de la compaction dans le centre ville sont présentés sur la figure 5. Différents tests réalisés avec le modèle ont montré que la bonne adéquation entre les calculs et les observations était essentiellement due à l'approche non linéaire du couplage hydromécanique.

## MODELISATION HYDROMECANIQUE D'UN ECHANGEUR THERMIQUE EN ROCHES CHAUDES ET SECHES

Les écoulements dans les milieux rocheux profonds sont essentiellement conditionnés par les propriétés de connectivité des dis-
<figure><img src="image_182.png" /><figcaption>Structure géologique du système aquifère de Mexico</figcaption></figure>

<figure><img src="image_183.png" /><figcaption>Fig. 3: Structure géologique de la cuvette de Mexico et maillage du modèle multicouche.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_184.png" /><figcaption>Fig. 5: Subsidence au centre de la ville de Mexico, comparaison entre valeurs observées et calculées.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_185.png" /><figcaption>Fig. 4: Débits pompés dans l'aquifère de Mexico sur la période 1934-1986.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_186.png" /><figcaption>Fig. 6: Débits injectés et produits dans le doublet du Mayet de Montagne au cours de l'essai de longue durée.</figcaption></figure>

continuités qui les parcourent. Dans le cadre des recherches sur l'extraction de la chaleur des roches chaudes et sèches, les expéri- mentations de terrain montrent que seul un nombre réduit de ces structures jouent un rôle hydraulique significatif.

Comme les flux mis en jeu sont de plusieurs ordres de gran- deur supérieurs à ceux qui s'établissent naturellement, les pres- sions nécessaires à leur mise en circulation forcée se trouvent être du même ordre de grandeur que les contraintes naturelles en place dans ces massifs. Il s'ensuit que des phénomènes mécaniques impliquant l'ouverture des fractures ou le glisse- ment de leurs épontes sont fréquemment rencontrés. Ces phéno- mènes induisent des modifications des propriétés hydrauliques des fractures et justifient le développement d'un modèle hydro- mécanique spécifique à l'étude de ces milieux [Bruel, 1990].

La figure 6 montre un exemple du comportement du systè- me fracturé soumis à une injection forcée. Ces mesures pro- viennent du site expérimental du Mayet de Montagne (France), équipé de deux forages verticaux distants de 100 m et profonds de 800 m. Ce diagramme rassemble, pour un régime d'injec- tions variables par paliers, les pressions d'injection nécessaires en tête de forage et le débit produit à la sortie du doublet.

La modélisation d'un tel système nécessite une description déterministe des principales fractures interceptant les forages et la figure 7 montre la géométrie retenue pour l'étude du site "Mayet". L'hydraulique est résolue en régime permanent, en

appliquant le principe de conservation de la masse, les pro- priétés de conductivité hydraulique des fractures dépendant de la contrainte normale effective et des cisaillements qu'elles supportent.

Deux mécanismes se conjuguent selon que la fracture se trouve comprimée ou qu'elle subisse des tractions. Dans le premier cas, une relation non linéaire lie directement la conductivité hydraulique à la contrainte normale effective. Dans le second cas, la matrice environnante est supposée élastique, les déformations étant calculées par la méthode des discontinuités de déplacement.

La figure 8 montre les résultats des simulations des quatre régimes hydrauliques présentés sur la figure 6. Le bon accord entre valeurs observées et valeurs calculées résulte du couplage hydromécanique. Toutefois, la qualité de l'ajustement diminue lorsque le régime de circulation simulé est augmenté, devenant de plus en plus dépendante de la description géomé- trique des fractures, fixée a priori.

Notons que l'approche développée autorise l'usage de géo- métries obtenues de manière stochastique, ce qui donne accès au comportement probable d'un milieu entièrement décrit par les paramètres des lois de distribution utilisées par ce type de modèles.
<figure><img src="image_187.png" /><figcaption>Fig. 7: Géométrie du réseau de fractures utilisée pour la simulation.</figcaption></figure>

## MODELISATION DU TRANSPORT D'ELEMENTS REACTIFS

Ce type de modèle trouve son application dans l'étude des systèmes géochimiques naturels (diagenèse minérale) ou perturbés par l'activité humaine (stockages de déchets en milieu géologique, etc...). Les substances en solution qui migrent avec l'écoulement peuvent être engagées dans des processus physicochimiques qui affectent leur mobilité. Deux méthodes pour prendre en compte ce phénomène ont été proposées:

### Approche empirique globale

Cette méthode empirique est basée sur la détermination de coefficients globaux destinés à quantifier la répartition d'une substance entre une fraction dissoute mobile et une fraction immobile fixée sur la roche. La notion très utilisée de coefficient de distribution (Kd) procède de cette approche qui présente plusieurs inconvénients.

Les mesures doivent être effectuées dans des conditions représentatives du transfert, pour chaque substance et pour chaque nouveau type de milieu; la tâche expérimentale préalable devient donc immense. Des tentatives ont été entreprises pour mettre en évidence une valeur "index" qui pourrait être mesurée aisément et utilisée dans un modèle pour prédire le coefficient de distribution d'après des caractéristiques du milieu et de la substance considérée. Ces tentatives n'ont,

<figure><img src="image_188.png" /><figcaption>Fig. 8: Pression d'injection en fonction du débit injecté, comparaison entre valeurs observées et calculées.</figcaption></figure>
## CALCITE DISSOUTE

<figure><img src="image_189.png" /><figcaption>Φ en 10⁻³ mol/dm³ de calcédoine</figcaption></figure>

<figure><img src="image_190.png" /><figcaption>Fig. 9: Calcul de la précipitation-dissolution de la calcite et de la calcédoine autour du puits d'injection d'un stockage de chaleur.</figcaption></figure>

pour l'instant, pas abouti, sauf dans le cas du transport de composés organiques (théorie hydrophobe).

L'approche par le coefficient de distribution s'intègre facilement dans les modèles de transport et conduit à définir un coefficient de retard R qui permet de relier simplement la vitesse de Darcy à l'écoulement V à la vitesse apparente de migration Va par la formule:

$$ \vec{Va} = \frac{\vec{V}}{\varepsilon R} $$

où ε est la porosité cinématique du milieu. Ce modèle est classiquement utilisé pour l'analyse de sûreté des stockages de déchets radioactifs.

### Approche conceptuelle par la thermodynamique chimique

Cette approche est basée sur la thermodynamique des solutions.

La spéciation d'éléments en solution peut théoriquement être calculée à l'équilibre au moyen de codes de calculs géochimiques dans la mesure où les constantes thermodynamiques des réactions sont connues et où les phénomènes cinétiques sont rapides.

Cependant cette spéciation peut évoluer tout au long du transfert si des processus cinétiques entrent en ligne de compte, si les facteurs physiques changent (température) ou si le milieu géologique connaît des variations minéralogiques. Il est alors nécessaire de coupler la résolution des équations de transport et des équations chimiques. Une méthode de calcul basée sur la représentation du système géochimique en composantes chimiques a été proposée par Coudrain-Ribstein

<figure><img src="image_191.png" /><figcaption>Fig. 10: Schéma du cycle simplifié de l'azote dans le sol.</figcaption></figure>

[1988] et incorporée dans un code de calcul en éléments finis (programme STELE). Ce type de modélisation est très prometteur et activement développé à l'heure actuelle sur le plan théorique comme sur le plan de la validation expérimentale.

La mise en oeuvre d'un tel modèle suppose: l'identification préalable du système géochimique actif qui se manifeste entre les espèces aqueuses, les minéraux et éventuellement les gaz; la constitution de bases de données thermodynamiques relatives au système retenu et éventuellement de bases de données cinétiques; la connaissance ou le calcul des variables d'état pression et température dans l'ensemble du domaine; la mise en oeuvre de calculs lourds nécessitant des moyens informatiques importants si le nombre de mailles du modèle est grand.

En revanche, une fois mis au point, le modèle peut être transposable d'un milieu à un autre sans qu'il soit nécessaire de réaliser d'autres expériences que celles nécessaires à l'identification du système géochimique.

Un exemple d'application à un stockage de chaleur dans l'aquifère des sables de Fontainebleau a été réalisé par Vinsot [1990]. L'étude de la répartition des espèces chimiques dans l'eau de la nappe montre que la composition de l'eau peut être expliquée par un équilibre avec la calcédoine, un feldspath potassique, la calcite, la kaolinite et le gaz carbonique. En considérant ce système géochimique, le modèle STELE a été utilisé pour prévoir la précipitation-dissolution de calcite et de calcédoine dans le milieu au cours d'une phase d'injection d'eau chauffée à 50 °C et acidifiée pour prévenir la précipitation de la calcite dans les installations de surface. Les résultats de cette prédiction sont présentés sur la figure 9. L'évolution du système géochimique a, par la suite, été étudiée en vraie grandeur sur le site de stockage de Trappes [Vinsot et Coudrain - Ribstein, 1989]. Les différences entre les calculs et les observations peuvent s'expliquer par un phénomène cinétique qui ralentit très fortement la dissolution de la silice et par l'absence de calcite dans le terrain qui interdit toute nouvelle dissolution.

### MODELISATION DU CYCLE D'AZOTE DANS LE SOL

Le problème des nitrates d'origine agricole est préoccupant, puisque ceux-ci sont un des principaux responsables de la pollution des eaux de surface, et surtout des eaux souterraines. La modélisation du cycle de l'azote dans le sol et la détermination du flux de nitrates vers les aquifères sont utiles pour appréhender de façon satisfaisante le problème de la pol-
<figure><img src="image_192.png" /></figure>

<figure><img src="image_193.png" /><figcaption>Fig. 11: Modélisation du drainage et du flux de nitrates à la base d'une case lysimétrique cultivée en maïs blé, comparaison entre valeurs observées et calculées (1/09/1976 au 31/08/1983).</figcaption></figure>
lution azotée. Cette modélisation peut fournir un outil intéres-
sant pour étudier l'évolution des teneurs en nitrates des
nappes souterraines sous des conditions culturales données et
peut permettre la prévision de l'impact de certaines modifica-
tions des pratiques culturales.

Le principe de la modélisation entreprise au Centre
d'Informatique Géologique a consisté à greffer sur un modèle
hydrologique à discrétisation spatiale baptisé "modèle cou-
plé" [Girard et al., 1981] capable de fournir les flux d'eau
infiltrés dans le sol un module représentant une approche sim-
plifiée du cycle de l'azote dans le sol, mettant en oeuvre trois
compartiments (azote nitrique, azote ammoniacal et azote
organique) et représenté sur la figure 10 [Geng, 1988].

Les principales fonctions de ce modèle sont les suivantes:
transformations biochimiques: la minéralisation, la nitrifica-
tion et les réorganisations sont traitées comme des réactions
présentant une cinétique d'ordre 1; adsorption-désorption de
l'ammonium: on considère un équilibre linéaire et instantané
entre l'ammonium dissous et l'ammonium adsorbé sur la
phase solide; prélèvements par les plantes : ce phénomène est
représenté par une approche de type Michaelis-Menten basée-
sur une consommation journalière potentielle et le contenu en
azote nitrique du sol.

Les équations de bilan des différentes formes azotées sont
résolues numériquement et permettent le calcul en fonction du
temps d'un flux de nitrates percolant vers la nappe. Le modèle a
été testé, entre autres cas, sur des données provenant de cases
lysimétriques cultivées de l'INRA à Versailles, pour lesquelles
des observations de drainage et de flux de nitrates étaient dispo-
nibles. La figure 11 montre les résultats obtenus pour une case
lysimétrique cultivée en maïs-blé sur une période de 7 années.

CONCLUSION

Le développement très rapide de la puissance informatique
a permis, ces dernières années, de mettre sur pied des
modèles mathématiques de plus en plus complexes permettant
une approche de plus en plus fine de la réalité du milieu sou-
terrain. Cette complexification s'exprime de deux manières:
d'une part par la taille et la diversité des structures qu'il est
possible de représenter (modèles tridimensionnels utilisant un
grand nombre de mailles ou de fractures individualisées);
d'autre part, par le nombre de processus couplés qu'il est pos-

sible de prendre en compte simultanément.

Se pose alors le problème de la validation de ces outils, qui
nécessite une confrontation avec des données expérimentales
de plus en plus nombreuses et difficiles à acquérir. Un exemple
particulièrement marquant de cette situation est fourni par les
modèles géochimiques pour lesquels il est nécessaire de
constituer des bases de données thermodynamiques très éten-
dues avant de pouvoir interpréter des systèmes naturels. La
tâche expérimentale reste donc immense, un des intérêts de la
modélisation étant peut-être de permettre de mieux l'organiser.

REFERENCES

Bruel D., Exploitation de la chaleur des roches chaudes et sèches; étude des phénomènes hydrauliques, mécaniques et thermiques au moyen d'un modèle à fractures discrètes, *thèse de doctorat, Ecole des Mines de Paris*, 1990.

Cacas M.C., Développement d'un modèle tridimensionnel stochas-
tique discret pour la simulation de l'écoulement et des transferts
de masse et de chaleur en milieu fracturé, *thèse de doctorat, Ecole
des Mines de Paris*, 1989

Coudrain-Ribstein A., Transport d'éléments et réactions gtéochimiques dans les aquifères, *thèse d'état, Université Louis Pasteur, Strasbourg*, 1988.

Geng Q.Z., Modélisation conjointe du cycle de l'eau et du transfert des nitrates dans un système hydrologique, *thèse de doctorat, Ecole des Mines de Paris*, 1988.

Girard G., Ledoux, E. et Villeneuve, J.P., Le modèle couplé: simulation conjointe des écoulements de surface et des écoulements souterrains sur un système hydrologique, *Cahiers ORSTOM, série Hydrologie*, 28 (4), 1981.

Goblet P., Programme METIS, notice de conception, rapport LHM/RD/89/23, Ecole des Mines de Paris, Fontainebleau, 1989.

Ledoux E., et A.Levassor, notice NEWSAM. Rapport LHM/RD/89/57, Ecole des Mines de Paris, Fontainebleau, 1989.

Ledoux E. et B.Tillie. Programme NEWSAM, principe et notice d'emploi, (version 1987), rapport LHM/RD/87/40, Ecole des Mines de Paris, Fontainebleau, 1987.

Rivera-Bustos A., Modèle hydrogéologique quasi-tridimensionnel non linéaire pour simuler la subsidence dans les systèmes aquifères multicouches, cas de Mexico, *thèse de doctorat, Ecole des Mines de Paris*, 1990.

Vinsot A., Analyse du fonctionnement géochimique d'un aquifère, étude de stockages de chaleur dans les sables de Fontainebleau (Trappes, France) et dans des sables alluviaux récents (Lausanne, Suisse), *thèse de doctorat, Ecole des Mines de Paris*, 1991.

