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# Modelling water resource management in the Aude basin in the context of climate change

Kevin Bosirany Orlando

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## To cite this version:

Kevin Bosirany Orlando. Modelling water resource management in the Aude basin in the context of climate change. Global Changes. 2023. hal-04230749

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Submitted on 6 Oct 2023

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# Modélisation de la gestion de la ressource en eau du bassin de l'Aude dans un contexte de changement climatique

Kevin Bosirany Orlando

► To cite this version:

Kevin Bosirany Orlando. Modélisation de la gestion de la ressource en eau du bassin de l'Aude dans un contexte de changement climatique. Inrae. 2023. hal-04226767

HAL Id: hal-04226767

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Submitted on 3 Oct 2023

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# Mémoire présenté pour l'obtention du Master 2

**Mention : Eau**

**Parcours : Eau et Agriculture**

## Modélisation de la gestion de la ressource en eau du bassin de l'Aude dans un contexte de changement climatique

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Par Kevin Bosirany ORLANDO

Mémoire présenté le : 06/09/2023

Organisme d'accueil :
Inrae, UMR G-EAU, UMR Innovation

Maître de stage : David DORCHIES

Enseignant tuteur : Armand CRABIT
<figure><img src="image_8.png" /></figure>
Résumé

Dans le cadre du projet Talanoa Water, cette étude se focalise sur la modélisation hydrologique du bassin de l'Aude. Ce projet, guidé par les principes de la gestion intégrée des ressources en eau et de l'innovation adaptative, aspire à répondre aux enjeux critiques de la gestion de l'eau dans un contexte de changement climatique. Le bassin versant de l'Aude, où a été défini des zones de répartition des eaux (ZRE) en raison de la forte pression exercée sur les ressources, a été au cœur de cette investigation visant à comprendre les interactions complexes entre les processus hydrologiques, climatiques et environnementaux et les usages de l'eau sous l'influence humaine.

Le processus d'analyse a commencé par le traitement minutieux des données météorologiques et hydrologiques du bassin ainsi que les usages de l'eau au sein du bassin versant. À partir de ces données, un modèle hydrologique sophistiqué a été élaboré, capturant la complexité des interactions dans le système hydrologique. Le calibrage précis du modèle a validé sa capacité à représenter fidèlement les processus réels et à projeter les évolutions futures des ressources en eau.

L'évaluation des volumes prélevables a été l'étape centrale de cette étude. Sous divers scénarios climatiques, les résultats ont dévoilé des tendances significatives. Notamment, l'impact crucial du scénario RCP 8.5, reflétant une perspective pessimiste du changement climatique, a souligné des réductions notables des volumes prélevables dans le bassin de l'Aude.

Ces résultats soulignent l'urgence d'adopter des stratégies d'adaptation et d'atténuation pour maintenir la durabilité des ressources en eau. Les perspectives futures visent à coupler le modèle hydrologique avec des modèles économiques et agronomiques, afin de tester des scénarios d'adaptation plus larges.

Mots clés : modélisation hydrologique, airGRiwrm, bassin de l'Aude, changement climatique, ressources en eau
Abstract

As part of the Talanoa Water project, this study focuses on hydrological modelling of the Aude river basin. Guided by the principles of integrated water resource management and adaptive innovation, this project aims to respond to the critical issues of water management in a context of climate change. The Aude catchment area, where water distribution zones (WDZ) have been defined due to the high pressure on resources, was at the heart of this investigation aimed at understanding the complex interactions between hydrological, climatic and environmental processes and human-influenced water uses.

The analysis process began with the meticulous processing of meteorological and hydrological data for the basin, as well as water uses within the catchment. From this data, a sophisticated hydrological model was developed, capturing the complexity of the interactions in the hydrological system. Precise calibration of the model validated its ability to accurately represent real processes and to project future changes in water resources.

Assessing the volumes that can be abstracted was the central stage of this study. Under various climate scenarios, the results revealed significant trends. In particular, the crucial impact of the RCP 8.5 scenario, reflecting a pessimistic outlook for climate change, highlighted significant reductions in withdrawable volumes in the Aude basin.

These results highlight the urgent need to adopt adaptation and mitigation strategies to maintain the sustainability of water resources. Future prospects include coupling the hydrological model with economic and agronomic models, in order to test broader adaptation scenarios.

**Keywords** : hydrological modelisation, airGRiwrm, Aude river basin, climate change, water resources
Remerciements

Tout d'abord, je tiens à exprimer ma profonde gratitude envers l'Université de Montpellier, l'Institut Agro Montpellier et AgroParisTech pour la proposition du master Eau et Agriculture ainsi qu'à tout le corps enseignant notamment Flavie CER-NESSON et Gilles BELAUD pour nous avoir permis de profiter d'une formation de qualité durant cette année universitaire 2022-2023.

Je tiens à remercier le programme européen PRIMA pour le financement du projet TALANOA-WATER et l'INRAE le partenaire français du projet d'où découle ce stage de master.

Je tiens à remercier chaleureusement David DORCHIES pour son encadrement et son soutien aussi bien dans le cadre du stage ainsi que dans ma vie personnelle. Ses conseils, son expertise et sa disponiblité ont été inestimables pour mon apprentissage et le bon déroulement du travail. Je remercie aussi Armand CRABIT pour ses directives dans la rédaction du rapport de stage.

Je tiens également à exprimer ma reconnaissance envers les membres de l'équipe TALANOA pour leur accueil chaleureux et leur collaboration. Les échanges hebdomadaires et partage de connaissance ont contribué grandement à mon immersion dans le milieu professionnel et à ma compréhension des enjeux liés aux ressources en eau.

Mes remerciements vont également à ma famille et mes amis pour leur soutien inconditionnel tout au long de mon parcours académique. Leur encouragement et leur compréhension ont été un moteur essentiel de ma réussite.
# Table des matières

<table><tr><td>Résumé</td><td>1</td></tr><tr><td>Abstract</td><td>2</td></tr><tr><td>Remerciements</td><td>3</td></tr><tr><td>Sigles et acronymes</td><td>9</td></tr><tr><td>1 Introduction générale</td><td>10</td></tr><tr><td>1.1 Contexte et problématique</td><td>10</td></tr><tr><td>1.2 Le projet Talanoa-Water</td><td>10</td></tr><tr><td>1.3 Objectifs de l'étude</td><td>11</td></tr><tr><td>1.4 Plan du rapport</td><td>11</td></tr><tr><td>2 Etat de l'art</td><td>12</td></tr><tr><td>2.1 Etudes des volumes prélevables</td><td>12</td></tr><tr><td>2.2 Impact du changement climatique sur les ressources en eau</td><td>13</td></tr><tr><td>2.3 Les modèles intégrés de ressources en eau</td><td>14</td></tr><tr><td>2.4 Les modèles hydrologiques</td><td>14</td></tr><tr><td>3 Méthodologie générale</td><td>17</td></tr><tr><td>3.1 Présentation de la zone d'étude</td><td>17</td></tr><tr><td>3.2 Modélisation du bassin versant de l'Aude</td><td>21</td></tr><tr><td>3.3 Jeu de données</td><td>26</td></tr><tr><td>3.4 Calage du modèle hydrologique</td><td>32</td></tr><tr><td>3.5 Calcul des volumes prélevables</td><td>33</td></tr><tr><td>3.6 Simulation des projections climatiques</td><td>34</td></tr><tr><td>4 Résultats et discussions</td><td>36</td></tr><tr><td>4.1 Analyse des jeu de données</td><td>36</td></tr></table>
<table><tr><td>4.2 Evaluation du calage du modèle</td><td>40</td></tr><tr><td>4.3 Volumes prélevables sur la période historique (1958-2020)</td><td>42</td></tr><tr><td>4.4 Impact du changement climatique sur les volumes prélevables</td><td>44</td></tr><tr><td><b>5 Conclusion</b></td><td><b>47</b></td></tr><tr><td><b>Annexes A : Liste des stations hydrométriques</b></td><td><b>48</b></td></tr><tr><td><b>Annexes B : Liste des réservoirs</b></td><td><b>50</b></td></tr><tr><td><b>Annexes C : Présentation des organismes d'accueil</b></td><td><b>51</b></td></tr></table>
## Liste des tableaux

<table><tr><td>3.1</td><td>Volume sortant du barrage de Galaube (Institution des Eaux de la Montagne Noire 2013)</td><td>32</td></tr><tr><td>3.2</td><td>Projections utilisés pour l'évaluation de l'impact du changement climatique</td><td>34</td></tr></table>
Table des figures

<table>
  <tbody>
    <tr>
      <td>2.1</td>
      <td>Déroulement et objectifs des études de volumes prélevables (Source : Barrazza et Molle (2022))</td>
      <td>12</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.2</td>
      <td>Schématisation du volume prélevable (Source : BRL Ingénierie (2011))</td>
      <td>13</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.3</td>
      <td>Chaîne de modélisation suivie dans le cadre du projet explore 2070 (Source : S. Chazot et al. (2012))</td>
      <td>14</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>2.4</td>
      <td>Structure du modèle GR4J (Source : Perrin, Michel et Andréassian (2003))</td>
      <td>16</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.1</td>
      <td>Localisation du bassin versant de l'Aude, de la Berre et du Rieu (Source : eaucéa (2013))</td>
      <td>17</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.2</td>
      <td>Topographie du bassin de l'Aude, de la Berre et du Rieu (Source : eaucéa (2013))</td>
      <td>18</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.3</td>
      <td>Réseau hydrographique détaillé du bassin de l'Aude, de la Berre et du Rieu (Source : eaucéa (2013))</td>
      <td>19</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.4</td>
      <td>Précipitations moyennes sur la période 1981-2010 (Source : eaucéa (2013))</td>
      <td>19</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.5</td>
      <td>Répartition de la SAU total et de la SAU irriguée sur l'Aude médiane et aval (Source : COPIL Talanoa, 2022)</td>
      <td>20</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.6</td>
      <td>Schéma hydraulique du bassin versant de l'Aude (Source : eaucéa (2013))</td>
      <td>20</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.7</td>
      <td>Composantes du package airGR (Source : D. Dorchies, O. Delaigue et G. Thirel (2021))</td>
      <td>21</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.8</td>
      <td>Structure du package airGRiwrm (Source : D. Dorchies, O. Delaigue et G. Thirel (2021))</td>
      <td>22</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.9</td>
      <td>Représentation du modèle intégré du bassin de l'Aude (Source : Dorchies et al., 2022)</td>
      <td>22</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.10</td>
      <td>Points d'intérêts de la zone d'étude et découpage du bassin versant</td>
      <td>24</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.11</td>
      <td>Représentation du modèle griwrm influencé du bassin de l'Aude</td>
      <td>25</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.12</td>
      <td>Superposition des grilles SAFRAN au bassin de l'Aude</td>
      <td>26</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.13</td>
      <td>Nombre de stations par nombre d'années de données disponibles</td>
      <td>27</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.14</td>
      <td>Fiabilité des stations hydrométriques</td>
      <td>27</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.15</td>
      <td>Méthodologie simplifiée du regroupement des deux bases de données de l'AERMC et la DDTM</td>
      <td>28</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.16</td>
      <td>Répartition mensuelle des prélèvements selon les usages</td>
      <td>28</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.17</td>
      <td>Volume prélevé par VNF entre 2012 et 2020</td>
      <td>29</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.18</td>
      <td>Débits moyens mensuels prélevés par VNF (Synthèse des sources : Stucky (2009b); eaucéa (2013); BRL Ingénierie (2022))</td>
      <td>30</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.19</td>
      <td>Disponibilité des données de gestion des réservoirs</td>
      <td>30</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.20</td>
      <td>Chroniques des apports et lâchers du barrage de Ganguise de l'année 2020</td>
      <td>31</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.21</td>
      <td>Lâchers moyens entre 2003 et 2023 des réservoirs EDF à partir des débits naturels reconstitués et débits observés</td>
      <td>31</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.22</td>
      <td>Etapes de descente d'échelle depuis la modélisation globale à régionale jusqu'à la désagrégation aux petites échelles spatiales (Source : DRIAS, Les Futurs Du Climat - Accompagnement (2023))</td>
      <td>34</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>3.23</td>
      <td>Emissions mondiales de CO2 provenant des combustibles fossiles (à gauche) et émissions totales provement des combustibles fossiles et de l'utilisation des terres (à droite) (Crédit : Glen Peters)</td>
      <td>35</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>
## Sigles et acronymes

<table><tr><td>AEP</td><td>Alimentation en Eau Potable</td></tr><tr><td>AERMC</td><td>Agence de l'Eau Rhône Méditérranée Corse</td></tr><tr><td>AHL</td><td>Adducteur Hors Lauragais</td></tr><tr><td>API</td><td>Application PRogrmming Interface</td></tr><tr><td>ASA</td><td>Association Syndicale Autorisée</td></tr><tr><td>CMIP5</td><td>Coupled Model Intercomparison Project Phase 5</td></tr><tr><td>DDTM</td><td>Direction Départementale des Territoires et des Mers</td></tr><tr><td>EDF</td><td>Electricité De France</td></tr><tr><td>EVP</td><td>Etude des Volumes Prélevables</td></tr><tr><td>EXO</td><td>Exonéré</td></tr><tr><td>GCM</td><td>Global Climate Model</td></tr><tr><td>GR</td><td>Génie Rural</td></tr><tr><td>GR4J</td><td>Génie Rural à 4 paramètres Journaliers</td></tr><tr><td>IEMN</td><td>Institution des Eaux de la Montagne Noire</td></tr><tr><td>IIABM</td><td>Institution Interdépartementale de l'Aménagement du Barrage de Montbel</td></tr><tr><td>IND</td><td>Industrie</td></tr><tr><td>INRAE</td><td>Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement</td></tr><tr><td>IRR</td><td>Irrigation</td></tr><tr><td>KGE</td><td>Kling-Gupta Efficiency</td></tr><tr><td>MNT</td><td>Modèle Numérique de Terrain</td></tr><tr><td>QMNA5</td><td>Débit Mensuels Minimums Annuel</td></tr><tr><td>RCM</td><td>Regional Climate Model</td></tr><tr><td>RCP</td><td>Representative Concentration Pathway</td></tr><tr><td>SAFRAN</td><td>Système d'Analyse Fournissant des Renseignements Atmosphériques à la Neige</td></tr><tr><td>SMMAR</td><td>Syndicat Mixte des Milieux Aquatiques et des Rivières</td></tr><tr><td>VNF</td><td>Voies Navigables de France</td></tr></table>
# 1 Introduction générale

## 1.1 Contexte et problématique

L'augmentation des températures, les évènements climatiques extrêmes et la diminution des ressources naturelles ont engendré des préoccupations majeures à l'échelle mondiale quant à la durabilité de nos écosystèmes et à la disponibilité de nos ressources essentielles (IPCC 2023). Ces effets sont susceptibles de s'aggraver dans les années à venir, la banque mondiale annonçant un déséquilibre de 40% entre l'offre et la demande en eau auquel sera confronté la planète d'ici 2030 si les pratiques actuelles de consommation se maintiennent (Banque Mondiale 2023).

Selon Gaudiaut (2022), la zone méditerranéenne sera parmi les plus touchées par ces pénuries d'eau. En France notamment, cette année a été désignée comme l'une des années les plus sèches depuis 70 ans avec celle de 2021 (Dubault 2023).

Le bassin versant de l'Aude est caractérisé par un enjeu majeur sur ces ressources en eau. Les épisodes de sécheresse extrême, les interdictions et restrictions d'usages de l'eau récurrentes constituent donc un réel enjeu. En effet, une étude sur les changements climatiques et hydrologiques sur la partie nord occidentale de la méditerranée annonce qu'à l'horizon 2100 le débit moyen annuel de l'Aude pourrait diminuer de 88% par rapport à la période 1950-2005 (Labrousse 2021). Ces résultats sont d'autant plus inquiétant que le bassin est à l'état actuel déjà déficitaire de près de 40 Mm³ entre les apports d'eau et les consommations qui y sont effectués (eaucéa 2014). Cela impose une adaptation rapide des politiques de gestion des ressources en eau conciliant les besoins actuels et futurs de la société, tout en préservant l'environnement et la biodiversité (DDTM 2023).

La quantification des ressources en eau constitue une étape essentielle pour le développement des solutions durables afin de garantir la disponiblité en eau pour les générations futures. Elle permet de connaître les volumes d'eau disponibles, les consommations et les pressions exercées sur les ressources servant dans la prise de décision (eaufrance 2023). Ces éléments nous amènent à poser la problématique suivante : **Quel est l'impact du changement climatique sur les ressources en eau disponibles du bassin versant de l'Aude ?**

## 1.2 Le projet Talanoa-Water

Dans cette optique d'adaptation face au changement climatique s'inscrit le projet Talanoa-Water <fnref n="1" /> (Talanoa Water Dialogue for Transformational Adaptation to Water Scarity Under Climate Change). C'est un projet de recherche et d'innovation européen financé dans le cadre du programme PRIMA <fnref n="2" /> (Partnership for Research & Innovation in the Mediterranean Area) axé sur 6 pays du pourtour méditerranéen dont la France.

L'objectif principal de Talanoa consiste à identifier, caractériser, évaluer et promouvoir l'adoption de stratégies d'adaptation face à la pénurie d'eau dans le contexte de changement climatique (Talanoa Water 2023; Shehata et al. 2023). S'appuyant sur les principes de gestion intégrée des ressources en eau et d'écosystème d'innovation, d'adaptation et de transformation, ce projet s'articule autour de deux axes majeurs. En premier, une approche participative qui mobilise divers acteurs afin de

<footnote n="1">1. https://talanoawater.com ; https://talanoa-water-france.hub.inrae.fr</footnote>

<footnote n="2">2. https://prima-med.org</footnote>
co-construire des stratégies tout en prenant en considération les changements globaux. Parmi ces acteurs nous retrouvons les agriculteurs et leurs représentants, les autres usagers de l'eau, les collectivités, les gestionnaires des ressources, les élus, ainsi que les services de l'État et l'agence de l'eau. Parallèlement à cela, une démarche de modélisation hydro-agro-économique est entreprise pour dresser un tableau précis des ressources en eau actuelles et pour évaluer des stratégies découlant de la démarche participative. Cette approche systémique permet une meilleure prise de décision dans un contexte complexe et évolutif (Talanoa-Water France 2023).

## 1.3 Objectifs de l'étude

Pour répondre à notre problématique et aux objectifs du projet Talanoa, cette étude a trois principaux objectifs :

* Rassemblement et traitement des données du bassin versant de l'Aude :

La première étape du travail consiste à l'acquisition et au regroupement de tous les données climatiques, hydrologiques ainsi que les données sur l'utilisation de l'eau dans le bassin (prélèvements, lâchers des réservoirs, etc). L'analyse de ces données permettra d'avoir une connaissance plus approfondie sur les caractéristiques climatiques du territoire, l'état de la ressource en eau en son sein ainsi que les pressions exercées sur ces ressources à travers les usages de l'eau.

* Modélisation du bassin versant de l'Aude :

L'étape suivante consiste à l'élaboration et le calage d'un modèle hydrologique intégrée du bassin de l'Aude permettant l'intégration des différentes usages de l'eau au sein du bassin versant. Ceci est une étape préalable de quantification des ressources eau.

* Calcul des volumes prélevables :

L'exploitation du modèle ainsi élaboré permettra de calculer les volumes prélevables au niveau du bassin versant à l'état actuel et aussi dans les périodes futures en utilisant des projections climatiques. Ces volumes prélevables serviront comme base pour l'élaboration, en concertation avec les différents acteurs, des stratégies d'adaptation tenant compte de la disponibilité actuelle et future des ressources en eau.

## 1.4 Plan du rapport

Le présent rapport s'articule autour de trois grandes parties : l'état de l'art, la méthodologie suivie dans le cadre de l'étude et enfin la présentation et la discussion des résultats obtenus. L'état de l'art permet de présenter les connaissances trouvées dans la bibliographie par rapport à la problématique qui est posée. La méthodologie présente tout d'abord la zone étudiée, les outils utilisés pour la modélisation du bassin versant de l'Aude, la méthode appliquée pour le calcul des volumes des volumes prélevables et les données utilisées pour le calage du modèle et le forçage de ce dernier avec les projections climatiques. Les résultats de l'étude se concentre sur les résultats du calage du modèle ainsi que les évolutions possibles des volumes prélevables sur l'Aude jusqu'à la fin du siècle.
# 2 Etat de l'art

## 2.1 Etudes des volumes prélevables

L'évaluation des ressources en eau disponibles pour les usages est un aspect essentiel de la gestion de la ressource en eau. Ces études sont réalisées dans le cadre d'une gestion quantitative de la ressource en eau conformément à la Directive Cadre sur l'Eau (DCE) et la Loi sur l'Eau et les Milieux Aquatiques (LEMA) relatives à "la résorption des déficits quantitatifs en matière de prélèvement d'eau et de gestion collective des prélèvements d'irrigation". Ces directives prévoient que l'état doit évaluer les ressources en eau et les besoins en eau, et aussi garantir que les prélèvements d'eau ne perturbent pas les écosystèmes aquatiques (Barrazza et Molle 2022). Les méthodes utilisées pour les études des volumes prélevables ont été déclinées au sein du bassin Rhône Méditerranée à partir d'un cahier des charges spécifiques élaboré par l'Agence de l'Eau Rhône Méditerranée Corse (AERMC).