Vinsot A. et Coudrain-Ribstein, modélisation thermodynamique des phénomènes géodchimiques liés à l'injection en géothermie. Rapport CEE, LHM/RD/89/89, Ecole des Mines de Paris, 1991
<figure><img src="image_194.png" /></figure>
# LOGIQUE, COHERENCE ET RESPONSABILITE EN HYDROLOGIE

GUY OBERLIN

ORSTOM/CEMAGREF

division Hydrologie-Hydraulique-Cemagref Lyon

3, quai Chauvau - 69336 Lyon Cedex 09

En dépit de certaines dérives, potentielles ou réelles, qui peuvent avoir perturbé la science hydrologique, il ressort d'une analyse rétrospective faite sur les vingt dernières années, et sur un échantillon de laboratoires français, d'abord une profonde réalité de cohérence. C'est une tentative de synthèse résumée et partielle d'un tel cheminement qui est présentée ici. On observera que la cohérence à long terme d'une telle démarche débouche sur une apparente contradiction: efficacité en aval (monde des utilisateurs), faible écho en amont (monde des scientifiques). Un trait majeur s'impose aussi: une incompréhensible modestie des moyens mis en oeuvre, par rapport à l'énormité des enjeux. Plutôt qu'un supposé dilettantisme, ne serait-ce pas la valeur incroyablement basse du ratio "coût/efficacité" qui expliquerait certains états d'âme des Hydrologues ?

In spite of some bad drift, actual or potential, which has been able to trouble the hydrological science, the analysis of the last 20-years research program, for a set of french laboratories, shows first a very deep consistency. A rough and partial synthesis of such a processes is presented here. It shows an apparent contradiction between a very large success and efficiency from the user's point of view, and a very poor interest from the scientist's point of view. An other main feature is the modesty of the means, when compared to the results efficiency and to the huge wheigth of the water problems in human societies. So, rather than a supposed dilettantism, should not be the very low level of our derived "cost/efficiency" ratio, a main explanation for some hydrologist's uncertainties ?

## INTRODUCTION

Cette note s'appuie sur l'expérience scientifique vécue par quelques laboratoires, plus ou moins proches de ceux où l'auteur a pu travailler. Elle ne prétend pas dresser un tableau de synthèse, loin de là, de l'Hydrologie française. Elle a un propos général qui a conduit à ne pas y référencer formellement les travaux sommairement cités : l'équilibre entre les laboratoires aurait été impossible à trouver, et les références auraient été de toutes manières incomplètes. De plus, la démonstration de cohérence recherchée n'avait rien à y gagner. Comme un chercheur doit limiter ses citations à celles réellement indispensables pour son exposé, l'auteur considère donc qu'il a satisfait à la bonne règle ... bien que la bibliographie soit absente !

## LA FIN DES ANNEES SOIXANTES ...

Précédant le premier choc pétrolier et sa récession économique, et peut-être perturbée par des remises en cause soixanthuitardes - mai 68: les premières lacunes, depuis la fin de la seconde guerre mondiale, sur les séries hydrologiques de référence les plus choyées ..., quel drame ! l'Hydrologie est effectivement en crise. Les BVRE (Bassins Versants Représentatifs et Expérimentaux) n'ont pas pu concrétiser les espoirs que beaucoup y avaient irrationnellement développés. On y Expérimente peu, leur Représentativité est souvent limitée au rôle de Repère, et leur R ne s'est pas encore enrichi de Recherche et de Référence. Les modèles globaux montrent leurs limites et les modèles distribués et/ou déterministes nagent dans un océan de paramètres, moins validables les uns que les autres.

Motivées ou non par ce marasme, plusieurs décisions stratégiques sont alors prises en France, sous l'égide de Services qui seront les noyaux des futures Autorités de l'Eau et de la Recherche, et préparées avec les principaux laboratoires alors

compétents en Hydrologie. On peut citer:

- création d'un réseau hydrométrique national complémentaire (surfaces moyennes à faibles), associé à une banque informatisée à la fois centralisée et distribuée (innovant, à l'époque), et scientifiquement soutenu par un laboratoire de recherche appliquée, auquel il est demandé d'avoir une stratégie orientée d'abord vers la modélisation statistique (valorisation des observations) et l'intégration "amont-aval", c'est à dire "hydrologie + hydraulique";

- maintien d'un minimum de BVRE, malgré la conjoncture désenchantée, avec le pari que des laboratoires de terrain sont incontournables en recherche hydrologique, et ne fut-ce que, si vraiment les modèles conceptuels ne réemergaient plus, pour avoir au moins quelques points de repères amont pour les facteurs d'échelle spatiale des modèles statistiques;

- développer un laboratoire à vocation de modélisation, et d'ambition nationale, et le déplacer de son organisme technique de naissance vers le milieu universitaire, pour assurer son ouverture et les liens avec les sciences amont ou connexes;

- réduire progressivement l'hydroschyzophrénie alors encore communément admise entre eaux de surface et souterraines.

Cette liste n'est évidemment pas exhaustive.

## UNE PHASE D'INTENSE CREATIVITE (1970 - 1976 ET S.)

En conséquences de cette politique, le début des années soixante-dix voit la plupart des laboratoires présents en hydrologie radicaliser leurs activités et leurs programmes. Il y a ceux qui les développent, soit parce qu'ils sont directement concernés par le mouvement cité, soit par réaction ou par intuition stratégique, et il y a ceux qui délaissent ce créneau, avec des "abandons" qui seront encore renforcés par la crise économique du milieu de la décade qui suivra.
Les structures nouvelles, ou renouvelées, directement concernées par ce re-développement de l'Hydrologie, se plongent dans un intense travail créatif. Nombre de modèles et de méthodes, souvent traduits quand c'est possible en outils logiciels, sont élaborés. Ils synthétisent de manière souvent profondément imbriquée (objectif d'opérationnalité oblige) des choses réputées connues (au moins dans la littérature anglo-saxonne) et des innovations, ces dernières parfois mondiales. Mais la production littéraire est faible, au sens académique du monde de la science: beaucoup de synthèses, d'outils et de compétences, mais peu d'articles analytiques. Certains travaux sont diffusés à des centaines d'exemplaires (souvent "à la demande", ce qui est un bon critère d'évaluation), mais ces mêmes travaux peuvent être complètement absents des revues scientifiques. Ils sont même parfois refusés, entre autres par les revues anglo-saxonnes, sous le motif de cette trop forte imbrication entre choses connues et choses nouvelles. Mais peut-on reprocher à un chercheur, qui a fait un effort de synthèse et qui est surchargé par la demande présente dont il fait l'objet, de ne pas arriver à dégager du temps pour désaggrêger son travail et n'y présenter que les seules innovations ? L'applicabilité d'un travail sur des cas réels, validable par des observations, n'est-elle pas aussi (et entre autres, bien sûr) un critère valable d'évaluation ?

Cette apparente indépendance, entre la riche réalité des recherches et leur faible image académique, n'est d'ailleurs pas uniquement liée à l'intrication avec la valorisation. Beaucoup connaissent l'exemple, caricatural mais significatif, de ce travail sur le concept de surface participante, élaboré sur le fleuron des BVRE français des années soixantes, publié dès le début de cette décade, qui plus est dans ... une revue (il est vrai, de rang dit B ...), et ... totalement passé inaperçu. Il a fallu attendre plus de vingt ans, puis plusieurs années d'engouement quasi-frénétique sur ce nouveau concept réputé anglo-saxon, pour redécouvrir ce travail français.

Outre les ouvertures et développements cités, les laboratoires plus anciens éditent de remarquables synthèses, ou élaborent les premiers modèles complexes (distributions et couplages) qui commencent à réellement fonctionner. Une forte demande opérationnelle en hydrologie urbaine permet à cette branche d'émerger et d'alimenter, au-delà des services attendus à court terme pour la règlementation, nombre de recherches et de pistes qui porteront leurs fruits plus tard, par exemple en laminages des crues. Les impacts des changements d'occupation des sols commencent à être connus, ce qui conforte les outils BVRE, et on attaque la discrimination entre ces effets anthropiques et ceux liés aux aléas (stationnaires) climatiques, ce qui préparera le travail pour les futures inquiétudes sur les changements climatiques.

En modélisation statistique, on commence à savoir introduire les compositions de lois statistiques (non-normales incluses) pour les processus hydrologiques qui peuvent être formulés analytiquement. Ceci conduit à des progrès significatifs, par exemple en gestion des ressources et des barrages où cela permet de repousser le domaine quasi-inextricable des simulations de gestion (avec leurs trop lourdes procédures multi-critères d'optimisation), ou en estimation des crues extrêmes où cela permet d'envisager des progrès pour le modèle dit du Gradex (créé pendant la précédente décade). La théorie du renouvellement, également formalisée en France dans cette décade précédente, fait l'objet de remarquables développements et de synthèses dont les outils sont encore

d'actualité aujourd'hui (faut-il le répéter: publications non faites, ou refusées, à l'époque...). La géostatistique émerge définitivement de terre, aux sens propre et figuré, c'est-à-dire que les hydrologues commencent à envisager de s'en servir.

Les modèles stochastiques, dédiés "simulation pour la gestion", développent des modules mathématiquement très sophistiqués. Efficaces en résultats, leur complexité même fait présager qu'ils ont dépassé le niveau de ce qu'il sera possible de "léguer" à l'avenir, et ils verront en effet leur audience faiblir.

En modélisation conceptuelle, on est encore piégé dans les réservoirs, et de gros efforts sont faits, en partie en vain, pour exploiter les nouvelles connaissances développées par les climatologistes autour de l'ETR régionale (importance du Rayonnement Net, théories d'équilibre entre ETR et ETP avec leur ETPo, etc...). Les progrès attendus sur les fonctions de rendement sont décevants. On saura plus tard pourquoi: les variabilités spatiales des pluies (connues) et des processus au sol (pressentis, mais seulement en cours de description) priment largement sur celles, beaucoup plus modestes, des ETR.

Une réflexion fondamentale est à nouveau appliquée à l'objet mathématique que sont les chroniques hydrologiques, avec leur handicap fondamental de non-bijectivité, et on élabore les premières définitions renouvelées des anciennes et simplistes "valeurs classées", renouveaux qui porteront des fruits tout à fait remarquables quinze ans plus tard, avec les modèles synthétiques bi-univoques dits QdF.

## EFFICACITE RECONNUE, MAIS SCIENCE SOUS-EVALUEE

La fin des années soixante-dix est curieuse. On observe simultanément une reconnaissance réelle de nombre de travaux hydrologiques français, malgré la faiblesse des publications dites scientifiques et l'abondance de la littérature dite grise, mais ils font l'objet d'une évaluation tout à fait particulière qui reconnait le service mais néglige la valeur scientifique. Parmi les choses entendues: "super-technique", et ce n'était pas un jargon issu de bouches adolescentes ! L'Eau et l'Hydrologie seraient-elles des choses étranges ? Ou, au contraire, seraient-elles trop communes pour pouvoir émarger au monde scientifique ? Ce dernier aurait-il besoin de mystère et de langage ésotérique pour exister, ou... se justifier ?

La disponibilité de séries chronologiques nouvelles (celles des réseaux créés dans les années soixante), ou prolongées de qualité (celles des BVRE maintenus), autorise les premières synthèses régionales et nationales réellement objectives et quantifiées (à défaut d'être précises ...). Dans l'espoir de lier quantitativement Hydrologie, Climat et Bassin Versant, une synthèse sur les crues prépare plus de 60 paramètres descriptionnels, à vocation potentielle explicative, sur plusieurs centaines de bassins observés en débits et choisis selon des critères de qualité (tarages de hautes eaux, entre autres). Les analyses de variance ne permettront d'en retenir que 6 à 8, et le souci des auteurs de ne pas encombrer les utilisateurs avec des paramètres faiblement explicatifs (rapport "coût/efficacité" trop élevé) réduira ce nombre à 3 ou 4 dans les modèles publiés (modestie scientifique exagérée ?).

Les réseaux pluviographiques denses des BVRE fournissent les premiers modèles quantifiés (mais simples) du phénomène d'épicentrage (concept créé à cette occasion), et ceux de l'abattement (pluie de bassin) sont renouvelés. Pendant ce temps, les modèles hydrauliques sont améliorés et adaptés (maillages performants, pour mieux représenter les écoule-
ments des crues) pour relayer encore un peu plus tôt (vers l'aval) les modèles hydrologiques. Ces derniers font l'objet d'une reprise "à zéro": tirant les leçons des limitations des modèles conceptuels, pourtant indispensables, on conclut à un défaut de maîtrise de leur fonctionnement, liée à une progres- sion trop rapide de leurs nombre de concepts et de fonctions (en corollaire, de leurs paramètres) par rapport aux capacités (ou réalisations) de validation et contrôles. Il est donc décidé de reprendre avec un modèle à ... un paramètre (!), et de ne passer à deux que lorsque toutes les investigations pertinentes auront été faites.

Des problèmes spécifiques à la montagne sont délimités, en particulier en zones alpines et méditerranéennes, et un pro- gramme-cadre cohérent à très long terme est lancé. La pluie fait également l'objet de travaux de synthèse, à la fois quanti- fiés selon des modèles de Montana généralisés, cohérents avec les pratiques anciennes, et compatibles avec les modèles hydrologiques nécessitant de bons quantiles de pluies, comme le gradex et sa future généralisation.

En compréhension des processus de base, les travaux cités en ETR amorcent une autre interprétation du fonctionnement des sols vis à vis des écoulements, et préparent des approches renouvelées pour le suivi, avec objectif hydrologique, de l'état hydrique des sols. La sécheresse de 1976 apporte, en BVRE, une remarquable démonstration des effets des macro- porosités à l'échelle de tout un bassin, et de leur considérable hystérésis, persistant même longtemps après le retour de périodes humides.

Des équipes se regroupent, en particulier sur les théma- tiques hydrologie, hydraulique, surface, et souterrain, et des collaborations contractuelles se tissent entre hydrologues et météorologues-climatologistes.

UNE CERTAINE MATURITE: LE DEBUT DES ANNEES QUATRE-VINGT

L'accumulation de résultats pratiques, obtenus par des tra- vaux dont la rigueur ne peut être discutée, force le respect, et le stade de "pré-science" est admis sinon pleinement reconnu. Pour organiser ces nombreux outils et connaissances de manière rationnelle et contrôlable, on aborde leur structura- tion sous des formes qui confinent aux outils de l'Intelligence dite Articicielle. C'est d'autant plus nécessaire qu'il y a peu de publications en revues et beaucoup de littérature grise. L'échelle internationale de travail est abordée et préparée. Il en est de même d'une intégration avec les aspects de qualité, de flux et d'hydrobiologie.

Parallèlement aux aspects interne ou bi-latéraux inter-labo- ratoires, des structures nationales ou internationales se créent ou se préparent, en particulier en BVRE, en Aménagement des Eaux, en Hydrologie Régionale, etc... Tous ces liens sont de puissants moyens d'assurer un niveau scientifique exigeant (avis et contrôles multiples et diversifiés) tout en évitant les percées isolées, sources .. d'isolement, et en favorisant les synthèses interdisciplinaires, à tout le moins les coordinations ou les écoutes réciproques. Une revue, francophone mais internationale, est créée en Hydrologie Continentale.

Les connaissances sur les laminages réels des crues font des progrès décisifs et inattendus et, comme c'est devenu la règle, immédiatement suivis d'outils opérationnels et simples (laminage dit hydrologique) qui diffusent des connaissances fort nouvelles (et peu confortables) par rapport aux certitudes ou hypothèses passées..

Jeux-tests de modèles (grâce aux BVRE) et comparaisons permettent de clarifier le monde confus des opérateurs Q(P). Télédétection et radars sont envisagés pour améliorer la connaissance spatiale des états d'humidité des sols, coeur des processus de début d'écoulement. Des connaissances mûries sur les effets anthropiques permettent de ciber les recherches à venir, d'une part, sur les aménagements des lits quelque soit leur taille (avec des perspectives de modélisation qui s'affran- chiront des facteurs d'échelle en réseau) et, d'autre part, sur les effets érosifs des ruissellements et le transport des sédi- ments (modélisations turbulentes), tout en relativisant les effets de sols à l'échelle des bassins.