Les différentes phases de la méthodologie proposée sont illustrées par la figure 2.1 ci-dessous.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIGURE 2.1 – Déroulement et objectifs des études de volumes prélevables (Source : Barrazza et Molle (2022))</figcaption></figure>

La première phase correspond d'une part à une sectorisation par sous bassin versant adaptée au calcul des volumes prélevables et d'autre part à un état des lieux de l'hydrosystème permettant d'établir un pré-diagnostic des déséquilibres existants en termes de pénurie d'eau ou de conflit d'usage. La seconde phase consiste à effectuer un bilan des prélèvements existants afin de diposer d'une vision plus précise des prélèvements bruts et quantifier les prélèvements nets à l'échelle du bassin étudié. L'objectif de la troisième phase est d'estimer les ressources naturelles du bassin à travers la reconstitution des débits qui
seraient observées dans les cours d'eau en l'absence de prélèvements ou de rejets. L'évaluation des besoins du milieu naturel fait l'objet de la phase suivante par la détermination des débits minimums biologiques (DMB). Ce sont des débits moyens mensuels devant satisfaire, en période d'étiage, le fonctionnement biologique et environnementale de la zone concernée. La cinquième phase se base sur les étapes précédentes pour déterminer les volumes maximums prélevables dans le milieu en période d'étiage. Ces volumes maximums prélevables sont obtenus, par cumuls mensuels, par la différence entre les débits moyens mensuels naturels et les débits planchers d'étiage (ou débits minimums biologiques) satisfaisant le bon état à l'aval du bassin versant étudié [Figure 2.2]. Le volume prélevable est déterminé pour ne pas recourir aux dispositifs de gestion de crise plus de 2 années sur 10 en moyenne. Enfin, la sixième et dernière phase, qui reste facultative notamment en l'absence de structure porteuse (EPTB ou syndicat de rivières), doit permettre de proposer une répartition des volumes prélevables entre les différents usages. Cette répartition n'a pas vocation à être entérinée par le comité de pilotage de l'étude et doit être précisée par une proposition de l'Organisme Unique de Gestion Collective (OUGC) à qui sera confiée cette tâche. Cette sixième phase sert à préparer la phase de concertation entre les usagers à l'issue de cette étude, au travers d'un Plan de Gestion des Ressources en Eau (PGRE) par exemple.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>FIGURE 2.2 – Schématisation du volume prélevable (Source : BRL Ingénierie (2011))</figcaption></figure>

Les études des volumes prélevables ont montré que les ressources en eau sont limitées dans de nombreux bassins versants. C'est le cas notamment du bassin versant de l'Aude, à travers les résultats obtenus suite à l'étude de volumes prélevables effectuée sur le territoire par eaucéa en coordination avec le Syndicat Mixte des Milieux Aquatiques et des Rivières (SMMAR) en 2014. La comparaison entre les volumes prélevables calculés à partir des ressources naturalisées et les prélèvements a montré un déficit de 76 Mm³. Avec les soutiens d'étiage, ce déficit passe à 36 Mm³, constituant certes un soutien considérable mais qui reste toujours très important et souligne l'énorme pression subie par les ressources en eau de l'Aude.

Dans les années à venir, les études de calcul des volumes prélevables seront de plus en plus utilisées pour répondre aux défis environnementaux et climatiques.

## 2.2 Impact du changement climatique sur les ressources en eau

Les études d'impact du changement climatique sur les ressources en eau constituent une extension cruciale des études de calcul des volumes prélevables, car elles visent à anticiper comment les variations climatiques influencent la disponibilité, la distribution et la qualité de l'eau. Des études prospectives comme le projet "Explore 2070" à l'échelle du territoire français anticipent une diminution significative des débits d'étiage naturels pour une majorité de cours d'eau (Sébastien Chazot et al. 2012).

Le calcul de l'impact utilise une chaîne de modélisation partant d'un scénario d'émission de gaz à effet de serre, forçant
des modèles climatiques GCM/RCM fournissant, après une opération de descente d'échelle, des données météorologiques utilisées pour forcer des modèles de ressource en eau [2.3].

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>FIGURE 2.3 – Chaîne de modélisation suivie dans le cadre du projet explore 2070 (Source : S. Chazot et al. (2012))</figcaption></figure>

Cette chaîne de modélisation sert ensuite à calculer des indicateurs dont leur évolution servira à évaluer l'impact du changement climatique. Dans le cadre de notre étude ces indicateurs sont fournis par la méthodologie des études volumes prélevables (cf. Section 2.1).

## 2.3 Les modèles intégrés de ressources en eau

Les modèles de ressources en eau dits “intégrés” consistent en une approche novatrice et prometteuse pour évaluer et gérer les ressources hydriques de manière holistiques (Zomorodian et al. 2018). Les modèles intégrés sont devenus au fil des années plus complexes et sophistiqués et permettant d’intégrer de plus en plus de processus et de paramètres et donc s’ouvrant à des applications de plus en plus nombreuses et diverses telles que la planification et la gestion des ressources en eau ainsi l’évaluation des impacts du changement climatique sur les ressources en eau (Zomorodian et al. 2018). Ils exploitent une variété de données et d’informations, allant des données météorologiques et hydrologiques aux données socio-économiques et environnementales. Ils utilisent des techniques de modélisation avancées, telles que la modélisation hydrologique, la modélisation climatique, la modélisation économique et la modélisation des processus sociaux (Wang, Davies et Liu 2019). Ces modèles tiennent compte des interactions dynamiques entre les différentes composantes du système, ce qui leur permet d’évaluer l’impact de divers scénarios de gestion et de changement sur les ressources en eau. Les avantages des modèles intégrés sont nombreux. Ils permettent de mieux appréhender les effets complexes des interventions humaines et des changements environnementaux sur les ressources en eau, ce qui est crucial pour élaborer des politiques et des stratégies de gestion efficaces. De plus, ces modèles peuvent aider à identifier les synergies et les compromis entre les différents objectifs, tels que la satisfaction des besoins en eau potable, l’irrigation agricole, la production d’énergie hydroélectrique et la préservation des écosystèmes aquatiques (Badham et al. 2019).

## 2.4 Les modèles hydrologiques

### 2.4.1 Les différentes catégories de modèles hydrologiques

Hrachowitz et Clark (2017) ont présenté une classification selon trois catégories principales :

* Les modèles empiriques : reliant les entrées et les sorties observés des bassins versants à partir de relation statistiques non linéaires. Ils sont appelés “boîte-noire” car ils ne décrivent pas les processus de la relation pluie-débit;
* Les modèles à base physique : tentant de représenter explicitement le plus de processus possible de la relation pluiedébit, tout en respectant les lois de conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement;

* Les modèles conceptuels : moins complexe que les modèles physiques, sont souvent utilisés pour simuler le comportement des bassins versant en les représentant sous forme de succession de réservoirs reliés entre eux par des fonctions de transfert.

Les modèles hydrologiques peuvent aussi être classifiés selon leur distribution spatiale :

* Les modèles globaux : ils représentent le fonctionnement hydrologique du bassin versant de manière homogène, sans tenir en compte la variabilité spatiale des paramètres et la répartition des débits internes au sein du bassin versant;

* Les modèles distribués : ils découpent les bassins versant en mailles fines, prenant en compte la variabilité spatiale des paramètres du bassin versant et les données météorologiques;

* Les modèles semi-distribués : ils proposent une approche intermédiaire entre les deux modèles précédents, en découpant le bassin versant selon des sous-bassins versant.

Les modèles peuvent aussi trouver sous différents pas de temps (horaire, journalier, mensuel et annuel) dépendamment de l'objectif de l'étude effectué.

Les modèles fondés sur des bases physiques se caractérisent par leur voracité en données et leur complexité de calibration. Les modèles empiriques, qui délaissent toute assise physique, ne garantissent pas nécessairement une performance cohérente sous des climats autres que celui servant à leur ajustement initial. Par conséquent, les modèles conceptuels s'imposent comme une alternative pertinente.

En ce qui concerne la distribution spatiale, le modèle global se révèle insuffisant pour incorporer de manière explicite les interactions et les transferts intra et inter-bassins. Un modèle distribué nécessite une finesse de maillage géographique qui n'est pas nécessaire pour notre étude, alors que le modèle semi-distribué permet de tailler les mailles à l'échelle de nos besoins et correspondra mieux à nos exigences.

## 2.4.2 Les modèles GR

Les modèles GR sont des modèles hydrologiques conceptuels globaux développés par le Cemagref (actuellement INRAE) depuis le début des années 1980 (Coron et al. 2017). Ces modèles simulent les débits à l'exutoire d'un bassin versant en fonction des lames d'eau précipitées et évapotranspirée (Michel 1983).

Plusieurs déclinaisons existent selon (i) le nombre de paramètre pris en compte par le modèle et (ii) le pas de temps considéré (Coron et al. 2017). Par exemple, le modèle GR4J (Génie Rural à 4 paramètres Journalier) (Perrin, Michel et Andréassian 2003) est comme indiqué dans sa dénomination un modèle pluie-débit global à 4 paramètres dont la structure est schématisée à la figure 2.4 :

* X1 : capacité du réservoir de production [mm]

* X2 : coefficient d'échanges souterrains [mm]

* X3 : capacité à un jour du réservoir de routage [mm]

* X4 : temps de base de l'hydrogramme unitaire HU1 [j]

Les modèles GR aux pas de temps horaires et journaliers peuvent être combinés au module CemaNeige élaboré par Valéry (2020) permettant la décomposition des précipitations en précipitation liquide et solide en fonction de la température de l'air et l'altitude de la zone étudiée. Le module compte deux paramètres à caler dont :

* $C_{TG}$ : coefficient de pondération de l'état thermique du manteau [-]
<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>FIGURE 2.4 – Structure du modèle GR4J (Source : Perrin, Michel et Andréassian (2003))</figcaption></figure>

* $K_f$ : facteur degré-jour [$mm.C^{-1}.j^{-1}$]

De nombreuses études comparatives ont été effectuées pour une analyse comparative des performances des modèles GR (GR4J) avec d'autres outils de modélisation comme TOPMODEL (Astagneau 2019). Les résultats ont montré que le modèle GR4J présente un certain nombre d'avantages à la fois en termes de fiabilité et de robustesse pour l'application dans des scénarios diverses et extrêmes, mais aussi en termes de simplicité de prise en main et de facilité d'accès les rendant accessibles pour un large gamme d'utilisateurs (experts ou non). Les modèles GR sont implémentés dans le langage R via "la galaxie des packages airGR" (Olivier Delaigue, David Dorchies et Guillaume Thirel 2022) qui comprend le package airGRiwrm permettant de créer des modèles semi-distribués intégrant les influences anthropiques ce qui devrait permettre de répondre aux besoins de l'étude.
# 3 Méthodologie générale

Dans cette partie nous présentons la zone d'étude qui est le bassin de l'Aude et abordons la méthodologie suivie dans le cadre de l'étude.