Les protocoles de suivi des flux, toujours coûteux à cause des analyses, se rationnalisent, et les connaissances acquises en BVRE permettent d'aborder les grands bassins, ou de caler et valider les modèles conceptuels de flux.

L'EMBALLEMENT: A LA JAPONAISE OU A LA FRANÇAISE ?

La fin des années quatre-vingt est à la fois passionnante et inquiétante. La simultanéité des développements conduit à une pression des demandes extraordinaire: les usagers "aval" sont toujours plus nombreux, encouragés par vingt ans de travaux généralement reconnus efficaces; le monde scientifique acadé- mique (c'est à dire plus académique que l'Hydrologie ...) com- mence à manifester de l'intérêt, en modérant ses critiques ou mépris antérieurs, même si la règle du jeu des publications en revues n'est toujours pas (bien) suivie (les nombreux sémi- naires et communications compensent en partie cette lacune persistante); les coordinations nationales et internationales, voire les programmes correspondants, deviennent la règle ce qui est bien mais...consomme du temps; etc... Tout ceci n'est évidemment pas indépendant d'un démarrage, tardif mais réel, d'une prise de conscience enfin sérieuse, et à tous les niveaux, des problèmes d'Éau et d'Environnement, même s'il y a enco- re loin des discours à la réalité, et des promesses aux aides ou actions substantielles et assurées à long terme.

Le côté passionnant réside, outre la satisfaction de faire l'objet d'une telle demande, dans quelques succès de cette période. Parmi d'autres:

- l'émergence de concepts (enfantés par les travaux sur les conséquences anthropiques) tout à fait nouveaux en Inondations et Crues (modèle Inondabilité), susceptibles de révolutionner l'aménagement des cours d'eau en réconciliant Risques et Ressources, et en permettant une quantification objective commune aux aspects économétriques et aux aspects patrimoniaux;

- des perspectives de cartographies hydrologiques quanti- fiées et continues, dépassant les problèmes topologiques de représentation des résultats (recouvrants) de bassins emboîtés, ou capables de prendre en compte la variation continue des débits le long d'un cours d'eau (surfaces participantes laté- rales), et susceptibles de donner à l'hydrologie une image beaucoup moins ésotérique ou théorique qu'avant;

- l'aboutissement heureux des premiers programmes pré- vus en Hydrologie alpine quantitativc, essentiellement basés sur la synthèse des données disponibles (pluies, débits, éro- sion, ...) et les perspectives corollaires de la seconde tranche de programmes: BVRE ciblés sur ce domaine, pluies et IdF en montagne, processus des écoulements torrentiels, probléma- tiques communes aux risques générés par des excès d'eau, etc...;
- l'efficacité inattendue des modèles conceptuels créés selon la méthodologie rigoureuse de maîtrise citée (en allant de l'élémentaire au complexe, et non en simplifiant le complexe), comme GRi qui, avec seulement i=3 paramètres, présente un rapport "coût/efficacité" et une validabilité tout à fait remarquable;

- les perspectives de disposer d'une alternative au Gradex, respectueuse de ses hypothèses les plus valides mais améliorant ou complétant ses faiblesses ou limites (AGREGEE);

- une complémentarité potentielle des modèles d'estimations de pluies régionales et locales, autorisant simultanément une meilleure connaissance des valeurs rares et un respect des effets micro-climatiques (TPG);

- une modélisation turbulente du transport solide en suspension qui devrait déboucher demain sur une meilleure connaissance des déplacements des dépôts, en particulier ceux des retenues et ceux dommageables pour l'environnement par suite des polluants adsorbés (TRAPS);

- un rapprochement de l'Hydrologie et de l'Hydrobiologie qui permettrait enfin à la première de fournir des modèles quantitatifs pertinents, tant hydrologiques qu'hydrauliques, à la seconde (QdF, Eva, ...);

- des perspectives de dépasser les problèmes d'échelles d'espace en "normalisant" les modèles descriptifs QdF sur de larges plages de taille de bassins versants, même quand ceux sont relativement hétérogènes;

- des perspectives, avec le pôle AMHY du programme FRIEND (Unesco) et son GIS national associé, d'aborder réellement l'échelle continentale adaptée à l'Hydrologie Régionale;

- etc.... cette liste étant évidemment très incomplète.

Le côté inquietant réside dans un des effets pervers de ces développements: que donnent-ils dans des structures à moyens constants. ou trop faiblement croissants ? Ils donnent des ..."Japonais". C'est à dire des chercheurs qui ont, aujourd'hui, une productivité remarquable, mais tellement accaparés par les demandes à court terme, et tellement chargés de programmes à long terme (dont ils n'arrivent jamais à respecter les délais). qu'ils n'auront plus les moyens de bien préparer l'avenir, et qu'ils accumulent, sinon au niveau social (comme au Japon), du moins au niveau individuel, de lourds problèmes à résoudre demain. Un signe, parmi d'autres, qui

ne trompe pas: malgré la demande forte, peu de chercheurs (du niveau souhaité ...) dans les rares embauches. Parmi les motifs "confessés" par ces candidats qui ne se jettent pas à ... l'Eau: inadéquation entre les tâches demandées (reconnues ou pressenties lourdes, car la pression de la demande est rapidement perçue par un candidat en entretien ou en visite dans un laboratoire) et les moyens offerts. S'il s'agit parfois de questions salariales, il est plus souvent question des moyens généraux des laboratoires, et plus particulièrement des moyens humains. Les ratios "nombre de thèmes /chercheurs" et "nombre de techniciens/chercheurs", ainsi que les effectifs des laboratoires, inquiètent nombre de candidats-chercheurs.

## ET L'AVENIR ?

Les passionnés sont peut-être indifférents à la situation décrite ci-dessus. Mais une Science peut-elle se contenter de travailler avec des passionnés et polarisés, surtout dans un domaine d'intérêt aussi universel que l'Eau ? Laissera-t-on les "actifs-non polarisés", souvent plus raisonnables et plus équilibrés, au chômage ? Ou les abandonnera-t-on au seul bénéfice des autres sciences et techniques ?

L'auteur de ces lignes, quand il était débutant-chercheur, s'était vu enseigner par son premier directeur de recherches que, pour faire de l'Hydrologie, il fallait beaucoup de mode-tie et d'abnégation. Au-delà du lieu commun que cela représente en général pour tout scientifique, on rejoint là l'exposé liminaire de cette note: plutôt que de problèmes épistémologiques, l'Hydrologie ne souffrirait-elle pas plutôt d'exister depuis trop longtemps, d'avoir ainsi perdu sa virginité ou son mystère, et de tout simplement manquer d'impact médiatique et d'effet de mode, et donc de moyens, compte tenu du fonctionnement actuel du monde, piloté d'abord et avant tout par l'image (sacralisée) et le court terme (confondu avec efficacité) ?

Les scientifiques lecteurs et auteur de cette note n'ont sans doute, ni les moyens de modifier cette situation à leur seul niveau, ni le voeu d'abandonner cette logique, cette cohérence, et ce sens des responsabilités dont on a essayé de présenter ici la réalité, trop souvent cachée. Si le premier aspect est manifestement une faiblesse (partagée ...), les seconds sont sans doute un atout. Mais peuvent-ils durer ?
# PROGRES ET APPLICATION DE LA MODELISATION CONCEPTUELLE
## PLUIE-DEBIT

CLAUDE MICHEL, EDIJATNO, THIERRY LEVIANDIER

CEMAGREF - Division Hydrologie - BP 121 - 92185 Antony Cedex.

Ce papier défend le point de vue conceptuel empirique dans la modélisation pluie-débit et met l'accent sur l'économie du nombre de paramètres. On présente un modèle journalier à trois paramètres dont toutes les spécifications ont été, dans la mesure du possible, justifiées par comparaison avec d'autres solutions envisageables. La liaison entre les paramètres et les caractéristiques géologiques et morphologiques a été étudiée. On présente des versions du modèle adaptées à différents contextes (pas de temps, piézométrie, karst, modèle de qualité de l'eau etc...). Le modèle peut s'appliquer à des objectifs opérationnels variés comme la prévision des crues, leur prédétermination, la prévision des étiages. La facilité de calage du modèle permet son utilisation sur la plupart des bassins versants et jette un éclairage intéressant sur leur mode de fonctionnement.

This paper advocates the empirical conceptual point of view in rainfall runoff modelling and focuses on parameters parsimony. A daily model with 3 parameters is presented, all specifications of which have been checked against alternative hypothesis on more than one hundred basins in France. A covariance matrix relative to each catchment parameter set has been estimated. Relationship between these parameters and geological and morphological characteristics have been sought. Several derivations of the model for different contexts (step of time, water table, karst, water quality models, etc) are reviewed. The low dimension of the model allows for engineering applications flood forecasting or flood frequency estimation and the model, though empirical is claimed to be interesting at the level of hydrological knowledge by the comparison it allows on many catchments, du to its easy calibration.

## INTRODUCTION

L'étude de la transformation des pluies en débits à l'exutoire d'un bassin versant et la modélisation de ce processus est une des préoccupations majeures des hydrologues et ne cesse de susciter de nombreuses recherches. Nous voulons décrire ici les avancées récentes permises par un modèle conceptuel très simple, à la fois sur le plan de la connaissance hydrologique grâce à sa généralité, et sur le plan des applications grâce à sa simplicité. Nous nous limiterons dans un premier temps à la modélisation au pas de temps journalier.

## CONCEPTION D'UN MODELE PLUIE-DEBIT JOURNALIER (GR3)

La plupart des modèles pluies-débits utilisent de nombreux paramètres pour décrire cette transformation. Certains de ces paramètres sont parfois présentés comme pouvant être estimés à partir des caractéristiques du bassin, mais la majorité d'entre eux, doivent être estimés indirectement en utilisant les données des séries hydrologiques observées. En général, ces recherches ont porté sur des modèles empiriques bien que leurs auteurs aient considéré qu'ils y introduisaienent un grand nombre de notions issues de l'hydraulique à surface libre ou des milieux poreux. Les modèles proposés sont à classer parmi les modèles conceptuels avec éventuellement la prise en compte de l'irrégularité spatiale des entrées et/ou des processus. En cherchant à incorporer dans ces modèles des notions a priori sur les dynamiques de l'eau, on a obtenu des structures dépendant d'un grand nombre de paramètres (en général plus de dix) et l'on a trop facilement accepté d'emblée certaines dispositions qui étaient justifiées par leur conformité à nos schémas mécanistes. Malgré cette assise physique, ce type de modèle ne sera jamais mieux qu'empirique car la justification physique de certaines de ces parties est de peu de poids devant l'organisation spatiale des différents éléments constitutifs d'un bassin versant, représentant un système complexe dont une très faible partie seulement est

accessible à un coût raisonnable. En dehors de la conservation de masse, aucune disposition d'un modèle ne peut donc se prévaloir d'une garantie physique et chacune doit chercher sa justification dans une plus grande efficacité à reproduire les séries des débits observés. L'utilisation d'un modèle ayant de nombreux paramètres présente l'inconvénient d'une grande difficulté d'emploi pour les praticiens et cela généralement sans la compensation d'une plus grande précision.

Nous avons entrepris de rechercher un modèle pluie-débit ayant les propriétés suivantes: commodité de calage d'où la nécessité d'un modèle parcimonieux; généralité d'emploi impliquant un modèle robuste; clarté de fonctionnement exigeant un modèle très simple; simplicité dans l'acquisition des données ce qui suppose un modèle global; applicabilité à des bassins non jaugés ce qui interdit un nombre de paramètres trop important (seulement 3 ou 4).

Une première esquisse d'un modèle conceptuel très simple utilisant des données de pluie et des estimations d'évaporation liées uniquement à la température et s'inspirant du modèle CREC [Cormary et Guilbot, 1969] a d'abord été proposée [Michel, 1983]. Pour satisfaire aux objectifs poursuivis, ce modèle a été amélioré en 1987 pour donner le modèle GR2 [Edijatno, 1987]. Ce travail, constituant une réflexion préliminaire aux travaux ultérieurs, a porté essentiellement sur le bassin versant de l'ORGEVAL (Seine et Marne) géré par le CEMAGREF.

A la suite de ce travail, il apparaissait qu'une recherche de plus grande envergure devait être menée pour juger de la valeur d'un modèle global aussi simple face à la grande variété des situations hydrologiques.

Le modèle GR2 comprenait en fait trois paramètres, dont le troisième déterminait une sorte de temps de réponse et prenait des valeurs entières positives ou nulles. Ce temps de réponse correspondait à un décalage dans le temps pour l'introduction de la pluie nette dans le réservoir R. On s'est aperçu que la fonction de transfert, traduite par le réservoir R et par des décalages dans le temps, était trop sommaire et manquait de sou-
plesse. Il était donc nécessaire d'afficher clairement ce troisième paramètre et de lui faire jouer un rôle à part entière. Après réflexion, il est apparu que l'opérateur hydrogramme unitaire permettait de simuler le temps de montée des réactions sous la forme d'un temps d'accès au réservoir eau-gravitaire.

A partir de ce moment, comportant explicitement trois paramètres, le modèle a été dénommé GR3. En ce qui concerne l'évapotranspiration potentielle, et compte-tenu de l'extrême simplicité du modèle, on a choisi d'utiliser des valeurs moyennes interannuelles, et retenu les estimations de l'ETP par la formule de PENMAN données en certains postes. Les valeurs décadaires moyennes sur la période 1951-1980, ont été obtenues auprès de la météorologie nationale et désagrégées pour déterminer des valeurs journalières. Cette modification n'a pas diminué l'efficacité du modèle tout en simplifiant considérablement l'obtention des données. Le modèle GR3 stricto sensu est prévu pour exprimer la transformation pluiedébit exclusivement. La présence de neige peut poser problème: le modèle est très fortement perturbé au delà de 25 jours par an de chute de neige. Le modèle accepte sans trop de difficulté dans la période calage la présence accidentelle de données de pluies cumulées sur plusieurs jours. On peut en effet combler les lacunes de pluie en répartissant le cumul et en mettant en lacune la période de débits correspondante ainsi que les quelques jours qui suivent. La simplicité du modèle GR3 a permis de réduire les difficultés de calage. Ainsi l'initialisation du système se réduit essentiellement à l'initialisation du réservoirsol, de même le faible nombre de paramètres évite la présence d'optimums secondaires. Le modèle a été affiné petit à petit à la fois d'un point de vue conceptuel et d'un point de vue expérimental sur 114 bassins versants étudiés, et l'on a pu améliorer la généralité du modèle et son aptitude à faire face à des situations très variées. Après de nombreux autres essais on a proposé un pourcentage fixe de 10% de la pluie nette comme "ruissellement". L'étude du modèle sur un nombre appréciable de bassins versants a permis de dégager des informations intéressantes pour une utilisation pratique du modèle comme: des données statistiques sur les valeurs des paramètres, sur l'évolution saisonnière du taux de remplissage du réservoir-sol et sur les valeurs du critère de NASH auxquelles on peut s'attendre.