## 3.1 Présentation de la zone d'étude

* Localisation

Le bassin de l'Aude est un bassin versant situé dans le sud de la France. Il couvre une superficie de 6 074 km² et s'étend sur six départements : les Pyrénées-Orientales, l'Aude, l'Ariège, la Haute-Garonne, le Tarn et l'Hérault [Figure 3.1]. Bien que dans le cadre du projet TALANOA le cas d'étude français se focalise sur la territoire de l'Aude médiane et aval, nous considérons dans cette étude l'intégralité du bassin versant.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>FIGURE 3.1 – Localisation du bassin versant de l'Aude, de la Berre et du Rieu (Source : eaucéa (2013))</figcaption></figure>

* Caractéristiques topographiques et réseaux hydrographiques

La figure 3.2 montre que le relief du bassin versant de l'Aude est organisé autour de deux grands massifs montagneux : la Montagne Noire au nord et les Pyrénées au sud. La zone littorale est très plane, à l'exception du massif de la Clape et des Corbières, qui témoignent de son passé deltaïque. A l'ouest, le Lauragais est une zone de transition entre les versants méditerranéens et atlantiques.
<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>FIGURE 3.2 – Topographie du bassin de l'Aude, de la Berre et du Rieu (Source : eaucéa (2013))</figcaption></figure>

Le fleuve Aude prend sa source dans le massif du Carlit, à 2135 m d'altitude et parcourt 220 km avant de rejoindre la Médi-terranée. Ses principaux affluents de l'amont vers l'aval sont la Bruyante, le Rebenty, la Sals, le Sou, le Lauquet, le Fresquel, l'Orbiel, l'Orbieu, l'Argent Double. La figure 3.3 nous montrent l'important réseau hydrographique du bassin versant.

• Contexte climatique et pluviométrie

Le bassin de l'Aude a un climat de type méditerranéen. Cependant, à l'échelle du bassin versant le climat est très diversifié avec un climat plutôt arrosé dans les montagnes et sec sur la basse valée et le littoral. La figure 3.4 ci-dessous illustre les précipitations moyennes de la zone sur la période 1981-2010. La pluviométrie moyenne interannuelle varie de moins de 500 mm pour les basses plaines de l'Aude à plus de 1000 mm sur les hauts reliefs.

• Contexte agricole

L'agriculture occupe une place importante sur le territoire de l'Aude surtout dans l'Aude médiane et aval. En effet, plus de 2/3 de la superficie de l'Aude médiane et aval sont agricoles dont 27000 hectares irriguées [Figure 3.5]. Adaptée à ces territoires, l'agriculture audoise est majoritairement viticole avec 64 000 hectares de vignes en production [Figure 3.5] qui s'étendent sur les massifs des Corbières et du Minervois, sur les plaines narbonnaises et du Carcassès et sur les coteaux du Razès et du Limouxin. À l'Ouest de Carcassonne, l'agriculture devient mixte puis laisse progressivement la place aux grandes cultures dans le Lauragais. L'élevage allaitant extensif est majoritaire sur le Pays de Sault, l'ouest des Corbières et de la Montagne noire.

• Contexte hydraulique

La spécificité de ce territoire réside aussi dans son caractère fortement anthropisé à travers la présence de nombreux réservoirs, des prélèvements conséquents mais aussi de nombreux canaux (le canal du Midi qui le traverse d'Ouest en Est, le canal de Jonction et le canal de la Robine) [Figure 3.6].
<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>FIGURE 3.3 – Réseau hydrographique détaillé du bassin de l'Aude, de la Berre et du Rieu (Source : eaucéa (2013))</figcaption></figure>

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>FIGURE 3.4 – Précipitations moyennes sur la période 1981-2010 (Source : eaucéa (2013))</figcaption></figure>
<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>FIGURE 3.5 – Répartition de la SAU total et de la SAU irriguée sur l’Aude médiane et aval (Source : COPIL Talanoa, 2022)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>FIGURE 3.6 – Schéma hydraulique du bassin versant de l’Aude (Source : eaucéa (2013))</figcaption></figure>
## 3.2 Modélisation du bassin versant de l'Aude

### 3.2.1 Modèle intégré : airgriwrm

Le package **R airGR** (Coron et al. 2017) est un package open source développés par l'équipe HYDRO de l'INRAE-HYCAR qui incorpore des outils de modélisation hydrologique. Le package inclue les modèles hydrologiques GR sur différents pas de temps (horaire, journalier, mensuel et annuel) ainsi qu'un modèle d'accumulation et de fonte des neiges (CemaNeige), des fonctions de calage et d'optimisation des paramètres du modèle, des fonctions d'évaluation des performances du modèle et d'extraction des résultats (graphiques, indicateurs, etc.) [Figure 3.7].

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>FIGURE 3.7 – Composantes du package airGR (Source : D. Dorchies, O. Delaigue et G. Thirel (2021))</figcaption></figure>

Bien qu'étant initialement conçu comme un modèle hydrologique global, l'INRAE développe depuis quelques années des versions semi-distribuées des modèles GR a des fins de prévisions et de gestion de la ressource en eau à l'échelle du bassin versant (Munier 2009; Lobligeois 2014; de Lavenne et al. 2019).

Le package **airGRiwrm** est une extension du package **R airGR** développé par D. Dorchies, O. Delaigue et G. Thirel (2021) qui systématise l'utilisation des fonctionnalités de airGR de manière semi-distribuée grâce à un ensemble de nouvelles fonctions permettant de mettre en place un réseau de modèles [Figure 3.8]. Le package permet aussi l'intégration des prélèvements et des rejets d'eau dans le bassin versant (ajout et retrait d'eau). Ainsi, nous devons déterminer ces influences anthropiques tels que les prélèvements, les réservoirs ainsi que d'autres transferts au niveau du bassin versant (Guillaume Thirel et al. 2022).

La figure [3.9] ci-dessous illustre le modèle hydrologique intégré qui a été élaboré pour le bassin versant de l'Aude. On distingue 3 grandes composantes : le modèle hydrologique (GR4J + CemaNeige), les réservoirs et tout transfert d'eau au niveau du bassin.
<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>FIGURE 3.8 – Structure du package airGRiwrm (Source : D. Dorchies, O. Delaigue et G. Thirel (2021))</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>FIGURE 3.9 – Représentation du modèle intégré du bassin de l'Aude (Source : Dorchies et al., 2022)</figcaption></figure>
### 3.2.2 Découpage du bassin versant : les points d'intérêt

Les mailles du modèle semi-distribué représentent des sous-bassins versants délimités à partir de points d'intérêts constituant l'exutoire de chaque sous-bassin. Ces points d'intérêts sont situés sur des points où on souhaite connaître le débit simulé, ou des points où des conditions limites du modèle sont appliquées pour intégrer les influences humaines.

* **Les stations hydrométriques :**

Les stations hydrométriques présentent sur le bassins seront donc les premiers points d'intérêts utilisés pour découper le bassin versant. En effet, le calage des paramètres des modèles GR se fait par comparaison des débits simulés et observés sur le cours d'eau. Les stations de mesure de débits ont été identifiées à partir de la base de données Hub'Eau et de son API "Hydrométrie" (Hydrométrie | Hubeau 2023) ou de la base de données HydroPortail (SCHAPI - HydroPortail 2023). A partir de cette identification, il est possible de récolter grâce à la même API Hub'Eau les caractéristiques de l'ensemble des 39 stations hydrométriques sur la zone d'étude [Voir Annexe].

* **Les barrages :**

De nombreux réservoirs artificiels sont présents sur le bassin de l'Aude assurant différents usages tels que le soutien d'étiage, alimentation des canaux pour la navigation, compensation des prélèvements agricoles, production hydroélectrique, activités de loisirs ou encore stockage pour la fourniture en eau potable. Pour cette étude, seuls les réservoirs faisant de la gestion sont retenus, tout en sachant qu'ils correspondent aussi aux plus gros volumes stockés. 12 barrages sont recensés à partir de la base du comité français des barrages et réservoirs [Voir Annexe].

* **Le canal du Midi, de Jonction et de la Robine :**

De nombreux canaux sont présents dans le bassin de l'Aude dont le canal du Midi, le canal de Jonction et canal de la Robine de longueur 239, 5.1 et 31.5 km respectivement. Gérés par VNF, ces canaux ont pour usage principal la navigation permettant aux bateaux (surtout touristiques) d'y naviguer mais y transite aussi de l'eau à usage agricole qui sera prélevée le long des canaux plus en aval. L'alimentation du canal de Midi est assurée par les ressources du système de la Montagne Noire mais aussi par des prélèvements en rivières (Aude, Cesse, ...) (BRL Ingénierie 2022). Actuellement, 5 prises d'eau à destination du Canal de Midi, de Jonction et de la Robine sont en activité parmi 6 recensées dont 3 prises pour le canal de Midi au niveau du seuil de Naurouze (rigole de la montagne), Villedubert (Aude) et Mirepeisset (Cesse), la prise pour le canal de Jonction depuis le canal du Midi à Sallèles et la prise pour le canal de la Robine sur l'Aude à Moussoulens.

La figure 3.10 ci-dessous illustre l'ensemble des points d'intérêts cités précédemment. Notons que certains réservoirs et stations hydrométriques sont situés en dehors du bassin car ils influent sur l'hydrologie du bassin versant via des transferts inter-bassins. Ce découpage sera la base de la modélisation hydrologique semi-distribuée du bassin versant de l'Aude.

### 3.2.3 Représentation du modèle

Le package airGRiwrm utilise une représentation des connexions amont-aval entre les différents points d'intérêt formant le modèle semi-distribué. La figure 3.11 illustre le réseau griwrm du bassin de l'Aude. Chaque "boîte" représente un point d'intérêt (station hydrométrique, réservoir, diversion, prise d'eau, entrée/sortie d'un bief des canaux, entrée d'un réservoir), et peut être jaugée ou non. Pour plus de simplicité, dans cette étude nous considérons les réservoirs gérés par EDF comme une seule et même entité. Afin de pouvoir intégrer toutes les influences, des "boîtes" supplémentaires sont rajoutées l'object griwrm. Cela peut être une dérivation ou une injection directe au niveau d'un nœud du réseau dans le cas où une dérivation est déjà existante. C'est le cas notamment au niveau du seuil de Naurouze avec la réalimentation de Ganguise par la station de pompage, ainsi que le prélèvement des sous bassins sur les prises du canal du Midi (Villedubert et Cesse) et de la Robine.
<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>FIGURE 3.10 – Points d’intérêts de la zone d’étude et découpage du bassin versant</figcaption></figure>
<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>FIGURE 3.11 – Représentation du modèle griwrm influencé du bassin de l'Aude</figcaption></figure>
## 3.3 Jeu de données

Les données nécessaires dans le cadre de cette étude sont multiples. Pour le modèle hydrologique, nous avons besoin des données climatiques (précipitation, évapotranspiration, température) et topographiques. Les observations des stations hydrométriques sont nécessaires pour le calage du modèle. Les influences humaines doivent aussi être intégrés dans le modèle que ce soit les prélèvements, les lâchers des réservoirs ainsi que tout autre transfert d'eau au niveau du bassin versant. Notons que toutes ces données doivent être inséré dans le modèle au pas de temps journalier, étant donné que nous travaillons au pas de temps journalier (modèle GR4J). Certains données sont directement disponibles au format approprié, d'autres nécessiteront des transformations avant de pouvoir les intégrer dans le modèle. Et pour les données non disponibles, nous procédons par une reconstitution des chroniques à partir de la bibliographie.