Une recherche approfondie a été effectuée sur la précision des paramètres du modèle en utilisant l'approche statistique du modèle linéaire général. Cela a permis de déterminer la matrice des variances-covariances des paramètres du modèle relatifs à chaque bassin versant. Enfin, chaque spécification du modèle a été critiquée face aux données de la totalité des bassins versants disponibles.

Enfin on a procédé à une tentative d'explication des valeurs des paramètres en fonction des caractéristiques morphoclimatiques des bassins versants. Une recherche d'explication en fonction de la géologie s'est révélée à la limite de la significativité. Des expressions simples en fonction de la superficie, de la pluviométrie et de la température annuelle moyenne ont permis une légère diminution de la variance des paramètres en particulier pour le paramètre temps de base de l'hydrogramme unitaire où le gain en variance est du même ordre de grandeur que celui des formules d'estimation du temps de concentration d'un bassin versant.

En définitive nous sommes arrivés à bâtir un modèle extrêmement simple et robuste, ne comprenant que trois paramètres à caler et donnant des résultats tout à fait respectables sur la majorité des bassins versants [Edijatno, 1991]. Nous avons tenu à limiter dans des proportions drastiques le nombre de paramètres car il est clair que ce qui manque le plus parmi les nombreux outils de modélisation figurant dans

la littérature hydrologique c'est justement une structure minmale de base, simple et rustique, permettant de dégrossir le problème de la transformation pluie-débit. Il est ensuite aisé pour un modélisateur un peu expérimenté de compléter ce modèle de base pour faire face à une situation spécifique donnée, soit du fait d'une caractéristique particulière du bassin versant étudié comme par exemple un débit de base-très important [Devred, 1989] soit du fait de la focalisation sur un aspect plus pointu des écoulements comme l'estimation des crues ou, à l'opposé, des étiages.

## VALIDATION EXTERNE DU MODELE

Le critère essentiel de validation est la conformité des valeurs simulées sur un grand nombre de bassins versants et on ne cherche pas à prouver que le mécanisme interne représente bien un comportement réel, physique du bassin. Néanmoins on ne peut qu’être satisfait des recoupements qui peuvent être établis avec d’autres approches.

La forte similitude avec le modèle SIDRA exposée par FAVIER et al.'[1990] en est un premier exemple. SIDRA [Lesaffre et Zimmer, 1988] est un modèle de drainage construit sur une base déterministe et qui rend compte non seulement du tarissement mais des débits de pointe. Comme GR3 il décompose le transfert en un terme fonction puissance d'une hauteur de réservoir (mais ayant cette fois-ci un sens physique puisqu'il s'agit de la piézométrie) et d'un terme proportionnel à la pluie nette. L'identification formelle est presque parfaite, mais ne va pas jusqu'à l'identification des valeurs numériques: le transfert pseudo-direct est essentiel pour générer des débits de pointe dans SIDRA alors qu'il n'est qu'une contribution mineure dans GR3. Par ailleurs une utilisation "conceptuelle" de SIDRA, cherchant à caler les paramètres sur les seules sorties de débit sans utiliser les hauteurs piézométriques, obtient généralement des valeurs éloignées des valeurs physiques et plus proches d'un fonctionnement selon GR3, ce qui confirme les limites d'une approche physique sans mesures suffisantes, ce qui est le cas général sur un bassin versant.

Une autre approche renforçant indirectement la pertinence des concepts de GR3 se trouve dans les travaux de Loumagne, 1988, Loumagne et al., 1991, sur la substitution du niveau du réservoir S d'un modèle proche de GR3, par un indice de l'humidité du sol, utilisant une humidité réellement mesurée par sonde à neutrons, travaux complétés par Landwerlin, [1990] avec GR3 proprement dit.

## EXTENSION A L'AUTRE PAS DE TEMPS

Le pas de temps avec lequel on appréhende la ressource en eau dépend des objectifs que l'on se fixe. Très grossièrement on a les ordres de grandeur suivants: (a) hydrologie urbaine: pas de temps de l'ordre de 5 minutes; (b) hydrologie de montagne: pas de temps de l'ordre du 1/4 heure à l'heure; (c) prévision de crue: pas de temps de l'ordre de l'heure; (d) gestion de retenue: pas de temps journalier; (e) confrontation ressources-besoins: pas de temps mensuel voire annuel.

L'extension vers un pas de temps court a pu être faite sans changement dans l'architecture du modèle grâce au caractère très général du traitement du transfert.

En revanche, le modèle mensuel s'écarte sensiblement du modèle journalier car on doit exploiter le fait que la fonction de transfert devient beaucoup plus simple au pas de temps mensuel.

Quoi qu'il en soit, les différentes versions fonctionnant à des pas de temps différents ont été construites sur les mêmes principes fondamentaux et avec la même exigence de parcimonie.
## DOMAINE D'APPLICATION DU MODELE GR3

Le modèle GR3 ne traite que du devenir des précipitations liquides.

Une application de ce modèle dans une région où la neige joue un rôle important nécessité l'introduction d'un module supplémentaire concernant la fusion de la neige. Il faut rechercher parmi les modèles existants un outil de la simplicité est en concordance avec celle qui a prévalu dans la construction du modèle GR3.

GR3 intègre certaines relations avec la nappe. Il est bien évident cependant qu'une influence forte d'un aquifère almenté par des pluies extérieures au bassin de surface pris en compte doit être traitée à part.

GR3 peut traiter certains bassins karstiques en considérant la superficie du bassin comme un paramètre supplémentaire et à la condition de pouvoir trouver des données pluviométriques pertinentes. Une prise en compte plus explicite des pertes sera mentionnée plus loin.

Une variante simplifiée de GR3 a été intégrée dans un modèle de calcul de crue pour les petits bassins montagneux [Bochot et al., 1991].

Il serait surprenant qu'un modèle aussi simple que GR3 puisse convenir de façon très satisfaisante pour tous les types existants de bassins versants. Cependant, l'expérience acquise sur le modèle est encore trop restreinte pour identifier avec précision tous les types de bassin où le modèle est franchement mis en défaut.

Jusqu'à présent cela n'a été constaté que pour les bassins à écoulement intermittent. Une solution provisoire a été proposée en ajoutant un quatrième paramètre au modèle GR3 pour lui permettre de représenter convenablement ce type de bassin. Alors que le modèle est tout à fait satisfaisant sur les bassins cotiers algériens, il semble que des régimes plus chauds et plus secs au centre de l'Algérie ou au Sahel exigent de donner un poids plus fort à l'écoulement pseudo-direct, voire à un écoulement direct non soumis au mécanisme de la fonction de production.

En ce qui concerne les régions où le modèle est applicable, les résultats obtenus ont été tout à fait encourageants. A l'heure actuelle, le modèle a été utilisé de façon satisfaisante sur des petits bassins de l'Ile Maurice, sur un bassin de 10 km² au Sud du Mali, sur 4 bassins de 500 à 5000 km² en Côte d'Ivoire [Servat et al., 1989], sur des bassins de montagne en Suisse [Berod, 1988], sur des bassins canadiens et enfin sur un bassin de près de 9000 km² en Chine.

## INTEGRATION AVEC D'AUTRES MODELES

Les problèmes hydrologiques ne se résument pas à la simulation du débit à l'exutoire d'un bassin. Un généralisation immédiate est la modélisation de plusieurs points d'un réseau hydrographique. MA [1991] a pu utiliser une version ramifiée du modèle GR3 sur l'ensemble du bassin de la Charente. Il a en particulier montré que le modèle était assez robuste pour pouvoir être calé sur des bassins versants ou la pluie était observée mais pour lesquels le débit pouvait seulement être estimé par différence de débits amont et aval. Par ailleurs, sur ce cas particulier de bassin assez homogène et soumis à des pluies peu contrastées, il a montré qu'un modèle global sur 4000 km² était sensiblement équivalent au modèle ramifié résultant de la combinaison de modèles par sous-bassins et de modèles de propagation.

Sur le même bassin, il a pu coupler le modèle GR3 avec des modèles ad hoc d'infiltration et de transfert conçus dans le même esprit, pour rendre compte aussi bien de pertes que de résurgences karstiques importantes.

La modélisation de la qualité de l'eau est aujourd'hui un complément indispensable de la modélisation purement quantitative. Les phénomènes biogéochimiques devraient d'ailleurs être intégrés dans la compréhension et la modélisation des transferts hydriques. Cependant la tâche moins ambitieuse de coupler un modèle de qualité à un modèle hydrologique existant reste enco-re très périlleuse. Le couplage d'un modèle de nitrates au modèle GR3 décrit par Ma et al. [1990] et Ma [1991], rend compte des lessivages intenses sur un petit bassin versant agricole.

## APPLICATIONS DU MODELE GR3

### Prévision d'étiage

La sécheresse qui vient de sévir deux années durant sur une grande partie de la France a poussé à une meilleure prévision des étiages. Jusqu'à présent le modèle le plus couramment utilisé reposait sur des régressions multiples entre une variable cible (débit moyen d'un mois critique) et des variables connues au moment de la prévision et réputées représentatives de l'état hydrique d'un bassin versant. De tels modèles sont en fait très frustes d'un point de vue hydrologique et un modèle mensuel dérivé de GR3 a permis un presque doublement des performances avec une grande économie de moyens. Un programme opérationnel a été remis à quelques services régionaux d'aménagement des eaux sous l'impulsion du Ministère de l'Environnement pour leur permettre de faire des prévisions conditionnelles très tôt dans la saison.

### Prévision de crues

La qualité d'un modèle en prévision dépend à la fois de sa qualité intrinsèque et de son aptitude à intégrer des corrections en temps réel. La faible dimension du vecteur d'état est un facteur essentiel pour appliquer des techniques de filtrage. Il est d'ailleurs admissible de simplifier encore un modèle pour l'utiliser en prévision. Sur une version légèrement différente du modèle conservant le caractère quadratique de la vidange du réservoir R, remis en question depuis, Leviandier et Ziaja [1991] ont ainsi pu appliquer un filtrage non linéaire.

### Simulation de la ressource disponible

Une recherche sur la modélisation des débits mensuels en Algérie a permis de constater la nette supériorité d'un modèle conceptuel simple sur les modèles linéaires généralement utilisés. Avec les mêmes données, on peut s'attendre à la division par deux de l'erreur quadratique du modèle lorsque l'on passe du type linéaire au type conceptuel de modèle [Kabouya, 1990].

### Prédétermination de crues

La faible dimension du vecteur d'état est non moins importante pour probabiliser les états initiaux. Berod [1988] a comparé les distributions de crues générées par le modèle à des distributions estimées directement. Dans une étude en cours Levandier [1990] a montré qu'un bassin algérien, calé sur quelques années, mais simulé sur plusieurs dizaines d'années à partir de séries pluviométriques présentait des distributions d'états initiaux lors des pluies importantes, relativement simples permettant le calcul des distributions de pluies nettes. L'extension aux débits journaliers, et aux débits de pointe est en cours.
## Gestion d'un réservoir de régularisation

Une méthode efficace de gestion d'un réservoir bi-objectif d'écrtement de crue et de soutien d'étiage a été mise au point par le CERGRENE et EDF [Goussebaille et al., 1986]. Cette approche repose sur le traitement par la méthode du "fil tendu" d'un nombre important de scénarios pour les écoulements futurs.

On a pu constaté [Yang et al., 1990] que cette méthode de gestion était très sensiblement améliorée lorsque les scénarios étaient produits par un modèle conceptuel tel que GR3 comparativement à ce que l'on pouvait obtenir en utilisant des modèles linéaires tels que les modèles auto-régressifs, même lorsque ces derniers étaient combinés à des méthodes d'optimisation plus rigoureuses issues de la programmation dynamique.

## PROBLEMES EN SUSPENS ET PROJETS

Tout modèle est d'une certaine façon une trahison de la réalité et il serait illusoire de rechercher un modèle idéal universel et précis. En matière de modélisation conceptuelle on a plutôt assisté jusqu'à présent à une création anarchique de modèles dont les architectures n'ont jamais été très sérieusement critiquées par leurs auteurs et qui ne résistent pas aux différentes analyses de significativité des paramètres qui sont de plus en plus la règle en la matière. Le modèle GR3 présente a cet égard des atouts appréciables et pourrait rendre d'assez bons services pour la connaissance du cycle hydrologique et pour un grand nombre d'applications pratiques en ingénierie de l'environnement et de la gestion des eaux.

L'une des voies d'approfondissement passe par une étude à pas de temps plus fin. En effet pour les petits bassins versants, l'intégration au pas de temps journalier pose des problèmes qui masquent les phénomènes intrinsèques. Cette voie devrait devenir plus facile avec la disponibilité accrue de données pluviographiques. Une autre voie est de focaliser la recherche sur les bassins relativement rares ou le modèle est nettement défaillant.

Cependant l'objectif le plus important des prochains efforts de recherche sera, sans aucun doute, l'interprétation des paramètres du modèle en essayant de déterminer les caractéristiques descriptives d'un bassin versant qui permettent d'expliquer (statistiquement) les valeurs des paramètres, l'ambition ultime étant de parvenir à la prédiction des écoulements sur les bassins non jaugés dont on aurait tant besoins pour nombre d'applications routinières. L'établissement d'une liaison consistante entre physiographie du bassin et paramètres du modèle correspondant pourrait peut être permettre de répondre aux problèmes d'influence des actions anthropiques sur le cycle hydrologique qui sont à l'heure actuelle la justification de recherches plus physiques mais dont il est probablement utopique d'attendre des conclusions très générales.

La voie proposée devrait aboutir à dégager de véritables concepts géographiques à l'échelle du bassin versant.

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# QUATRE ANNEES D'ACTIVITE DE RECHERCHE EN HYDROGEOLOGIE
## AU SEIN DU GROUPE BRGM

JEAN JACQUES COLLIN

Département Eau - BRGM - 4S - B.P. 6009
45060 Orléans Cedex 2

L'ensemble des sciences de l'eau souterraine représente une part importante de l'activité de recherche du BRGM (25 % de la matière publiée). Ces recherches ont des finalités très variées, s'appliquent à des milieux naturels divers et se déroulent aussi bien en France métropolitaine qu'Outre-mer. C'est donc un bref aperçu des travaux qui est présenté ici, en tentant de relier les finalités socio-économiques et les méthodes scientifiques qui font de nos travaux une véritable Recherche-Développement.

Ground-water sciences represent an important part of BRGM's research activities: 25 % of published matter. All these programs have very different goals, are conducted in various natural media, and are located as well in continental France as overseas. This presentation of our works is a very short sketch, but it tries to highlight that, in BRGM, Research & Development as scientist response is strongly connected to socio-economic demand.

## INTRODUCTION

L'eau souterraine, objet de l'hydrogéologie, peut être regardée de diverses manières qui justifient son approche socio-économique ainsi que les méthodes de sa connaissance. On a beaucoup parlé récemment de sa valeur patrimoniale, de son caractère de milieu naturel - à protéger, il va de soi - et un peu moins d'autres aspects - ressource ou nuisance - qui décrivent le côté "bien économique" de cet élément.

Le schéma (Figure 1) synthétise cette approche globale qui tente de fédérer les recherches entreprises au sein du groupe BRGM par huit départements orléanais et, sur le terrain, par de nombreuses agences régionales: hydrogéologie destinée à l'appropriation d'une matière première à usages multiples ou à la préservation du milieu naturel, géothermie, gitologie minière mais aussi hydrogéotechnique et, confinement des pollutions, c'est à dire stockage des déchets.