### 3.3.1 Données SAFRAN

Les données climatiques utilisées proviennent de la base de données SAFRAN (Système d'Analyse Fournissant des Renseignements Atmosphériques à la Neige) de Météo-France. Ces données sont issues du croisement entre les résultats d'un modèle météorologique agrégé par maille de 8 kilomètres [Figure 3.12] couvrant toute la métropole (Vidal et al. 2010). Pour chaque sous bassin découpé nous déterminons les cellules qui s'y superposent et dans quelle proportion afin de calculer les données météorologiques agrégées à cette échelle. Parmi les paramètres fourni par la base de données, nous pouvons trouver les précipitations et les températures au sol au pas de temps journalier, ainsi que les évapotranspirations potentielles calculées avec la formule d'Oudin (Oudin et al. 2005) au pas de temps journalier sur la période 1958-2021.

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>FIGURE 3.12 – Superposition des grilles SAFRAN au bassin de l'Aude</figcaption></figure>

### 3.3.2 Données Hydroportail

Les chroniques de débit moyen journalier mesurées au niveau des stations hydrométriques recensées sont extraites en utilisant l'API HydroPortail. On observe une grande période de disponibilité de données (depuis 1920 à Belvianes) [Voir Annexe] et la grande majorité des stations ont des observations sur 20 ans [Figure 3.13].

Certaines mesures des stations ne sont cependant pas fiable. Selon Stucky (2009a), les observations sont douteuses en période d'étiage sur les stations de Limoux, Puichéric, Ventenac-en-Minervois et Saint-Marcel sur Aude. C'est aussi le cas pour la
<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>FIGURE 3.13 – Nombre de stations par nombre d'années de données disponibles</figcaption></figure>

station de Moussoulens lors de très hautes eaux ainsi que pour des débits de l'ordre de 1.5 m3/s (débit maximal de la passe à poisson) à 5 m3/s (Cluzel, 2023) [Figure 3.14]. Les observations au niveau de ces stations ne seront donc pas utilisées pour le calage du modèle.

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>FIGURE 3.14 – Fiabilité des stations hydrométriques</figcaption></figure>

### 3.3.3 Prélèvements

Nous disposons de déclarations annuelles des volumes prélevés effectuées par chaque préleveur auprès de l'Agence de l'Eau Rhône Méditerranée Corse (AERMC) (de 2010 à 2020) et de la Direction Départementale des Territoires et des Mers (DDTM) (de 2018 à 2021). Afin de disposer d'une base de données plus complète, nous avons procédé au regroupement des deux bases de données [3.15]. Toutefois, en l'absence d'identifiants communs aux deux, une méthodologie a été élaborée pour identifier les enregistrements communs dans chacune des bases de données et ceux qui sont distincts. Un premier rapprochement est
effectué en se basant sur la dénomination des déclarants ainsi que sur la proximité des localisations indiqués dans chacune des deux bases de données. Puis un score est associé à chaque couple de préleveurs DDTM-AERMC permettant de retrouver les correspondances entre les deux bases de données (score élevée). Une revérification manuelle a été effectuée pour valider des correspondances non sorties par les résultats ou inversement d'exclure les fausses correspondances. De nombreux usages sont déclarés, mais nous pouvons les regrouper en 5 catégories : Eau potable (AEP), Irrigation (IRR), Industrie (IND), Lutte contre le gel/sel (EXO) ainsi que la navigation (VNF).

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>FIGURE 3.15 – Méthodologie simplifiée du regroupement des deux bases de données de l'AERMC et la DDTM</figcaption></figure>

Les déclarations étant des volumes annuels prélevés, un traitement préalable de notre base de données est nécessaire afin de pouvoir l'intégrer dans notre modèle. Ces volumes annuels sont tout d'abord désagrégés au pas de mensuels selon leurs usages. En effet, les prélèvements ne se font pas d'une manière uniforme au cours de l'année et encore moins selon les usages pour lesquels ils sont prélevés. Le calcul des ratios de distributions des prélèvements pour l'eau potable (AEP) se base sur les prélèvements mensuels moyens pour les villes de Carcassonne et Narbonne, constituant les principaux prélèvements pour l'alimentation en eau potable (AEP) dans le bassin de l'Aude (Stucky 2009b). L'Association Syndicale Autorisée (ASA) de Marseillelette est l'ASA pour laquelle les prélèvements déclarés sont les plus importants. Nous disposons des moyennes des prélèvements mensuels entre 2004 et 2008 qui nous servira de base pour le calcul des ratios mensuels de tous les prélèvements pour l'irrigation (Stucky 2009b). Pour les usages industriels et éxonérés (submersion hivernale, lutte contre le sel, ...) nous avons considérés une distribution uniforme le long de l'année à l'exception des usages éxonérés qui se concentrent entre novembre et mai (hors étiage). La distribution mensuelle pour ces différents usages est représentée sur la figure 3.16 ci-dessous.

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>FIGURE 3.16 – Répartition mensuelle des prélèvements selon les usages</figcaption></figure>
Enfin, après l'obtention des volumes mensuels par préleveurs, nous les aggrégeons par sous bassin suivi de la désagrégation au pas de temps journalier en lissant les volumes mensuels sur le nombre de jours du mois considéré. Cela nous donnera les chroniques journaliers des prélèvements effectués au niveau de chaque sous bassin qui sera intégré par la suite dans le modèle.

### 3.3.4 Prélèvements pour le canal de Midi, de Jonction et de la Robine

En plus des déclarations à l'agence de l'eau des volumes prélevés par VNF, la bibliographie est assez riche en terme de données sur les prélèvements pour le canal du Midi, de Jonction et de la Robine (Stucky 2009b; eaucéa 2013; BRL Ingénierie 2022). VNF prélève un volume important pour l'alimentation de ces canaux, mais ces volumes ne sont pas uniquement destinés à la navigation. En effet, de nombreux prélèvements sont effectuées sur le canal du Midi et sert donc aussi de transport d'eau destiné à l'irrigation. La figure 3.17 présente les volumes prélevés par VNF au niveau des différents prises.

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>FIGURE 3.17 – Volume prélevé par VNF entre 2012 et 2020</figcaption></figure>

Ces débits moyens prélevés au niveau de chaque prise serviront, comme pour les prélèvements vus précédemment, à la désagrégation des volumes prélevés au pas de temps journalier [Figure 3.18]. Notons qu'au niveau du seuil de Naurouze, une fraction des débits prélevés (1/3 selon eaucéa (2013) et plutôt 1/4 selon les données fournies par BRL Ingénierie (2022)) partent dans la direction de Toulouse sur le versant Atlantique du canal du Midi. Nous retiendrons comme hypothèse la fraction proposée par BRL qui constitue ici la source la plus fiable et nous estimerons faute de mieux que cette fraction n'évolue pas dans le temps.

### 3.3.5 Gestion des réservoirs

La figure 3.19 présente l'état de disponiblité des données des réservoirs.

Sur les 8 réservoirs de notre zone d'étude, nous ne disposons de données de gestion quasi-complètes que sur les réservoirs de Ganguise et de Laprade gérés par BRL (apports, lâchers, volume de la retenue, ...). Les données sont disponibles sur la période 1996-2023. La figure 3.20 nous montre les chroniques fournies par BRL pour le barrage de Ganguise pour l'année 2020 comprenant les volumes entrants et sortants du réservoir. Comme apport nous trouvons les apports naturels du bassin versant, l'alimentation de la retenue du réservoir par le barrage de Montbel à travers l'Adducteur Hers Lauragais (AHL) et la réalimentation du barrage depuis la rigole de la Montagne via la station de pompage de Naurouze. La retenue de Ganguise
<figure><img src="image_30.png" /></figure>

FIGURE 3.18 – Débits moyens mensuels prélevés par VNF (Synthèse des sources : Stucky (2009b); eaucéa (2013); BRL Ingénierie (2022))

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

FIGURE 3.19 – Disponibilité des données de gestion des réservoirs
est alimentée principalement depuis Montbel. Les apports du bassin versant et la réalimentation depuis Naurouze étant très minimes.

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>FIGURE 3.20 – Chroniques des apports et lâchers du barrage de Ganguise de l'année 2020</figcaption></figure>

Pour les réservoirs gérés par EDF, une convention avec l'INRAE a été signée nous permettant d'obtenir les débits naturels reconstitués et les débits observés depuis 2001 à Axat [Figure 3.21], une station hydrométrique exploitée par EDF située en aval du système des réservoirs de EDF et point de contrôle des débits dans le cadre de la convention Matemale signée en 1957. Nous construisons donc les chroniques de lâchers des réservoirs à partir de ces données.

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>FIGURE 3.21 – Lâchers moyens entre 2003 et 2023 des réservoirs EDF à partir des débits naturels reconstitués et débits observés</figcaption></figure>

Pour les barrages restant, nous ne disposons d'aucunes données des gestionnaires. Les chroniques d'apports et de lâchers seront construites à partir de la bibliographie moyennant des hypothèses. Pour le barrage de Galaube par exemple, nous avons retrouvé dans la bibliographie les allocations annuels des volumes devant être assuré par le réservoir pour chaque usage [Tableau 3.1. Selon les types d'usage, nous appliquons les ratios correspondant pour déterminer la distribution de ces volumes
<table><caption>TABLE 3.1 – Volume sortant du barrage de Galaube (Institution des Eaux de la Montagne Noire 2013)</caption><thead><tr><td>Usages</td><td>Volume</td></tr></thead><tbody><tr><td>AEP</td><td>4 Mm3/an</td></tr><tr><td>IRR</td><td>26 Mm3/an</td></tr><tr><td>VNF</td><td>9 Mm3/an</td></tr><tr><td>Autres</td><td>0.9 Mm3/an</td></tr><tr><td>Débit réservé rivière</td><td>6 000 m3/j</td></tr></tbody></table>

au cours de l'année.

## 3.4 Calage du modèle hydrologique

Nous avons choisi la période 2000-2021 pour le calage de notre modèle. En effet, nous sommes contraint pas l'insuffisance des données plus antérieures sur les influences bien que les données climatiques (SAFRAN) et hydrologique (Hydroportail) sont disponibles sur une période de temps plus vaste.

### 3.4.1 Critère d'évaluation

Le calage d'un modèle permet l'ajustement de ses paramètres aux spécificités du site, dans notre cas aux spécificités de chaque station hydrologique. Il s'agit donc de déterminer les valeurs de ses paramètres (X1 à X4 dans le cadre de GR4J et les deux paramètres du module CemaNeige) lui permettant d'obtenir les meilleures performances selon le critère adopté, au regard de débits observés. Le paramètre choisi pour le calage du modèle est le KGE' (modified Kling-Gupta Efficiency) (Kling, Fuchs et Paulin 2012), un critère composite contenant une régularisation des paramètres telle que définie par de Lavenne et al. (2019) qui ajoute une information a priori sur les jeux de paramètres optimaux pour chaque sous bassin du modèle.

$$KGE' = 1 - \sqrt{(r - 1)^2 + (\gamma - 1)^2 + (\beta - 1)^2}$$

Avec :

* r : rapport entre les variances des débits simulés et observés

* α : biais du modèle

* β : coefficient de corrélation entre les débits observés et simulés.

L'objectif est alors de minimiser la distance euclidienne (la faire tendre vers 0) afin de maximiser le KGE' (le faire tendre vers 1, la meilleure valeur de performance possible) tout minimisant les dérives par rapport aux jeux de paramètres a priori. Afin de donner un poids relativement équivalent aux erreurs commises sur les forts et faibles débits, nous avons choisi d'utiliser une transformation de type racine carrée sur les séries temporelles des débits observés et simulés (Santos, G. Thirel et Perrin 2018).