<figure><img src="image_195.png" /><figcaption>Fig. 1. Les différentes finalités de l'hydrogéologie</figcaption></figure>

La diversité des comportements de l'eau souterraine face aux demandes du corps économique et social est également à l'origine d'une réponse, ou plutôt d'une offre générale, dont la typologie est présentée au tableau 1; en guise de "table des

matières" on trouvera, à l'intersection de l'axe "demande socio-économique" et de l'axe méthodologique (offres de la R & D) les actions de recherche les plus significatives réalisées pendant la période 87-90, objet du présent rapport.

Une autre manière de présenter les activités de recherche serait également l'approche par les milieux naturels, dont la spécificité engendre des problématiques qui commandent souvent le choix des méthodes. Cette classification devrait donner une large part aux interfaces - équivalents en sciences de la terre des écotones de l'écologie. Ce sont en effet des lieux privilégiés d'échanges tels la zone non saturée (recharge des nappes, épuration, pollutions diffuses), les berges des cours d'eau avec leur effet filtre, les biseaux salés, qui tous nous rappellent l'unicité de l'eau et nous incitent à bien remplacer l'eau souterraine dans le cycle général de cet élément. Hormis donc les interfaces proprement dites, les milieux alluviaux et les roches dures fissurées et fracturées - accompagnées de leurs altérites - ont surtout retenu notre attention car c'est là que se sont exprimés les principaux besoins de la Société. Ces besoins sont au demeurant très diversifiés: hydrogéologie des très faibles perméabilités de certains granites, en profondeur pour l'étude de la sécurité des stockages souterrains ou, au contraire, dans la partie supérieure altérée d'autres granites, recherche des meilleurs débits possibles en vue du développement rural de l'Afrique !

Nous allons donc progresser dans la matrice du tableau 1 en suivant les grandes demandes du corps social: Localiser (prospecter), Evaluer (quantifier, qualifier), Aménager (construire, forer, développer...) et Gérer (surveiller, protéger, conserver, répartir).

Les réponses de la Recherche-Développement conduite au BRGM peuvent se classer sommairement dans une typologie d'actions: Observer, Expérimenter, Modéliser, Proposer. Au sein de la plupart des projets ces quatre actions sont réunies, avec des temps forts plus appuyés ici ou là, notamment en fonction de l'état des données et connaissances disponibles.

Pour aller de l'observation à la proposition de choix ou de méthodes de réalisation, toutes les étapes, peu ou prou, sont bien sûr nécessaires. Dans la présentation qui va suivre, on a
mis l'accent sur les moments les plus significatifs de ce
déroulement et donc porté un éclairage plus vif sur telle phase
de tel projet, ce qui ne doit pas induire l'idée - réductrice -
que beaucoup de ces recherches ne porteraient que sur une
action et non sur une méthodologie cohérente constituée de
phases enchaînées.

LOCALISER

La prospection des ressources n'est peut être plus, à l'aube
du 21ème siècle, la tâche majeure des hydrogéologues en pays
développés; elle l'est encore cependant dans les pays en déve-
lopment. Par ailleurs, la "prospection" en vue de l'optimi-
sation de l'implantation des forages est nécessaire partout,
dès lors que l'on désire exploiter les milieux discontinus en
visant la fracture productrice. A l'opposé, la prospection
s'attache aussi dorénavant à la localisation des zones les plus
étanches possible, en vue du confinement des déchets. Enfin,
localiser c'est aussi représenter l'espace en vue de sa modeli-
sation et de sa présentation au corps social.

<figure><img src="image_196.png" /><figcaption>Tableau 1. Essai de typologie des principales actions de recherche en hydrogéologie, en réponse à la demande des partenaires socio-économiques.</figcaption></figure>

Observer (cf 1.1 Tableau 1)

Si l'usage de l'imagerie satellitaire n'est pas récent et si
son utilité n'est plus à démontrer en géologie générale, en
hydrogéologie des travaux originaux ont pu être réalisés. Ainsi
en Guadeloupe, l'imagerie Spot, croisée avec la carte de végé-
tation (CNRS-ORSTOM) a permis de délimiter des photo-
faciès interprétables comme des zones à bonne propriété
d'infiltration: en effet dans ces plages, de manière anormale, la
végétation hygrophile est défavorisée, au profit des niveaux
plus profonds. Ces zones, étudiées par ailleurs au travers de
leur contribution à l'écoulement des bassins, se sont révélées
de bons réservoirs régulateurs. La présence de cendres volca-
niques, de forte porosité, a été contrôlée au sol et garantit
effectivement l'existence d'un bon réservoir bien réalimenté.
Il faut à cette occasion rappeler l'intérêt de l'observation au
sol, sur le terrain, discipline issue de la géologie, un peu négli-
gée depuis l'apparition des méthodes numériques, qu'il faut
cependant désormais alimenter en données nouvelles.

Dans le cadre des programmes de forage de "Géologie
Profonde de la France", de véritables ateliers de mise au point
de procédés de suivi de forages ont pu être réalisés. On note-
ra en particulier les performances du suivi géochimique en

continu (les eaux de la formation sont analysées au travers de
leur mélange avec les fluides de forage).

La reconnaissance des potentialités hydrogéologiques, en
région socle (ouest Massif Central) a été tentée par l'étude
conjointe du tarissement des bassins-versants et du débit des
forages. Cette méthode a confirmé la relative indépendance
entre productivité et réserve. La réserve, contenue dans les alté-
rites, qui entretient le débit des cours d'eau, n'est pas un gage
de débit élevé d'exploitation des forages, si toutefois c'est un
gage de pérénité de ce dernier. La méthode n'est pas apte à
identifier les prospects à forts débits, qui relèvent d'autres déter-
minismes, et doit donc être complétée par la reconnaissance des
discontinuités perméables avant toute implantation de forage.

Expérimenter, Modéliser (cf 1.2/1.3 Tableau 1)

L'utilisation des anomalies de la répartition spatiale des
émanations de Radon pour détecter les zones de fractures
potentiellement aquifères n'est pas à porter au crédit des
années 87-90. Toutefois, après une période d'essai et de mise
au point de la méthode sur le terrain, il a semblé utile d'en
valider les résultats et de modéliser les flux de gaz Radon
provenant des milieux tracurés, traversant les formations
superficielles. En effet, au travers de l'émanométrie du
Radon, c'est toute la recherche des sites à fort débit dans les
milieux discontinus qui est en jeu, c'est notamment un espoir
pour l'Afrique, où la prospection par le Radon s'est montrée
capable d'identifier les sites de forage à "gros débit". Il faut
en effet rappeler qu'un signal Radon fort est a priori révéla-
teur d'un milieu perméable, tandis que le signal géophysique,
le plus classiquement utilisé - une forte conduc-tivité - peut
très bien identifier une zone fracturée... mais argilisée et donc
peu aquifère.

Comme l'interprétation du "signal Radon" n'est cependant
pas toujours simple, deux recherches (sous forme de thèses de
doctorat) ont été entreprises.

L'une est consacrée à l'analyse du rapport signal/bruit de
fond et, grâce à l'emploi de la géostatistique et de la modeli-
sation, permet de dégager des règles d'interprétation, notam-
ment lorsque la migration du Radon provient à la fois d'une
forte émanation par la roche et par l'entraînement (advection)
dans le réseau aquifère. En environnement radioactif, un
signal fort peut être un faux-ami qu'il convient de dépister en
resserrant la maille et en regardant de plus près le rapport
signal/bruit de fond. La déflection du signal par les corps peu
perméables est également abordée. Le comportement du
Radon dans la couverture, son contrôle par les facteurs clima-
tiques (barométriques et pluviométriques) font l'objet d'une
recherche, qui a en particulier largement utilisé le site expéri-
mental breton de Broualan où une connaissance de la géomé-
trie et de l'hydrodynamique du réseau de fractures et des alté-
rites avait précédemment fait l'objet de travaux sur l'interpré-
tation des pompages d'essai. La valorisation "croisée" par
diverses méthodes des sites-pilotes (sites-ateliers ou encore
sites expérimentaux), expression hydrogéologique des
"BVRE" ou Bassins Versants Représentatifs et
Expérimentaux, trouve ici tout son intérêt et s'avère riche de
promesses pour d'autres recherches.

Dans un tout autre domaine, celui de la géothermie haute-
energie, les résultats de l'écoute sismique (microséismes) per-
mettent de localiser et de caractériser les zones d'intérêt des
réservoirs comme cela a pu être réalisé au Salvador, en distin-
guant les axes prioritaires de recharge du système et les zones plus calmes - à vocation de réservoir (recherche conduite par l'Institut Mixte de Géothermie, avec l'appui de la Compagnie Française de Géothermie).

### Proposer (cf 1.4 Tableau 1)

L'outil cartographique a été utilisé à l'origine pour présenter la situation géographique des connaissances; cette voca-tion est très largement transcendée par l'usage des systèmes d'information géographique (SIG) tels que SYNERGIS (R) qui a été utilisé de manière ori-ginale comme outil d'orienta-tion des méthodes de prospection. La cartographie multicri-tères associant géomorphologie, télédétection, drainage, etc... a permis d'identifier les zones d'intérêt du massif granitique de Huelgoat en Bretagne.

### EVALUER

L'Hydrogéologie quantitative, pour répondre à cette ques-tion permanente "combien", au sens le plus complet du terme, car "combien" n'évoque plus seulement le quantitatif pur (débit, délai, profondeur) mais aussi le "quantitatif de la quai-lité" (concentration), s'est orientée vers des programmes dont la finalité est la prise de décision économique. Evaluer, c'est permettre de décider d'un investissement, et l'hydrogéologue est donc, en la matière, le conseiller des inves-tisseurs.

### Observer (cf 2.1 Tableau 1)

L'hydrogéologie est l'oeil du décideur et la recherche s'est donc tout naturellement appliquée à améliorer l'organe de perception. La mesure nécessaire et préalable à toute évalu-ation a été rénovée par l'apparition des limnigraphes électro-niques MADO (R), dont les progrès récents (liaison télépho-nique) permettent des alertes et des prises de décision rapides.

L'usage de ces appareils peut aussi bien convenir à de l'alerte dans le cadre de mouvements de terrain, où l'hydro-géologie des versants (hill slope hydrology) permet de précis-er une information rapide sur le risque de glissement, que pour la surveillance des sites sensibles à des pollutions acci-dentelles qui requièrent une intervention immédiate. A l'aval de tels appareils, une chaîne de traitement permet de compa-rer la donnée avec un système de référence et de préciser l'importance des risques.

D'importantes chaînes de logiciels de gestion et de traite-ment de l'information ont été mises au point: GIDE (Gestion des Informations De l'Eau), ACTIF (Forages), Banques de données (BADGE), programmation (PROSPER), ce dernier en coopération avec le BURGEAP.

A l'intérieur des ouvrages d'exploitation, sensibles à diverses pathologies, les moyens d'observation permettent également d'informer les décideurs de l'état de leurs forages, et donc des choix à faire: réhabilitation ou remplacement. Cette alternative peut être éclairée par l'examen vidéo des forages, complété récemment par un dispositif de prélèvement en vue d'analyse des matières déposées sur les crépines.

En géothermie, où les moyens financiers liés aux forages sont plus élevés, une importante recherche s'est développée sur la corrosion des tubages et la formation de sulfures aux propriétés colmatantes, qui constituent un des handicaps sus-ceptibles d'inquiéter les maîtres d'ouvrages. Cette recherche est très largement complétée par l'expérimentation et l'essai

de procédés (désulfuration, protection) destinés à consolider l'économie des projets géothermiques notamment par une meilleure assurance sur la durée de vie, qui permet alors une évaluation financière plus correcte.

L'évaluation préalable des faibles et très faibles perméabi-lités a fait l'objet de divers programmes de métrologie et de création de logiciels. L'enjeu étant la certification de sites de décharge industriels ou de stockage de déchets nucléaires, on a surtout porté l'effort sur les argiles et les roches cristallines non altérées. Un logiciel, IMPULSE, a été créé pour le dépouillement des pulse-tests, ou chocs hydrauliques, seule méthode disponible puisque les débits échangés sont infimes et les temps devraient être très longs ! IMPULSE exploite des informations saisies en profondeur par capteurs de pression dans la zone d'essai confinée par obturateurs: c'est donc toute une chaîne d'expérimentation et de mesure qui a été créée pour cette acquisition et le traitement qui lui fait suite.

### Expérimenter... et modéliser (cf 2.2/2.3 Tableau 1.)

L'évaluation des ressources renouvelables repose pour l'essentiel sur une bonne évaluation des entrées dans les sys-tèmes. Dans les régions arides, il n'est que très rarement pos-sible de procéder à des bilans, avec contrôle sur les sorties, presque toujours occultes. Une opportunité a été offerte, un peu exceptionnellement, grâce à l'excellence de la gestion du champ de captage de Dapaong-Nord du Togo - où le contrôle et la modélisation des exploitations permettent de caler un modèle qui détermine les infiltrations efficaces de manière très "robuste".

Hormis de telles situations privilégiées, ce sont les méthodes physiques ou isotopiques qui sont les seules utili-sables, notamment l'étude de l'hydrodynamique de la zone non saturée. Dans le cadre d'un programme très important (sur financement conjoint de la CCE, du Fonds d'Aide et de Coopération et de la coopération italienne) en association avec le bureau d'étude italien Aquater, le Département Eau a conduit une recherche expérimentale sur la progression des fronts d'infiltration. Un site aménagé à Barago (Burkina Faso) a permis de recueillir des données humidimétriques et tensiométriques et d'alimenter ainsi le modèle "MERINOS" qui permet de calculer les flux d'infiltration: La grande varia-bilité spatio-temporelle de l'infiltration dépend essentiellement du ruissellement superficiel local et de la perméabilité des horizons de surface. Le transfert de l'eau dure de là à 4 mois... et si la recharge calculée sur 25 ans s'établit à la valeur moyenne de 107 mm, les récentes années n'ont vu arriver que 47 mm à la nappe... Cette recherche, insérée dans un programme plus ambitieux, est maintenant complétée par une exploitation pilote de la nappe en vue de tester sa réaction au prélèvement. C'est en effet moins la valeur de la recharge brute qui importe aux responsables des projets de développement que la disponibilité effective de l'eau recueillie sur un "bassin versant" donné: le degré de connectivité des réseaux de fractures est-il capable d'acheminer la ressource potentiel-le renouvelable aux ouvrages... pour en faire une ressource exploitable annuelle garantie ? Accessoirement le projet, qui nécessitait le pompage de débits de plusieurs l/s pour créer le signal nécessaire destiné à tester les réactions de la nappe, a été couplé avec un projet pilote d'irrigation: il eût semblé inconvenant dans ce pays de ne pas valoriser cette production d'eau... L'opération a ainsi pris un tour agronomique, avec de
très beaux résultats de riziculture récompensés au salon de l'agriculture de Ouagadougou !