### 3.4.2 Cas des sous bassins non jaugés

Pour les sous bassins ne disposant pas d'observation ou ayant des valeurs douteuses, nous les déclarons dans le modèle comme étant non jaugés (Ungauged). Pour le calage le modèle cherchera la première station jaugée rencontrée à l'aval pour transmettre les paramètres au sous bassin non jaugé à l'exception du paramètre X4. Ce paramètre, dépendant de la superficie du bassin versant doit faire l'objet d'une transformation selon la formule ci-dessous (Lobligeois 2014).
$$X 4_i = \left( \frac{(S_{BV})_i}{(S_{BV})_{ref}} \right)^{0.3} * X 4_{ref}$$

## 3.5 Calcul des volumes prélevables

Pour notre étude, la méthode adoptée pour le calcul des volumes prélevables est la déclinaison régionale pour Languedoc-Roussillon des méthodologies produites par le groupe de bassin Rhône-Méditerranée (note de bassin du 17 novembre 2011) (eaucéa 2014). Le principe de base consiste à considérer l'écart entre les débits naturels reconstitués et les débits biologiques majorés par un maximum prélevable et moyennant certaines hypothèses :

* le volume total potentiellement prélevable sur l'ensemble du bassin est déterminé à son exutoire;

* ce volume doit être assuré 8 années sur 10, nécessitant de raisonner sur l'hydrologie quinquennale sèche;

* les volumes potentiellement prélevables sont déterminées au pas de temps mensuel.

### 3.5.1 Naturalisation des débits

Bien qu'il y ait différentes méthodes disponibles (Terrier et al. 2021), nous avons opté pour la méthode par simulation. En effet, l'avantage des modèles intégrés permet l'intégration ou non des influences anthropiques dans la modélisation hydrologique pluie-débit. L'approche consiste à effectuer une simulation en utilisant les paramètres calibrés du modèle tout en éliminant les influences humaines (prélèvements, réservoirs, ...).

### 3.5.2 Calcul des QMNA5

Le débit (Q) mensuel (M) minimum (N) annuel (A) est la valeur du débit moyen mensuel d'étiage atteint par un cours d'eau pour une année donnée. Pouvant être calculé pour différentes périodes de retour (2 ans, 5 ans, ...), il permet d'apprécier statistiquement le plus petit écoulement d'un cours d'eau sur une période donnée.

Le QMNA5 est le débit mensuel minimal ayant la probabilité de non dépassement de 1/5, c'est à dire qui ne se produit en moyenne qu'une année sur cinq, ou qui peut être assuré huit années sur dix comme énoncé dans les hypothèses.

### 3.5.3 Calcul des débits maximums prélevables

La formule pour le calcul des débits maximums prélevables sont présentés dans eaucéa (2014). Les débits potentiellement prélevables peuvent être calculés par la différence entre les débits naturalisés et le débit biologique à Moussoulens, ne pouvant excéder le maximum prélevable du mois considéré défini par la formule ci-dessous :

$$Q_{max,i} = max(0, Q_{MNA5,i} - Q_{bio})$$

Avec :

* $Q_{max,i}$ : débit maximal prélevable au mois i [m3/s];

* $Q_{MNA5,i}$ : débit quinquennal sec du mois i [m3/s];

* $Q_{bio}$ : débit biologique à Mousoulens égal à 4.1 m3/s (eaucéa 2014; DDTM 2023).
## 3.6 Simulation des projections climatiques

La modèle mis en place ainsi que la méthodologie de calage et de calcul des volumes prélevables, l'étude de l'impact du changement climatique sur les volumes prélevables futurs passent à travers le forçage du modèle avec des projections climatiques. Ces projections climatiques se traduisent par des chroniques de données climatiques utilisées en entrée du modèle pour simuler des débits naturalisés servant au calcul des volumes prélevables.

### 3.6.1 Données DRIAS-2020

Les données DRIAS-2020 sont constituées de 42 simulations climatiques : 12 simulations sur la période historique (1971 - 2005) ainsi que 12, 10 et 8 simulations sur la période future (2006 - 2100) pour les trajectoires représentatives de concentration (RCP) 8.5, 4.5 et 2.6 respectivement. Les simulations sont réalisées à partir de modèles de climat régionaux (RCM) mis en oeuvre à une résolution de 0.11° (EUR11, environ 12 km) sur un même domaine couvrant l'Europe. Elles sont contrôlées à leurs bords par des modèles de climat globaux (GCM) du programme CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5). Finalement, les données sont projetées sur une grille de 8 km de résolution, et corrigées de leur biais par la méthode ADAMONT (Verfaillie et al. 2017) étendue sur la France (mis en oeuvre par Météo-France) à partir de l'analyse de données d'observation SAFRAN (Vidal et al. 2010) [Figure 3.22].

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>FIGURE 3.22 – Etapes de descente d'échelle depuis la modélisation globale à régionale jusqu'à la désagrégation aux petites échelles spatiales (Source : DRIAS, Les Futurs Du Climat - Accompagnement (2023))</figcaption></figure>

Nous avons considéré pour cette étude 11 projections climatiques issues du jeu de données DRIAS-2020 complétées par d'autres projections prises en compte dans le cadre du projet Explore2 (Strohmenger, Sauquet et G. Thirel 2022) [Tableau 3.2].

<table><caption>TABLE 3.2 – Projections utilisés pour l'évaluation de l'impact du changement climatique</caption><thead><tr><td>GCM</td><td>RCM</td></tr></thead><tbody><tr><td>CNRM-CERFACS-CNRM-CM5</td><td>CNRM-ALADIN63</td></tr><tr><td>CNRM-CERFACS-CNRM-CM5</td><td>KNMI-RACMO22E</td></tr><tr><td>ICHEC-EC-EARTH</td><td>KNMI-RACMO22E</td></tr><tr><td>ICHEC-EC-EARTH</td><td>SMHI-RCA4</td></tr><tr><td>IPSL-IPSL-CM5A-MR</td><td>IPSL-WRF381P</td></tr><tr><td>IPSL-IPSL-CM5A-MR</td><td>SMHI-RCA4</td></tr><tr><td>MOHC-HadGEM2-ES</td><td>CLMcom-CCLM4-8-17</td></tr><tr><td>MPI-M-MPI-ESM-LR</td><td>CLMcom-CCLM4-8-17</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>GCM</td><td>RCM</td></tr></thead><tbody><tr><td>MPI-M-MPI-ESM-LR</td><td>MPI-CSC-REMO2009</td></tr><tr><td>NCC-NorESM1-M</td><td>DMI-HIRHAM5</td></tr><tr><td>NCC-NorESM1-M</td><td>GERICS-REMO2015</td></tr></tbody></table>

### 3.6.2 Forçages climatiques

Les 11 scénarios présentés précédemment seront forcés par deux scénarios de forçage radiatif ( Representative Concentration Pathwau ou RCP) : les RCP 4.5 et 8.5. Le RCP 4.5 correspond à un scénario d'atténuation avec un pic d'émission en 2040, tandis que le RCP 8.5 correspond à un scénario "sans politique d'atténuation" avec une utilisation massive et continue des combustibles fossiles (Moss et al. 2010). Ces deux scénarios sont les plus probables si l'on considère la trajectoire actuelle des émissions [@]. La figure 3.23 ci-dessous présente l'évolution des émissions de gaz à effets de serre (GES) à l'horizon 2050 pour différents RCP.

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>FIGURE 3.23 – Emissions mondiales de CO2 provenant des combustibles fossiles (à gauche) et émissions totales provement des combustibles fossiles et de l'utilisation des terres (à droite) (Crédit : Glen Peters)</figcaption></figure>

Récemment, un débat a eu lieu sur l'opportunité de continuer à utiliser le RCP 8.5 dans les études prospectives, en raison de sa faible probabilité d'occurrence (Ritchie et Dowlatabadi 2017). Cependant, Schwalm, Glendon et Duffy (2020) affirment que non seulement les émissions prévues dans le RCP 8.5 sont en accord étroit avec les émissions historiques totales cumulées de CO2 (à 1 % près), mais que le RCP 8.5 est également la meilleure correspondance jusqu'au milieu du siècle dans le cadre des politiques actuelles et déclarées, avec des niveaux d'émissions de CO2 encore très plausibles en 2100.

### 3.6.3 Périodes considérées

Nous nous basons sur les périodes défini par le projet DRIAS-2020 pour l'évaluation des impacts du changement climatique sur les ressources en eau du bassin :

* période de référence (1976 - 2005) : il s'agit d'une période standard de 30 ans du passé récent correspondant à la période de 30 ans la plus récente possible dans les simulations historiques et à la référence actuelle utilisée dans le portail DRIAS;

* futur à court terme (2021 - 2050);

* futur à moyen terme (2041 - 2070);

* futur à long terme (2071 - 2100).
# 4 Résultats et discussions

Dans ce chapitre, nous présenterons et discuterons des résultats obtenus dans tout au long de l'étude. Nous commencerons par l'analyse des jeux de données existantes, puis l'évaluation des performances du calage du modèle, le calcul des volumes prélevables sur la période historique et nous terminons par l'évaluation de l'impact du changement climatique sur les volumes prélevables.

## 4.1 Analyse des jeux de données

### 4.1.1 Données topographiques et climatiques

La figure 4.1 présente avec les altitudes médianes les moyennes annuelles des précipitations et évapotranspirations ainsi que les moyennes journalières de température des sous bassins. On constate bien la diversité du climat du bassin versant de l'Aude. Les précipitations sont les plus importantes en zones montagneuses (Pyrénées et Montagne Noire) où on observe des précipitations de l'ordre de 1100 à 1200 mm/an. Par contre, en aval du bassin versant les précipitations sont relativement faibles allant de 600 à 700 mm soit quasiment la moitié de ce qui est précipitée dans les montagnes. Les températures sont quant à elles plus élevées en aval du bassin contrairement aux précipitations et plus basses en montagne (surtout dans les Pyrénées). En montagne, la température moyenne journalière est de l'ordre de 4 à 6 °C alors qu'en aval elle est de 14 à 16°C. Cela se traduit par une évapotranspiration moyenne annuelle en aval du bassin allant jusqu'à 900 mm alors qu'en amont du bassin la moyenne est de l'ordre de 450 à 500 mmm.

L'observation de l'évolution des moyennes ou cumuls annuels depuis 1959 permet de constater l'effet du changement climatique qui se traduit par une tendance à l'augmentation de la température moyenne et de l'évapotranspiration et une diminution des précipitations [Figure 4.2]. Par rapport à 1960 on observe en 2020 une augmentation de 1.3 °C de la température moyenne journalière, une augmentation de 58 mm des évapotranspirations moyennes annuelles et une baisse de 56 mm des précipitations moyennes annuelles. Les augmentations de température et d'évapotranspiration correspondent à celles annoncées dans le schéma directeur de valorisation de l'eau brute du département de l'Aude (BRL ingénierie 2016) avec notamment à l'élévation de l'ordre de 0.3 °C par décennie entre 1959 et 2009.