La connectivité des fissures - que les méthodes et les moyens alloués à l'hydrogéologie de production d'eau (qui opère à une échelle pluri-hectométrique) ne permettent guère d'approfondir - a pu être étudiée de manière expérimentale et technique, notamment en créant un modèle tridimensionnel constitué de disques représentatifs des divers plans d'écoulement. Ensuite l'observation de la particularité qu'ont ces écoulements de se localiser dans des portions singulières des plans de fissure a conduit à concevoir un modèle numérique d'écoulement chenalisé. Ces travaux sont très largement fondés sur des mesures obtenues en forage, associant les méthodes structurales, les mesures de contrainte in situ et les tests hydrauliques. La description et la modélisation fine du comportement d'une fracture ont été obtenues par le moulage et l'analyse d'image de l'empreinte qui permet l'élaboration de modèles numériques du comportement hydromécanique d'une fracture, puis une représentation plus réaliste du milieu fracturé que par l'assimilation au milieu continu équivalent. L'approche de la connectivité permet ainsi de définir les points susceptibles d'être atteints par un écoulement, dans un espace, qui n'est plus tout à fait tri-dimensionnel mais de dimension non-entière.

Dans le domaine qualitatif, et notamment au sujet de la présence de nitrates dans les eaux, la recherche s'est surtout appliquée à la compréhension des mécanismes naturels de dénitrification qui se produisent dans certains aquifères ou portions d'aquifères. L'évaluation de l'intérêt de ce phénomène - et de sa maîtrise - a été conduite dans divers sites. Le fractionnement isotopique de l'azote a bien permis de démontrer la réalité du phénomène qu'il convient de développer à une échelle compatible avec la réalité des flux en jeu dans les aquifères exploités pour l'eau potable. Des sites-pilotes ont donc été réalisés dans ce sens (cf. 3. Traitement in situ).

### Proposer (cf 2.4 Tableau 1)

La cartographie est un outil de médiation, cependant, elle est d'abord un instrument scientifique car elle nous pousse à une réflexion sur la répartition des grandeurs et coefficients. Un usage plus systématique de la géostatistique permet, par exemple, de proposer une meilleure représentation des transmissivités lors des modélisations. Dans le domaine de la recharge, il devient de plus en plus clair que cette propriété est très hétérogène; certaines portions de l'espace étant privilégiées à l'égard de cette fonction d'alimentation, il convient de les identifier pour en proposer aménagement ou protection.

La cartographie multicritères a fait de gros progrès durant cette période quadriennale, notamment grâce à la souplesse des logiciels tels que SYNERGIS qui permettent à l'hydrogéologie d'exprimer tous les concepts et les combinaisons multicritères (cartes de ressources, cartes d'aptitude) et ainsi de proposer des choix préalables aux décisions socio-économiques, comme la carte des potentialités en eau de l'Afrique de l'Ouest.

### AMENAGER (EGALEMENT EXPLOITER)

#### Observer / Expérimenter (cf 3.1/3.2 Tableau 1)

Pour répondre à la demande des aménageurs ou exploitants de l'eau, des recherches ont porté sur l'amélioration de la productivité des forages en milieu fissuré (en complément

d'efforts faits pour prospecter les sites les plus favorables). La "récupération" d'ouvrages peu productifs, mais d'intérêt vital compte tenu de la demande locale, a été étudiée puis expérimentée par fracturation hydraulique. Il s'agit en fait plus exactement d'une ré-ouverture de fractures, donc d'une sorte de super-développement hydraulique, que d'une fracturation au sens strict. Des gains de productivité de l'ordre de 100 à 1000% selon les cas ont été obtenus. Le succès de la méthode a conduit à l'appliquer dans le contexte difficile de campagnes d'hydraulique villageoise au Burkina Faso, permettant ainsi l'équipement de points d'eau là où les forages classiques auraient étés considérés comme "secs" et non susceptibles de recevoir une pompe.

L'aménagement des décharges de déchets industriels, dans la perspective de limiter les percolations profondes, peut être abordé par deux voies: l'imperméabilisation maximale du substrat - avec recueil des produits - et la limitation des entrées d'eaux susceptibles de lixivier les déchets; cette derrière solution, ayant l'avantage de limiter les affluents à collecter et la création de "décharges baignoires", a été étudiée par le truchement des barrières capillaires. Le concept de barrière capillaire, issu de l'hydraulique de la zone non-saturée, permet de gérer l'eau dans cette partie de la couverture, en jouant un rôle tampon sur les apports des épisodes les plus pluvieux. L'interface, entre un milieu de sable grossier et de sable fin, voit s'équilibrer les pressions, mais, par suite de la forte différence de teneur en eau, liée à la granulométrie, le flux passe difficilement dans les couches grossières dont la perméabilité "non-saturée" est alors très faible. Un drainage latéral, entretenu par une forme en dôme, permet d'évacuer une partie de l'eau de la couverture sableuse, laissant ainsi à l'état "sec" la couche grossière... et les déchets sous-jacents.

Un autre avantage de la méthode est la faiblesse du coût des matériaux et de leur mise en oeuvre. Ce dispositif, efficace surtout en climat tempéré (pluies moyennement abondantes et bien réparties), serait défaillant si des pluies abondantes et continues permettaient la rupture de la barrière par saturation de la couche "sèche"; c'est pourquoi un concept de couverture multiple, associant une membrane ou une couche de matériaux imperméables, est à retenir.

Dans un tout autre domaine, l'eau étant alors considérée comme un vecteur d'une substance à haute valeur, les équipes de géothermiciens se sont intéressés aux fortes teneurs en Lithium contenues dans certaines eaux profondes. Ainsi les grès du Bundsandstein (Trias d'Alsace) pourraient contenir 200.000 tonnes de Li métal. Un procédé d'extraction a été testé avec succès, toutefois une telle ressource minière ne peut qu'être annexée à l'exploitation de la chaleur, dans le cadre d'une valorisation secondaire.

Dans le domaine des eaux thermales et minérales, l'exploitation des eaux carbo-gazeuses pose de difficiles problèmes qui sont abordés par l'équipe spécialisée, basée à Lyon. La métrologie (signification des pressions hydrostatiques lors d'un pompage dans un fluide qui dégaze) et l'expérimentation des procédés de captage et de conservation des propriétés géochimiques des eaux sont les principales composantes de ce programme.

#### Modéliser (cf 3.3 Tableau 1)

Bien que très variée, la panoplie des modèles de simulation se révèle toujours incomplète lorsque l'on veut aborder des milieux complexes, ou simplement tenir compte de réalités
qui étaient négligées - grâce aux hypothèses simplificatrices - dans les versions précédentes. Ainsi la méthodologie de la modélisation du biseau salé a été révisée. Un nouveau code de calcul TED (Transport avec Effet de Densité), basé sur la "marche au hasard" de particules qui simulent la charge saline, permet de prendre en compte la masse spécifique de l'eau de mer et de ses mélanges avec la nappe.

### Proposer (des solutions techniques) (cf 3.4 Tableau 1)

La réalisation de "pilotes industriels", en grandeur réduite ou de taille réelle, fait rarement partie des méthodes de l'hydrogéologie proprement dite, qui souvent s'est limitée à céder à des ingénieurs un modèle de terrain et de données.

Cette manière de procéder, frustrante pour les scientifiques du sous-sol, a été abandonnée ces dernières années, avec une volonté plus interventioniste de la part d'hydrogéologues - ou plutôt d'équipes pluridisciplinaires associant géologues, hydro-dynamiciens, géochimistes et microbiologistes. Cette méthodologie active sera surtout développée au paragraphe 4 à propos de la gestion des ressources. La maîtrise des réactions dans le sous-sol concerne en premier lieu la zone non-saturée où s'élaborore pour l'essentiel la qualité de la future eau souterraine.

La géo-épuration est à la fois une voie d'élimination de pollutions et une réutilisation des eaux usées. Cette voie d'assainissement, qui convient bien à l'habitat semi-collectif ou isolé (lotissement, implantations touristiques, etc...) a été développée sur un pilote correspondant à quelques centaines d'habitants. La charge en pollution, dérivée d'un réseau réel (usines d'épuration d'Orléans) a été traitée par percolations alternées. La reconstitution d'une zone non-saturée, obtenue par l'effet des déversements périodiques de lames d'eaux à épurer, permet la reconstitution cyclique d'une micro-flore aérobie et une bonne dégradation de la matière organique, sans colmatage des surfaces. Le pilote expérimental, équipé de tensiomètres et préleveurs d'échantillons, a permis de proposer le dimensionnement et le régime de fonctionnement qui conviendra, en régime industriel, à une telle installation.

La décontamination, et le traitement in situ des pollutions dans les aquifères, ouvrent un vaste champ thérapeutique à une hydrogéologie qui était surtout confinée à des tâches de diagnostic, et de "médecine légale"... La résorption in situ des pollutions a été abordée à propos des nitrates, où l'on a cherché à favoriser les réactions naturelles se produisant en anaérobiose dans les aquifères. L'injection de nutrients carbonés a été pratiquée pour entretenir un "troupeau bactérien" naturel qui, pour se développer, brise le radical NO₃ afin d'y prélever l'oxygène nécessaire à son métabolisme.

Parfois, au contraire, le nutrient carboné est le polluant ! Quand il s'agit de la pollution superficielle la plus fréquente, celle des hydrocarbures, biodégradables, la nourriture ne manque pas... alors il faut apporter des nutrients (Azote, Phosphore) pour le métabolisme bactérien, ainsi que de l'oxygène par injection de péroxyde d'hydrogène pour accélerer le rythme naturel de la biodégradation aérobie. Une expérimentation de ce type a été conduite à Strasbourg, dans la nappe du Rhin (en collaboration avec ESYS, du groupe Elf-Aquitaine.

La philosophie générale de ce procédé - comme du précédent - consiste surtout à respecter et mettre à profit les phénomènes naturels qui se passent dans les nappes. A cet égard, le fait par exemple de ne pas introduire de bactéries exogènes - peut-être plus "performantes", mais mal accueillies par les

autres souches présentes dans le milieu - s'est révélé tout à fait bénéfique. L'expérimentation conduite a permis de récuper 50 % de la pollution émise.

### GERER

Ce terme, qui recouvre une très vaste portion du champ des activités hydrogéologiques, a tendance à devenir le maître-mot, et nombre de rubriques évoquées dans les pages précédentes pourraient être revendiquées par les "gestionnaires", puisque ceux-ci ont l'avantage, plus souvent financier que socio-économique ou écologique, sur les scientifiques. Nous réserverons ici l'acceptation de "gérer" au sens de protéger, conserver, ménager pour un usage durable dans un esprit de "bon père de famille", c'est-à-dire de sauvegarde du patrimoine. Ce patrimoine peut être constitué par les installations d'un captage, confié à un chef d'exploitation d'une société de distribution, il peut être représenté par un aquifère, il peut être tout l'hydrosystème superficiel et souterrain d'un bassin. Les méthodes et moyens d'approche scientifique de cette gestion - qui feront largement partie des thèmes de recherche du Groupement d'Intérêt Public de recherche en hydrologie continentale, en cours de constitution - sont donc distribués sur une vaste échelle, de l'échantillon au bassin, en passant par la parcelle expérimentale ou site-pilote.

### Observer (mesurer, traiter l'information) (cf 4.1 Tableau 1)

Le besoin en données, pertinentes et validées, est la conséquence logique des performances des modèles qu'il faut bien alimenter: le temps est révolu où l'on a pu prétendre que les données n'étaient pas nécessaires et qu'au besoin on reconstituait, par de savantes manipulations mathématiques, les séries manquantes. La carence en données pour la recherche - la plupart des données sont en effet obtenues dans le cadre de la surveillance publique - a été signalée, ainsi que le manque de techniciens - métrologistes - notamment dans le rapport de P. DUBREUIL. C'est pourquoi le BRGM s'est redéployé dans le sens d'une acquisition de paramètres et de leur traitement qui optimise les possibilités de l'électronique et les potentialités des ressources humaines. Minimiser les temps de déplacement, visiter seulement les appareils à problème, c'est ce qui est permis par le limnigraphe électronique MADO, version MADOTEL, interrogeable par téléphone ou minitel.

Le pré-traitement de l'information - prélude à l'aide à la décision - est la suite logique d'une métrologie moderne. En collaboration avec la SAUR (groupe Bouygues), le BRGM a conçu et mis au point un logiciel d'assistance au gestionnaire des captages, AGATE. Cet outil permet, en croisant des indicateurs simples, de diagnostiquer les dysfonctionnements complexes qui peuvent avoir leur origine dans les pompes, les colmatages, la corrosion,... ou la nappe surexploitée ou influencée par des causes externes.

### Expérimenter (cf 4.2 Tableau 1)

La protection qualitative des aquifères ne peut être traitée d'une manière passive: la notion du périmètre de protection, considérée comme un no-man's land interposé entre les pollutions et le puits, ne résiste pas à l'examen du comportement des pollutions chimiques, en particulier les pollutions diffuses. Pour gérer la qualité, la connaissance ne peut se suffire des observations et données de terrain, et notre recherche
s'est donc attachée à fournir des réponses expérimentales. Les réponses sont ainsi obtenues plus rapidement, au moindre dommage pour l'environnement, et à une échelle appropriée aux besoins. En France, la moitié de l'eau souterraine captée, soit encore 30 % de l'eau distribuée, est pompée dans des nappes alluviales; c'est dire l'importance du phénomène de réalimentation induite... et par voie de conséquence de l'effet filtre des berges. Ce milieu particulier, interface entre les eaux superficielles et souterraines, est le siège de phénomènes complexes, physico-chimiques et micro-bio-chimiques. De nombreuses études ont porté sur ce milieu, sur des sites expérimentaux, en utilisant notamment les méthodes d'injection de traceurs multiples ("bon traceur" de l'eau et traceur-polluant). La fixation des métaux lourds a pu être confirmée, aussi bien en laboratoire (essais en colonne) que sur le site; elle s'opère par précipitation, par adsorption, et par complexation; ces phénomènes s'avèrent réversibles en fonction des solutions qui percolent à travers les berges et véhiculent notamment des complexants: la protection par rétention des micro-polluants n'est jamais définitivement acquise. D'autres travaux, égalemen menés sur site expérimental, en particulier à Grenoble, en collaboration avec le CENG, ont porté sur le chrome, dont le comportement dans les aquifères est contrôlé par le ph et les conditions d'oxydo-réduction: en milieu oxygéné l'ion chromate Cr VI est mobile, alors qu'en milieu réducteur, l'ion Cr III qui précipite est immobilisé dans les sédiments.

Le domaine le plus vaste, le plus riche en substances polluantes, est celui des micropolluants organiques. Parmi ceux-ci, les solvants chlorés ont fait l'objet de travaux, en collaboration avec plusieurs équipes européennes, sur le site de Coventry (Great Britain). Parmi les premiers résultats, on notera que l'adsorption du trichloréthylène est surtout liée à la richesse des roches aquifères en matière organique.

### Modéliser (cf 4.3 Tableau 1)

Les expérimentations et mesures évoquées précédemment sont les phases préliminaires d'une série de modélisations à caractère détermi-niste, de la propagation des pollutions. Sur des codes de calcul hydrodynamiques (modèle 3 D, multicouches et à mailles variables "MARTHE") sont couplés des modules de propagation par la méthode de la "marche au hasard" de particules qui simulent le polluant. A ce modèle hydrocinétique est alors couplé un code de calcul chimique qui prend en compte les interactions du soluté avec la roche (ADSORB2); l'ensemble constitue le modèle MISS: Migration et Interaction de Solutés dans les Sols.

### Proposer (cf 4.4 Tableau 1)

L'attente du gestionnaire est complexe... S'il s'agit de gestion publique et de protection de la ressource globale, bien avant l'exploitation, alors la demande est surtout axée sur des

instruments, traduc-tibles en textes réglementaires... s'il s'agit de gestionnaires actifs-exploitants, alors la demande porte sur des modes de protection plus localisés, qui parfois nous ramènent à la notion de dépollution évoquée au paragraphe Aménager. La cartographie multicritères, technique désormais rendue d'accès facile grâce aux logiciels - ex SYNERGIS (R) - qui associent les images constituées de pixels et les images vectorielles, a été développée dans deux directions, opposées seulement en apparence: carte de vulnérabilité et de risques ou carte d'aptitudes à des activités potentiellement polluantes. Il s'agit en fait de divers modes d'expression d'une problématique universelle qui a néanmoins été affinée grâce aux techniques de pondération: les poids des divers critères retenus peuvent être longuement testés avant d'éditer la version définitive, grâce aux aspects "conviviaux" des logiciels. L'évolution récente traduit surtout la multiplicité du concept de vulnérabilité: le comportement des sols aux diverses catégories de polluants ne dépend pas de la perméabilité à l'eau, mais de tous les phénomènes spécifiques à chaque produit (hydrocarbures, métaux, solvants...) étudiés expérimentalement.

Par ailleurs, le croisement de la notion d'aléa anthropique avec celle de vulnérabilité conduit à l'élaboration de cartes de risques; c'est un premier pas vers des documents encore plus socio-économiques, qui tenteront d'exprimer la valeur patrimoniale à protéger (assurance ?) contre les risques ainsi évalués.

L'aide à la décision à propos de ressources en eau peut se concrétiser par d'autres outils que la carte, et sans aller - trop vite - vers le système expert: on propose les méthodes qui permettront d'intégrer toutes les composantes aux SAGE (Schémas d'Aménagement et de Gestion des Eaux) prévus dans la future loi sur l'eau. L'originalité de ces démarches réside dans le fait que l'étalon monétaire, l'outil de mesure technocratique du planificateur, cède le pas à des procédures de choix qui réservent la part des milieux naturels "inestimables" ou de concepts sociologiques non traductibles en termes financiers. Des outils informatiques sont développés dans ce sens en collaboration avec l'Université de Paris-Dauphine.

Enfin, le thème de la gestion, au sens rapproché, celui des responsables de la distribution publique, a vu la publication d'un important manuel consacré à la constitution des péri-mètres de protection des captages publics.

### REFERENCE

Une bibliographie exhaustive sera fournie, en annexe, aux personnes qui en feront la demande; celle-ci est classée selon le plan des résumés scientifiques annuels que publie la Direction Scientifique du BRGM. Les lecteurs intéressés par plus d'informations les trouveront dans les rapports annuels et les "résumés scientifiques", qui comportent la bibliographie détaillée des recherches évoquées.
# TELESURVEILLANCE ET PREVISION HYDROMETEOROLOGIQUE
## A ELECTRICITE DE FRANCE

DANIEL DUBAND

Electricité de France - Division Technique Générale - 37 rue Diderot - B.P. 41 - 38040 Grenoble Cedex

Deux objectifs particuliers ont conduit le Service Ressources en Eau (Division Technique Générale - EDF), à développer depuis une dizaine d'années un système opérationnel pour la télécollecte synchrone en temps réel et la prévision de paramètres hydrométéorologiques (pluie, neige, température de l'eau et l'air, débit), parallèlement à l'automatisation des usines hydroélectriques: l'optimisation de la production d'électricité (courbe de charge) et la sécurité des installations d'EDF en cas de risques climatiques (neige collante, pluie diluvienne, crue). Cette opération s'accompagne d'avantages appréciables concernant l'optimisation de la gestion et la maintenance des réseaux, ainsi que l'archivage automatique.

Two particular aims have lead Water Research departement (DTG - Electricity of France) since ten years to develop a real time system of hydrological and climatological data collection and hydrometeorological forecasts (rain, snow, temperature, flood) to optimize the management of power production and the safety of dams - power houses - distributions system face to climatics risks. This system also brings advantages to optimize the management of the networks and data records.

## TELEMESURES

La télécollecte des mesures est réalisée pour près de 50 % des 1100 stations situées dans les Alpes, le Massif Central, les Pyrénées, les vallées du Rhône, de la Garonne et la Loire, qui constituent le réseau permanent géré par EDF depuis 45 ans.

Ces valeurs sont actuellement accessibles au pas de temps horaire, ou biquotidien pour la neige, par le réseau téléphonique commuté ou les satellites Argos et Météosat, soit par l'intermédiaire de calculateurs centraux (Grenoble - Toulouse - Brive) en réseau, soit par des micro-ordinateurs répartis sur des sites d'exploitation en France, soit encore par des piptels branchables sur simple prise téléphonique (Figure 1).

Le principe de l'acquisition synchrone de ces informations hydroclimatologiques, consiste à équiper un site de mesure, à l'aval du capteur et codeur, d'un répondeur à mémoire, nommé poste d'acquisition (PA). Ce PA enregistre périodiquement les mesures, généralement au pas de temps horaire, dans une mémoire statique. Le nombre des mesures conservées en mémoire glissante peut varier de 96 pour un PA multiparamètre à 500 pour un PA monoparamètre.

Les PA sont passifs et ne peuvent qu'être appelés par un poste automatique de collecte (PAC), pour des raisons de sécurité de fonctionnement; ce PAC est relié à un calculateur qui assure les opérations de décodage, contrôle et archivage.

On peut interroger ainsi les stations, par l'intermédiaire du réseau téléphonique, soit selon un cycle pré-établi pour la collecte centralisée des données des 24 dernières heures durant la nuit à des fins d'archivage et contrôle du bon fonctionnement, soit à la demande, pour des interrogations ponctuelles ou régionales (sous ensemble de stations), avec un cycle horaire ou pluri-horaire pour les systèmes opérationnels de surveillance et de prévision hydrométéorologiques.

Ces systèmes (capteurs, mémoire, interfaces d'acquisition), ne sont fiables que si la maintenance est effectuée à bref délai et par du personnel qualifié constitué par les techniciens chargés de l'exploitation des réseaux permanents.

425 sites sont ainsi équipés dans les bassins versants de haute et moyenne montagne en France, dont 160 pour le niveau et débit, 200 pour la précipitation, 40 pour la neige, 25 pour la température.

## PREVISION NUMERIQUE OPERATIONNELLE

Nous nous sommes orientés, au fil du temps, vers deux systèmes de prévision de crue:

-soit une implantation sur site, d'un ou deux modèles de prévision sur micro算culateur (compatible PC ou Macintosh) avec intégration du logiciel d'acquisition des données hydroclimatologiques, avec l'interface PAC,

-soit implantation de plusieurs modèles sur l'un des micro-culateurs (VAX) de Grenoble et Toulouse. Ces modèles peuvent être activés ou désactivés à la demande, et ce système permet de diffuser par l'intermédiaire de serveurs informatiques des prévisions critiquées et filtrées par des techniciens chargés de la surveillance hydrométéorologique quotidienne.

Ces deux solutions ne sont pas exclusives l'une de l'autre.

Les logiciels d'acquisition et de prévision s'articulent autour de structures algorithmiques bien paramétrées en intégrant des fonctionnalités de mise en alerte.

Une quinzaine de modèles de prévision de débits fonctionnent actuellement en situation opérationnelle, sur la trentaine de modèles qui ont été élaborés. Ces modèles prévoient les variations horaires de débit et valeurs absolues de débit des prochaines heures (4 à 24 heures) avec scénario statistique sur les pluies futures (Tableau 1 - Figure 2).

Le calage et le paramétrage de ces modèles de prévision a été réalisé, à l'aide de logiciels de déconvolution normalisés du service, d'après des échantillons événementiels aversecrue ou crue amont-crue aval, respectivement:

-pour la relation précipitation-débit, on établit la fonction de transfert (pluies efficace-débit) puis la fonction de production (précipitation brute - pluie efficace) (méthode de la différence première de la fonction de transfert DPFT),

-pour la relation de propagation (débit amont - débit aval), on établit les fonctions de transferts entre les variations de débit des stations amont et celles de la station aval.

L'analyse critique des résultats "prévision - réalisation", est un guide précieux pour l'amélioration de ces modèles de prévision, qui constituent une aide utile à la décision.
<figure><img src="image_197.png" /><figcaption>Fig. 1 Collecte automatique des données hydrologiques a EDF-DTG: architecture d'ensemble</figcaption></figure>

## SUIVI EN TEMPS REEL ET ADAPTATION REGIONALE DE L'INFORMATION METEOROLOGIQUE

Bien que la Météorologie Nationale ait intensifié ses progrès en matière d'observation et de modélisation météorologique, à échelle spatio temporelle plus fine, la surveillance et la prévision hydrométéorologique en zone montagneuse reste difficile et affaire de spécialistes rompus à l'interaction météorologie et hydrologie.

L'association permanente de la situation météorologique synoptique observée et prévue à court terme (au pas de temps horaire ou bi-horaire), à la situation hydroclimatologique prévalant sur le terrain est indispensable pour orienter les décisions d'exploitation à court terme, en fonction des conséquences quantitatives (localisation - déplacement - intensité des épisodes de précipitation, des baisses ou élévations de température, des variations de débit des rivières).

Ceci suppose un personnel qualifié en météorologie dynamique et hydrologie opérationnelle, ainsi que des liaisons permanentes avec les calculateurs de la Météorologie Nationale pour recevoir régulièrement et fréquemment les informations numériques ou cartographiques observées (fac similé - image visible et infrarouge de Météosat - images des radars pluviométriques - impacts de foudre de météorage) et prévues par les modèles français et européens (Emeraude, Péridot - Readings ...) (Figure 3).

L'interprétation de ces informations observées et prévues, se fait de manière objective (recherche de situation analogues

dans un fichier de situations météorologiques journalières en Europe, système expert ...) ou subjective d'après l'expérience quotidienne ou pluri-quotidienne d'association état de l'atmosphère à état hydrologique des bassins versants; que ce soit à quelques heures ou à 1 ou 2 jours, ces informations météorologiques permettent de compléter et d'orienter les résultats des modèles de prévision hydrologique.

## CONCLUSION

La mise en place, l'exploitation, la maintenance d'un système de mesure - acquisition - transmission - traitement automatique de mesures hydroclimatologiques synchrones en temps réel et régulier, constitue la partie principale de la prévision (30 à 50 % de l'information utile). L'évolution future à court terme des débits, calculée par les modèles de prévision, et guédée par les informations météorologiques régionales observées et prévues, permet d'améliorer la connaissance fournie par le temps réel de 20 à 40 % supplémentaires; ainsi dans cet environnement hydrométéorologique déjà remarquablement optimisé, il nous paraît difficile dans l'état actuel des connaissances de réduire à moins de 25 % l'incertitude affectant les prévisions de débit à court terme (en terme de variance).
<figure><img src="image_198.png" /><figcaption>Fig. 2 Bassins équipés de systèmes de précision de débit</figcaption></figure>

<figure><img src="image_199.png" /><figcaption>Fig. 3 Electricité de France - Division technique générale Hydrométéorologie opérationnelle conviviale et décentralisée</figcaption></figure>
## SYSTEMES DE PREVISION DE CRUES OPERATIONNELS A EDF A FIN 1990

<table><caption>Tableau 1. Systèmes de prévision de crues opérationnels à EDF à fin 1990</caption><thead><tr><th>Système de prévision</th><th>Implantation opérationnelle</th><th>Matériel</th><th>Modèles</th><th>Type de modélisation</th><th>Nbre de points de mesure concernés</th><th>Exploitant</th></tr></thead><tbody><tr><td>DOUBS</td><td>En central (serveur DTG)</td><td>VAX DTG + NUMOPAC</td><td>Doubs aux BRENETS</td><td>Pluie-débit</td><td>5</td><td>CIME EST et GRPH RHIN</td></tr><tr><td>GENISSIAT</td><td>Sur site (PCH GENISSIAT)</td><td>Calculateur de conduite + PAC</td><td>Valserine à LANCRANS</td><td>Pluie-débit Mixte</td><td>4 6</td><td>GRPH RHONE</td></tr><tr><td>FIER</td><td>En central (serveur DTG)</td><td>VAX DTG + NUMOPAC</td><td>Fier à MOTZ</td><td>Pluie-débit</td><td>3</td><td>GRPH SAVOIE et GRPH RHONE</td></tr><tr><td>BASSE-ISERE</td><td>Sur site (PSH PIZANCON)</td><td>MAC PLUS + NUMOPAC</td><td>Fier à ARGONAY</td><td>Pluie-débit</td><td>3</td><td>GRPH ALPES</td></tr><tr><td>BUECH</td><td>Sur site (PCC STE TULLE)</td><td>MAC SE + NUMOPAC</td><td>Chéran à LA CHARNIAZ</td><td>Pluie-débit Mixte</td><td>3 7</td><td>GRPH ALPES</td></tr><tr><td>VERDON</td><td>Sur site (Usine CASTILLON)</td><td>MAC SE + NUMOPAC</td><td>Isère à ST-GERVAIS</td><td>Débit-débit</td><td>8</td><td>GRPH ALPES</td></tr><tr><td>CHATEAUNEUF</td><td>Sur site * (PSH CHATEAUNEUF)</td><td>Calculateur de conduite + PAC</td><td>Bourne à PONT DE MANNE</td><td>Pluie-débit</td><td>4</td><td>GRPH MEDITERRANEE</td></tr><tr><td>MONTPEZAT</td><td>Sur site (Usine MONTPEZAT)</td><td>MAC SE + NUMOPAC</td><td>Verdon à CASTILLON</td><td>Pluie-débit</td><td>5</td><td>GRPH MEDITERRANEE</td></tr><tr><td>ARDECHE</td><td>En central (serveur DTG)</td><td>VAX DTG + NUMOPAC</td><td>Saône à COUZON</td><td>Mixte</td><td>14</td><td>GRPH RHONE</td></tr><tr><td>CREUSE</td><td>Sur site (Usine d'EGUZON)</td><td>MAC SE + NUMOPAC</td><td>Ardèche à ST-MARTIN</td><td>Pluie-débit</td><td>12</td><td>GRPH RHONE</td></tr><tr><td>TARN</td><td>En central (Serveur DTG)</td><td>VAX DTG TOULOUSE + NUMOPAC</td><td>Eyrieux à PONTPIERRE</td><td>Pluie-débit</td><td>8</td><td>GRPH LOIRE</td></tr><tr><td>CEERE</td><td>En central (serveur DTG)</td><td>VAX DTG TOULOUSE + NUMOPAC</td><td>Cèze à BAGNOLS</td><td>Pluie-débit</td><td>10</td><td>GRPH LOIRE</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Loire à RIEUTORD</td><td>Pluie-débit</td><td>12</td><td>GRPH LOIRE</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Ardèche à ST-MARTIN</td><td>Pluie-débit</td><td>8</td><td>GRPH RHONE</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Creuse à EGUZON</td><td>Pluie-débit</td><td>10</td><td>GRPH MASSIF CENTRAL</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Tarn à PONT MONTBRUN</td><td>Pluie-débit</td><td>5</td><td>GRPH LANGUEDOC</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Dourbie à LA GARDIES</td><td>Pluie-débit</td><td>4</td><td>GRPH LANGUEDOC</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Tarn à MILLAU</td><td>Mixte</td><td>4</td><td>GRPH MASSIF CENTRAL</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Cère à CANTALES</td><td>Débit-débit</td><td>3</td><td>GRPH MASSIF CENTRAL</td></tr></tbody></table>
LES TRAVAUX FRANCAIS EN
OCEANOGRAPHIE PHYSIQUE de 1987 à 1990

MICHEL CREPON

Président de la Section Océanographie du CNFGG

De nombreux travaux dans des domaines variés ont été réalisés en océanographie physique en France depuis 1987, date de la dernière Assemblée Générale de L'UGGI qui s'est tenue à Vancouver. Plutôt que de faire une revue exhaustive et forcement très superficielle de ces travaux, nous avons préféré faire une présentation plus approfondie de quelques études marquantes qui reflètent l'évolution actuelle de l'océanographie en France. Que ceux qui ne sont pas cités nous pardonnent; si leurs travaux n'ont pas été retenus; c'est que nous avons dû faire un choix qui nous était imposé par une contrainte de place que nous avons résolu d'une manière qui présente un certain arbitraire.