### 4.1.2 Prélèvements

Le regroupement des déclarations de prélèvements issues de l'Agence de l'Eau et la DDTM a permis de construire une base de donnée plus complète pour notre étude. Sur les 1246 préleveurs dans la base de données de la DDTM et 801 de l'AERMC, nous avons identifiés 147 correspondances. Ce nombre est en effet très faible, cela pouvant s'expliquer par les limites de la méthodologie utilisée pour le regroupement des deux bases de données vu l'absence d'une identification commune. Le numéro SIREN par exemple, n'est présent que dans la base de l'AERMC.

En terme de volume prélevé, la figure 4.3 présente les volumes prélevés par type d'usage de la base de données AERMC et la base de données fusionnée. La base de données fusionnée fournie 26% (environ 16 Mm³) de prélèvement en plus pour
<figure><img src="image_36.png" /></figure>

FIGURE 4.1 – Observations pour chaque sous bassin versant : (a) Altitude médiane, (b) Température moyenne journalière, (c) Précipitation et (d) Evapotranspiration moyenne annuelle

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

FIGURE 4.2 – Evolution entre 1958 et 2020 des cumuls annuels des (a) précipitations et (b) évapotranspirations et (c) les températures moyennes journalières
l'irrigation par rapport à la base AERMC seule. Cela se rapproche de l'écart de 10 Mm³ entre les deux bases évoqué par la DDTM lors du comité de pilotage du projet Talanoa de juin 2023. Pour l'eau potable et les industries, les écarts retrouvés sont minimes avec 3% et 5% en plus respectivement. La base de données de la DDTM ne contenant que des déclaration de 2018 à 2021, nous rapportons ces écarts aux déclarations des années restants afin de considérer l'apport de la fusion des deux bases de données.

<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>FIGURE 4.3 – Comparaison des volumes prélevés par type d'usage</figcaption></figure>

La figure 4.4 présente la localisation des préleveurs ou l'emplacement des points de prélèvements sur la zone d'étude. On constate que les prélèvements sont plus ou moins répartie au sein du bassin versant du point de vue spatial, mais les prélèvements les plus importantes se concentrent surtout sur l'Aude médiane et aval.

En analysant l'évolution des volumes prélevés annuellement depuis 2010 pour toutes les usages hors navigation [Figure 4.5], on constate une tendance à l'augmentation des prélèvements sur les dernières années notamment pour l'irrigation et les luttes contre le gel (submersion hivernale) et la salinisation des sols. Les prélèvements pour l'eau potable et l'industrie sont quant à eux relativement constants.
<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>FIGURE 4.4 – Localisation des prélèvements au niveau du bassin de l'Aude</figcaption></figure>

<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>FIGURE 4.5 – Volume annuel prélevé par usages entre 2010 et 2020</figcaption></figure>
## 4.2 Evaluation du calage du modèle

### 4.2.1 Performance globale

La figure 4.6 ci-dessous présente les KGE calculés pour chaque point d'intérêt du modèle. Pour les stations non jaugés, les réservoirs et les prises, nous n'avons pas de valeur de KGE car ne disposant pas d'observations permettant d'effectuer un calage. D'une manière global, on remarque que les stations sont assez bien calées avec des KGE étant quasiment tous supérieurs à 0.8 à l'exception de quelques stations.

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>FIGURE 4.6 – KGE des points d’intérêts du modèle après calage</figcaption></figure>

En considérant particulièrement les stations sur l'Aude, la figure 4.7 présente les résultats des simulations comparés aux observations depuis l'amont du bassin (Puyvalador) jusqu'à Marseillelette. On observe sur le graphique que les simulations s'ajustent plutôt bien avec les observations sur les stations à l'exception des stations de Belvianes, Alet-les-Bains. En effet, les sous bassins en amont du bassin de l'Aude sont faiblement anthropisés rendant assez facile le calage car les influences y sont minimes. Au niveau de Belvianes et Alet-les-Bains, les écarts entre les simulations et les observations sont assez importantes en hiver. Les données de la station de Limoux n'étant pas fiable, ses paramètres ont été transférés depuis la station de Carcassonne.

Au niveau de la station de Marseillelette on observe une surestimation des débits simulés tout au long de l'année [Figure 4.8]. Nous avons supposés que cet écart est dû à une sous estimations des prélèvements intégrés dans le modèle au niveau de ce sous bassin même si cela peut aussi être dû à l'infiltration des eaux, les sols au niveau de la zone étant filtrant. Pour cela, nous nous sommes basés sur la moyenne des écarts au 01 août pour calculer un facteur de correction des prélèvements intégrés dans le modèle pour le sous bassin de Marseillelette. Le calage donne alors de bien meilleur résultat comme l'illustre la figure 4.7.

A l'aval de Marseillelette, les mesures des stations sur Puichéric, Ventenac-en-Minervois et Saint-Marcel-sur-Aude sont non
<figure><img src="image_42.png" /></figure>

FIGURE 4.7 – Régimes hydrologiques des débits observés (en noir) et simulés (en orange) de l'Aude amont jusqu'à Marseillelette

<figure><img src="image_43.png" /></figure>

FIGURE 4.8 – Régimes hydrologiques des débits observés (en noir) et simulés (en orange) sur Marseillelette avant et après correction des prélèvements
fiables et ne sont pas considérées pour le calage. Leurs paramètres ont été transférés depuis la station de Moussoulens qui avec la station de Coursan sont très bien calés mais avec une légère surestimation en Décembre et Janvier. Les surestimations sur cette période observées depuis la station de Carcassonne sont dûs au calage des stations sur les affluents de l'Aude notamment le Lauquet (Y1225020).

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>FIGURE 4.9 – Régimes hydrologiques des débits observés (en noir) et simulés (en orange) à Moussoulens et Coursan</figcaption></figure>

## 4.3 Volumes prélevables sur la période historique (1958-2020)

### 4.3.1 Débits naturalisés

La naturalisation des débits est la première du calcul des volumes prélevables. Comme annoncé dans la méthodologie, nous avons procédé par simulation des débits en désinfluençant tout le bassin versant sur la période historique des données SAFRAN (1958-2020). La figure 4.10 présente les régimes hydrologiques des débits naturalisés et observés. Pour les stations à Axat et Carcassonne, on constate que les débits naturalisés simulés concordent avec les débits observés. Les influences du système EDF dans la Haute Vallée de l'Aude et les prélèvements effectués sur l'Aude Amont (hors Fresquel) ont donc une influence très limitée tels qu'ils sont modélisés ici. On remarque cependant à Axat des débits naturalisés supérieurs aux observations en automne et en hiver correspondant à la période de remplissage des réservoirs. Sur Moussoulens et Coursan par contre les débits naturalisés sont supérieurs aux observations tout au long de l'année (particulièrement en période d'étiage en faisant le lien avec la figure 4.9) traduisant l'énorme pression sur les ressources sur l'Aude médiane et aval qui cumule le remplissage des réservoirs en hiver et les prélèvements en été.

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>FIGURE 4.10 – Régimes hydrologiques des débits naturalisés (en orange) et observés (en noir) sur l'Aude pour les stations d'Axat, Carcassonne, Moussoulens et Coursan pour la période 1958-2021</figcaption></figure>
### 4.3.2 QMNA5

Une fois les débits naturalisés obtenus sur la période historique, nous avons calculé les QMNA5 pour les mois d'étiage de juin à octobre. Les QMNA5 calculés sont proches des QMNA5 de l'EVP de 2014 [Figure 4.11] avec un écart moyen de 1.15 m3/s sur la période d'étiage.

<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>FIGURE 4.11 – QMNA5 en période d'étiage pour la période historique (1958-2020)</figcaption></figure>

### 4.3.3 Volumes prélevables

A partir des QMNA5, nous avons calculés les débits journaliers maximums prélevables et ainsi les volumes maximums prélevables. Nous avons obtenus un volume maximum prélevable de 74 Mm³ sur la période historique, très proche des 71 Mm³ de l'EVP. Cela traduit une relative bonne performance du calage et une représentativité des données intégrées dans le modèle, malgré de nombreuses données entièrement reconstituées à partir d'hypothèses peu étayées. La figure 4.12 ci-dessous illustre les volumes prélevables annuellement depuis 1958. La ligne rouge représente les 71 Mm³ de l'EVP. On observe bien sur cette chronique la notion de volume prélevable 1 année sur 5 qui correspond à la récurrence des années où le volume disponible est inférieur à 74 Mm³.
<figure><img src="image_47.png" /><figcaption>FIGURE 4.12 – Volumes prélevables à l’étiage pour la période historique (1958-2020)</figcaption></figure>

## 4.4 Impact du changement climatique sur les volumes prélevables

Après avoir obtenu les volumes prélevables pour la période historique, nous avons appliqué la même méthode cette fois-ci avec les projections climatiques comme entrée du modèle pour la simulation des débits naturalisés. Nous allons voir les impacts sur les QMNA5 et ensuite sur les volumes prélevables.

### 4.4.1 Ressources totales

La transformation suivi de l'agrégation des débits naturalisés simulés au niveau de Moussoulens permet d'obtenir les ressources en eau (superficielles) totales du bassin. La figure 4.13 ci-dessous présente des diagrammes en boîtes des volumes totaux mesurés annuellement à Moussoulens pour différentes périodes et pour les deux RCP 4.5 et 8.5. Au vu de l'étendue de l'incertitude, nous constatons que les volumes totaux annuels passant à Moussoulens ne varient pas pour les différentes périodes hormis pour la période de fin de siècle en RCP 8.5 qui montre une tendance assez nette à la baisse. Le bassin dispose donc de ressources que l'on peut qualifier de stables jusqu'au moins le milieu du siècle quelque soit le scénario d'émission de gaz à effet de serre.