Les cinq contributions que nous avons retenues sont les suivantes:

- Evolution du climat paléo-océanographie par L. Labeyrie

- Assimilation de données spatiales dans les modèles quasi-géostrophiques de circulation océanique par B. Barnier, M. Boukthir et J. Verron.

- Le programme JADE par M. Fieux

- Evaluation des courants de surface d'un modèle de circulation générale de l'Atlantique tropical par A. Morlière et C. Duchene

- Le programme MEDMODEL par M. Crépon, G. Madec et L. Mortier.
EVOLUTION DU CLIMAT
PALEOCEANOGRAPHIE

LAURENT LABEYRIE

Centre des Faibles Radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, domaine du CNRS - 91198 Gif/Yvette cedex

French paleoceanographical research is mostly conducted within the Programme National d'Etude de la Dynamique du Climat. The major results within the 3 main actions are:

*Variability of the deep water circulation during the last climatic cycles.* The deep water has at least 2 stable modes of circulation, succeding to each others during a climatic cycle. The present mode, with subtropical saline surface water entering Norwegian sea, deep water convection in Norwegian and Labrador seas, North Atlantic Deep Water (saline, relatively warm, and well ventilated) filling the different oceanic basin after mixing with colder, less ventilated Antarctic Bottom water, is characteristic of the interglacial periods. During glaciations, northward penetration of surface saline water is limited to 40°N, and deep waters are less saline and poorly ventilated. A strong thermohaline gradient separate at about 2000 m depth, in the different oceanic basins, the deep waters from the well ventilated intermediate waters.

*Establishment of a precise time frame of the last deglaciation, using the Accelerator Mass Spectrometer (AMS "C) of Gif/Yvette.* In the north Hemisphere, the sediment records indicate a rapid deglaciation, in two steps, the first one between 13.5 and 11.5 ka BP ($^{14}$C ages), the second one between 10 and 8 ka BP. The Younger Dryas cold oscillation, between 11 and 10 ka BP, is also evidenced in the north Pacific ocean. In the Southern ocean, the initiation of the deglaciation appear synchronous with the northern hemisphere but the warming reached modern surface water temperatures by about 13 ka BP, 5 ka before the northern hemisphere. There are cold oscillations, but apparently not synchronous with the Younger Dryas in the northern hemisphere.

*Variability of surface and deep waters hydrology, sea ice cover, and productivity in the Southern Ocean.* A transfer function has been developped from the distribution of diatom species in the sediment, to estimate independently sea surface temperature and the amount of silica dissolution before burial. The reconstructed sea surface temperature changes over the last 150 ka BP present strong analogy with the temperature records in the ice of Vostok. This allow definition of stratigraphical links between the ocean sediment and ice records.

INTRODUCTION

On a assisté, ces dernières années, à un développement très rapide de l'intérêt général pour les changements globaux du climat, l'estimation de l'importance de l'effet de serre, et la possibilité de développer des modèles prédictifs des tendances climatiques pour les prochaines décennies. Les recherches sur les changements climatiques dans le passé, et l'analyse des mécanismes associés, se sont trouvées naturellement intégrées dans ce mouvement. Les travaux français réalisés en partie au sein du Programme National d'Etude de la Dynamique du Climat, ont porté principalement sur l'analyse des changements de la circulation profonde lors du dernier glaciaire et pendant la déglaciation, et sur la paléoclimatologie de l'Océan Austral. Ces recherches ont bénéficié de la sensibilité exceptionnelle de l'AMS Tandétron (Accelerator Mass Spectrometer) installé à Gif/Yvette pour les datations $^{14}$C. Cette sensibilité a permis l'établissement d'une chronologie précise de la dernière déglaciation.

VARIABILITE DE LA CIRCULATION PROFONDE

La distribution de la compositions isotopiques ($^{18}$O/$^{16}$O et $^{13}$C/$^{12}$C) des foraminifères benthiques dans les différents basins océaniques est directement liée aux paramètres hydrodynamiques de la circulation profonde à l'époque considérée : le $\delta^{18}$O du carbonate des squelettes dépend de la température et de la salinité de l'eau, le $\delta^{13}$C de la teneur en oxygène dissous (ventilation). Il avait pu être démontré au cours des dernières années que les modes de circulation océanique lors du dernier maximum glaciaire étaient très différents de la situation actuel (Duplessy et al., 1980; Labeyrie and Duplessy, 1985;

Duplessy et al., 1988]. L'eau profonde nord Atlantique était beaucoup plus froide (vers -1°C), et n'était bien ventilée que sur la bordure nord du bassin nord Atlantique. Il n'y avait apparemment pas d'apport dû au débordement de l'eau profonde de la Mer de Norvège. L'origine de cette eau bien ventilée était probablement locale, et son influence ne dépassait pas 40°N (Figure 1). L'eau profonde d'origine Antarctique remplissait les bassins profonds des Océans Atlantique, Indien, et Pacifique. Ces eaux étaient significativement plus froides et moins ventilées qu'actuellement. Les eaux intermédiaires, au contraire, qui correspondent généralement au minimum d'oxygène pour notre Océan, étaient mieux ventilées.

L'AMS $^{14}$C permet de préciser les changements dans la dynamique de la circulation profonde : dans une carotte donnée, l'âge $^{14}$C des foraminifères planctoniques est peu différent de celui de l'atmosphère au même moment. Celui des foraminifères benthiques correspond à l'âge des eaux de fond à l'emplacement de la carotte. La différence d'âge entre foraminifères planctoniques et benthiques prélevés au même niveau d'une carotte est donc une mesure de l'âge relatif des eaux de fond à l'emplacement de la carotte. Cette méthode a été testée sur deux carottes prélevées dans l'Océan Pacifique, TRI 163-31B (3°37'S, 83°58'W, 3210 m) et CH 84-14 (41°44'N 14233'E, 978 m). L'âge de ventilation des eaux profondes et intermédiaires pour l'océan Pacifique actuel est voisin de 1500 ans. Les analyses (Figure 2) font apparaître une série d'oscillations dans ces âges: Les eaux profondes avaient un âge voisin de l'actuel lors du dernier maximum glaciaire, mais étaient nettement plus vieilles lors de la période précédente. Juste au début de la déglaciation, les âges des eaux profondes et intermédiaires se sont mis à diminuer fortement, traduisant une accélé-
<figure><img src="image_200.png" /></figure>

La distribution du ∂13C dans l'océan, dépend de la ventilation des masses d'eau en surface et de leur circulation en profondeur :

- Le profil moderne est obtenu à partir des mesures réelles. L'introduction en profondeur d'eau ventilée, riche en oxygène dissous se fait grâce à la densité élevée acquise par l'eau profonde nord Atlantique lors de sa formation en mer de Norvège. Les eaux anciennes, qui ont accumulé du CO2 issu de l'oxydation des organismes morts en train de sédimenter sont progressivement chassées en surface des océans Indiens et Pacifique, où le CO2 en excès retourne vers l'atmosphère.

- Le profil pour le dernier maximum glaciaire, obtenu à partir de la mesure des foraminifères montre que les eaux ventilées pénétraient moins profondément, et le CO2 dérivant de l'oxydation des matières organiques pouvait s'accumuler en profondeur. Le réservoir de CO2 échangeant avec l'atmosphère diminuait progressivement, ce qui a entraîné la baisse de teneur en CO2 atmosphérique. Par contre, dès ledébut de la déglaciation, la reprise de formation d'eau profonde a chassé l'excès de CO2 vers l'atmosphère. Ce schéma hypothétique doit maintenant être validé par des modèles.

<figure><img src="image_201.png" /><figcaption>Fig. 1 Sections hydrographiques nord-sud à travers les océans Atlantique et Indien.</figcaption></figure>
ration brutale de la ventilation des eaux. L'évolution vers la période actuelle s'est accompagnée d'une nouvelle oscillation de la ventilation des eaux profondes, en cours de déglaciation. Ces variations, qui traduisent la liaison continue entre hydrologie superficielle des hautes latitudes et circulation profonde, base de la circulation thermohaline, soulèvent plus de questions qu'elles n'en résolvent. En particulier, nous ne sommes pas capables d'expliquer le renouvellement très rapide des eaux profondes à la fin de la dernière glaciation, à une époque où les eaux de surface de haute latitude commençaient à recevoir les eaux de fonte des calottes continentales [Duplessy et al., 1988; Shackleton et al., 1988; Labeyrie et al., 1990; Duplessy et al., 1990; Kallel et al., 1988b]

## DATATION DE LA DEGLACIATION

Les premières mesures d'âge ¹⁴C des foraminifères planctoniques à l'AMS ¹⁴C avaient confirmé la nature catastrophique de la déglaciation, en particulier autour de 12 500 et de 9500 ans BP. C'est donc une période très intéressante pour analyser les mécanismes rétroactifs les plus importants impliqués dans les change-

<figure><img src="image_202.png" /></figure>

Fig. 2 Variations de l'âge de ventilation des eaux profondes et intermédiaires de l'océan Pacifique depuis 30 000 ans. Dans chaque carotte l'âge de ventilation a été déduit de la comparaison de l'âge¹⁴C des foraminifères planctoniques et benthiques présents à un même niveau sédimentaire

ments climatiques. Une grande partie de l'activité de recherche s'est focalisée sur une meilleur documentation de cette période dans les différents régions du globe. Il avait pu être démontré que le schéma classique donné par les sédiments de la région nord Atlantique était appliquable sur tout l'hémisphère nord, avec une déglaciation débutant vers 14 500 ans BP, s'accélérant vers 13 000 ans BP, un retour du froid entre 11 000 et 10 000 ans BP (le "Younger Dryas"), et la reprise de la déglaciation jusque vers 9000 ans BP ; seul le "Younger Dryas" est apparamment peu marqué dans les zones continentales de l'Amérique du nord. Mais l'étude des niveaux marins par la datation ¹⁴C de forages dans les coraux de La Barbade ont confirmé cette évolution en trois temps. Dans l'Atlantique nord, réchauffement (donné par les changements micropaléontologiques) et déglaciation (marquée par l'évolution du δ¹⁸O des foraminifères planctoniques), sont synchrones. Dans le Pacifique nord, les changements de δ¹⁸O des foraminifères planctoniques, synchrones de ceux de l'Atlantique nord, précèdent d'environ 1000 à 2000 ans l'augmentation de température des eaux de surface, qui n'apparaît que vers 12 000 ans BP [Kallel et al., 1988a]. Les mesures donnent donc un rôle spécifique à la reprise de la dérive nord Atlantique vers le nord-est, et le transport de chaleur associé, comme origine à la déglaciation. Dans l'hémisphère austral, des datations ¹⁴C à l'AMS Tandétron

de trois carottes sur lesquelles les analyses isotopiques et micropaléontologiques avaient été réalisées (MD 73 025, MD 84-527 et MD 84-551) ont montré que la déglaciation, bien qu'approximativement synchrone de celle de l'hémisphère nord, a un déroulement très différent [Labracherie et al., 1989]: Dès 13 000 ans BP, des températures voisines de l'actuel sont obtenues. Cette période de réchauffement rapide est suivi d'un petit refroidissement, entre 12 000 et 11 000 ans, soit environ 1000 ans avant le "Younger Dryas", auquel succède un réchauffement très rapide, avec un optimum climatique entre 10 000 et 8 000 BP, où les températures de l'eau de surface sont de plusieurs degrés supérieures à l'actuel. Les déphasages entre hémisphères nord et sud montrent l'importance dans cette évolution des couplages entre le climat de l'hémisphère nord et la dynamique de fonte des calottes boréales, par opposition avec un signal global répondant directement aux variations de l'insolation où du pCO₂ atmosphérique.

## PALEOCEANOGRAPHIE AUSTRALE

L'océan Austral occupe une place unique pour les mécanismes associés aux changements climatiques, tant par son rôle dans la convection thermohaline profonde et les transferts de chaleur océan-atmosphère, que par son influence sur le pCO₂ atmosphérique. Ses relations avec la calotte antarctique sont fondamentales dans l'interprétation des mesures paléoclimatiques réalisées dans les forages de glace. Un programme d'étude paléoclimatique de l'Océan Austral a été construit, associant étroitement l'équipe paléoclimatologie du Centre des Faibers Radioactivités (Laboratoire mixte CNRS-CEA) et le groupe de micropaléontologues de l'Université de Bordeaux I, avec le support de la mission scientifique des Terres Australes et Antarctiques Françaises. Ce programme a pour but de reconstruire la variabilité spatiale et temporelle d'une série de variables associées à l'évolution climatique, au cours des deux derniers cycles climatiques: températures de l'eau de surface et couverture de glace; production primaire carbonatée et siliceuse; dissolution de la silice et des carbonates à l'interface eau-sédiment et contrôle de l'alcalinité; formation, caractéristiques, et flux des eaux profondes; apports d'icebergs vélant de la calotte antarctique.

Cinq campagnes de carottage ont été réalisées, couvrant la zone entre la Péninsule Antarctique et le méridien 140°E, dans les secteurs Atlantique et Indien de l'Océan Austral. Une série d'outils indispensables a été mise au point : la fonction de transfert entre distribution des espèces de diatomées et température de l'eau de surface, définie à partir de 124 échantillons de surface régulièrement répartis, a une précision sur la température moyenne d'été de ±1°C entre -2 et 10°C [Pichon et al., 1991b]. A plus haute température, elle est complétée par une fonction de transfert baée sur la distribution spécifique des foraminifères. Par étalonnage en laboratoire, l'effet de la dissolution de la silice sur la distribution des espèces de diatomées a été quantifié indépendamment des facteurs hydrologiques. Les flux de silice arrivant sur le fond ont ainsi été estimés [Pichon et al., 1991a; Bareille et al., 1991]. Les résultats montrent une perte moyenne de 20 % de la silice biogénique dans les sédiments actuels de la zone de haute productivité (qui correspond à des températures de l'eau de surface de 2 à 8°C en été). Dans les eaux plus chaudes, la productivité est limitée par le manque de nutrients, et la dissolution en surface des sédiments peut atteindre 80% du flux de silice exporté depuis la surface. En