### 4.4.2 QMNA5

Les QMNA5 calculés pour chaque période sont représentés [Figure 4.14] sous forme de boîtes à moustaches pour représenter l'incertitude liée aux différents résultats des 11 projections climatiques. On observe que ceux de la période de référence (1976-2005) concordent avec les QMNA5 de la période historique représenté par un point noir. On remarque bien l'impact du changement climatique avec une diminution des QMNA5 de plus en plus marquée pour le futur proche, le milieu du siècle et la fin du siècle. Cela découle de la diminution des débits de la rivière affecté par l'évolution des conditions climatiques (diminution des précipitations et augmentation de la température et de l'évapotranspiration). Cette diminution est d'autant plus marquée à la fin du siècle pour le RCP 8.5.
<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>FIGURE 4.13 – Evolution de la ressource en eau totale pour les périodes 1976-2005, 2021-2050, 2041, 2070 et 2071-2100</figcaption></figure>

<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>FIGURE 4.14 – Evolution des QMNA5 pour chaque période et par RCP</figcaption></figure>
### 4.4.3 Volumes prélevables

La figure 4.15 expose les volumes prélevables en période d'étiage calculés selon la méthodologie de l'étude des volumes prélevables de la SMMAR (eaucéa 2013) sur les périodes passées et futures incluant climat historique et climats issus des projections. Pour la période de référence (1976-2005), les volumes prélevables issus des projections concordent avec le volume calculé à partir climat observé. Lors de la période de référence des projections climatiques, une vaste gamme de volumes prélevables émerge pour les divers scénarios. Ces volumes oscillent entre 15 Mm³ et 92 Mm³, avec une médiane de 75 Mm³, se rapprochant ainsi des valeurs de référence de la littérature ainsi que de la période historique. De telles disparités s'expliquent par le nombre étendu de scénarios (11 en tout) pris en considération totalisant 330 années simulées au sein desquelles les probabilités d'occurrence d'évènements rares s'avèrent plus élevées. En ce qui concerne les périodes futures, une diminution notable des volumes prélevables par rapport à la période de référence est observée. Dans le cadre du RCP 4.5, les médianes des volumes prélevables s'élèvent à 58 Mm³, 53 Mm³ et 50 Mm³ respectivement pour les intervalles temporels 2021-2050, 2051-2070 et 2071-2100. Les tendances s'accentuent davantage pour le RCP 8.5, où les médianes des volumes prélevables s'établissent à 61 Mm³, 50 Mm³ et 23 Mm³ pour les périodes proche, moyenne et lointaine. Les résultats des deux RCP suivent une même tendance jusqu'à la période 2041-2070. Toutefois, au-delà de cette échéance, les résultats divergent avec une "stabilisation" des résultats pour le RCP 4.5, tandis que pour le RCP 8.5, les volumes prélevables entre 2071-2100 sont significativement réduits. Ces conclusions reflètent les trajectoires distinctes des RCP, avec le RCP 4.5 tendant à une stabilisation du taux des gaz à effet de serre dans l'atmosphère d'ici 2050, au contraire du RCP 8.5 qui voit ces taux continuer à augmenter [Figure 3.23].

<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>FIGURE 4.15 – Evolution des volumes prélevables à l'étiage pour les périodes 1976-2005, 2021-2050, 2041, 2070 et 2071-2100</figcaption></figure>
# 5 Conclusion

L'étude a débuté par une récolte des données disponibles auprès de tous les acteurs ayant une connaissance ou un impact notable sur les eaux du bassin de l'Aude suivi d'une analyse de ces données recoupées avec données bibliographiques afin de constitué une base de données la plus exhaustive possible des influences humaines sur les débits. Ce premier volet a été suivi de l'élaboration d'un modèle hydrologique conceptuel semi-distribué intégrant l'ensemble des influences identifiées dans la première partie, et constituant ainsi un modèle intégré des ressources en eau du bassin de l'Aude. L'utilisation d'un modèle pluie-débit et la prise en compte explicite des influences permettent potentiellement d'étudier l'impact des changements globaux sur le bassin tant en terme de changement climatique que les changements de pratiques agricoles et de gestion des ouvrages hydrauliques.

Le calage du modèle a été une étape critique, permettant de fusionner les données observées avec les résultats simulés. Cela a validé la capacité du modèle à capturer les dynamiques hydrologiques du bassin de l'Aude. L'évaluation subséquente des volumes prélevables sous différentes trajectoires climatiques, notamment celles projetées par les scénarios RCP 4.5 et RCP 8.5, a mis en évidence l'importance considérable de l'impact du scénario RCP 8.5 sur la disponibilité future des ressources en eau.

L'importance de ce dernier résultat, le RCP 8.5, réside dans sa projection pessimiste du changement climatique, laquelle révèle des réductions substantielles des volumes prélevables dans le bassin de l'Aude. Cette tendance met en évidence l'urgence de l'adoption proactive de stratégies d'adaptation et d'atténuation, afin de contrecarrer les impacts négatifs potentiels sur les ressources en eau et de garantir une utilisation durable dans les années à venir.

Le modèle hydrologique intégré élaboré durant ce stage sera par la suite couplé avec des modèles économiques et agronomiques. Cette combinaison permettra de tester divers scénarios d'adaptation, en considérant les interactions complexes entre les facteurs environnementaux, économiques et sociétaux. Cette orientation contribuera à nourrir une base de connaissances plus solide, afin d'éclairer les décisions concernant la gestion intégrée des ressources en eau, en réponse aux enjeux pressants liés au changement climatique, aux besoins sociétaux et à la protection des ressources hydriques vitales pour la région.
Annexes A : Liste des stations hydrométriques

<table><thead><tr><td>Code</td><td>Libelle</td></tr></thead><tbody><tr><td>O1442910</td><td>Le Grand Hers à Laroque-d'Olmes et au Peyrat</td></tr><tr><td>Y0824030</td><td>La Berre à Portel-des-Corbières</td></tr><tr><td>Y1012021</td><td>L'Aude à Puyvalador</td></tr><tr><td>Y1105010</td><td>Le Rebenty à Saint-Martin-Lys</td></tr><tr><td>Y1112010</td><td>L'Aude à Belvianes-et-Cavirac et à Quillan</td></tr><tr><td>Y1135010</td><td>La Sals à Cassaignes</td></tr><tr><td>Y1141150</td><td>Le ruisseau de Lavalette à Alet-les-Bains</td></tr><tr><td>Y1141151</td><td>L'Aude à Alet-les-Bains</td></tr><tr><td>Y1152010</td><td>L'Aude à Limoux [Pont de Fer]</td></tr><tr><td>Y1205010</td><td>Le Sou à Saint-Martin-de-Villereglan</td></tr><tr><td>Y1225010</td><td>Le Lauquet à Greffeil</td></tr><tr><td>Y1225020</td><td>Le Lauquet à Saint-Hilaire et à Verzeille [Le Pech]</td></tr><tr><td>Y1232010</td><td>L'Aude à Carcassonne</td></tr><tr><td>Y1314010</td><td>Le Fresquel à Villepinte</td></tr><tr><td>Y1325010</td><td>Le ruisseau de Tréboul à Villepinte</td></tr><tr><td>Y1345010</td><td>Le Lampy à Raissac-sur-Lampy</td></tr><tr><td>Y1345012</td><td>Le ruisseau de Tenten à Saint-Martin-le-Vieil [Pont de la D 4]</td></tr><tr><td>Y1355210</td><td>La Rougeanne à Moussoulens</td></tr><tr><td>Y1364010</td><td>Le Fresquel à Carcassonne [Pont Rouge]</td></tr><tr><td>Y1364020</td><td>Le Fresquel à Pezens</td></tr><tr><td>Y1415010</td><td>L'Orbiel à Lastours</td></tr><tr><td>Y1415020</td><td>L'Orbiel à Bouilhonnac [Villedubert]</td></tr><tr><td>Y1422010</td><td>L'Aude à Puichéric</td></tr><tr><td>Y1422020</td><td>L'Aude à Marseille</td></tr><tr><td>Y1422030</td><td>L'Aude à Trèbes [rue Voltaire]</td></tr><tr><td>Y1435410</td><td>L'Argent-Double à la Redorte [Les Salices]</td></tr><tr><td>Y1445010</td><td>L'Ognon à Pépieux</td></tr><tr><td>Y1452010</td><td>L'Aude à Ventenac-en-Minervois</td></tr><tr><td>Y1452020</td><td>L'Aude à Saint-Marcel-sur-Aude</td></tr><tr><td>Y1524010</td><td>L'Orbieu à Saint-Martin-des-Puits</td></tr><tr><td>Y1524020</td><td>L'Orbieu à Lagrasse [Pont RD 3]</td></tr><tr><td>Y1535210</td><td>Le Sou à Lagrasse [Alsou]</td></tr><tr><td>Y1564010</td><td>L'Orbieu à Luc-sur-Orbieu</td></tr><tr><td>Y1584020</td><td>L'Orbieu à Villedaigne</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Code</td><td>Libelle</td></tr></thead><tbody><tr><td>Y1605040</td><td>La Cesse à Bize-Minervois</td></tr><tr><td>Y1605050</td><td>La Cesse à Mirepeisset</td></tr><tr><td>Y1605060</td><td>La Cesse à Agel</td></tr><tr><td>Y1612020</td><td>L'Aude à Moussan [Moussoulens - écluse]</td></tr><tr><td>Y1612040</td><td>L'Aude à Coursan [Arminis]</td></tr></tbody></table>
Annexes B : Liste des réservoirs

<table><thead><tr><td>Exploitant</td><td>Nom</td><td>Capacité [Mm3]</td><td>Rivière</td><td>Mise en service</td></tr></thead><tbody><tr><td>BRLe</td><td>Etang de Jouarres</td><td>4.000</td><td>AUDE</td><td>NA</td></tr><tr><td>BRLe</td><td>Barrage de Laprade</td><td>8.800</td><td>DURE</td><td>1982</td></tr><tr><td>BRLe</td><td>Retenue de l'Estrade (Ganguise)</td><td>44.000</td><td>GANGUISE</td><td>1979</td></tr><tr><td>EDF</td><td>Barrage de Grandes Patures</td><td>1.630</td><td>RIALET</td><td>1950</td></tr><tr><td>EDF</td><td>Barrage de Puyvalador</td><td>9.900</td><td>AUDE</td><td>1932</td></tr><tr><td>EDF</td><td>Barrage de Matemale</td><td>20.550</td><td>AUDE</td><td>1960</td></tr><tr><td>EDF</td><td>Barrage du Laurenti</td><td>NA</td><td>LAURENTI</td><td>NA</td></tr><tr><td>IEMN</td><td>Barrage de Galaube</td><td>8.050</td><td>ALZEAU</td><td>2000</td></tr><tr><td>IEMN</td><td>Barrage des Cammazes</td><td>18.800</td><td>SOR</td><td>1958</td></tr><tr><td>IIABM</td><td>Barrage de Montbel</td><td>60.000</td><td>TRIERE</td><td>1985</td></tr><tr><td>VNF</td><td>Barrage du Lampy</td><td>1.673</td><td>LAMPY</td><td>1781</td></tr><tr><td>VNF</td><td>Barrage de Saint Ferreol</td><td>6.370</td><td>LAUDOT</td><td>1675</td></tr></tbody></table>
Annexes C : Présentation des organismes d'accueil

Le présent stage a été réalisés conjointement au sein de deux unités mixtes de recherche (UMR) de l'INRAE à Montpellier,
en France.

L'UMR Innovation est une unité de recherche pluridisciplinaire qui se concentre sur l'innovation et le développement dans les domaines de l'agriculture et de l'alimentation. Elle regroupe des chercheurs, des enseignants-chercheurs et des ingénieurs de différentes disciplines, notamment l'agronomie, l'économie, la sociologie, l'informatique et les sciences de l'environnement.

L'UMR G-EAU est une unité de recherche qui se concentre sur la gestion des ressources en eau. Elle regroupe des chercheurs, des enseignants-chercheurs et des ingénieurs de différentes disciplines, notamment l'hydrologie, la géologie, la chimie, la biologie et l'économie.

Les deux unités mènent des recherches fondamentales et appliquées dans leurs domaines respectifs. Elles collaborent éga-
lement étroitement dans le cadre de projets de recherche communs, notamment dans le domaine de la modélisation des
ressources en eau.
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