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

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

Présentation du logiciel ÉROS

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

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

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

Et aussi, sur option :

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

 

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

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

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

 

ÉROS : un logiciel de modélisation hydrologique

Fonctionnalités du logiciel ÉROS

Le logiciel ÉROS permet les fonctionnalités suivantes :

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

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

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

  • De reconstituer, pour un bassin versant donné, les débits des rivières, et les niveaux piézométriques en un point des nappes sous-jacentes, durant une période pendant laquelle on ne possède pas de mesures,
  • De simuler :
    • Des débits résultant de périodes de sécheresse (débits d’étiage ou dimensionnement de barrage) ou de séquences de précipitations exceptionnelles (risques d’inondations),
    • Des niveaux piézométriques ponctuels de nappe à partir de précipitations effectivement observées, prolongées par des scénarios de précipitations prévisionnels (sécheresses, périodes de hautes eaux).

Le code de calcul ÉROS est un outil tout particulièrement adapté aux synthèses régionales pour lesquelles on désire réaliser, une modélisation cohérente d’un ensemble de bassins versants emboîtés.

  • De prévoir l’influence du changement climatique sur un grand bassin à partir de scénarios de pluie et d’évapo-transpiration potentielle.

Débit moyen mensuel minimal de chaque année de la Loire à Tours pour un scénario de changement climatique.

Débit moyen mensuel minimal de chaque année de la Loire à Tours pour un scénario de changement climatique.

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

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

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

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

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

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

Concentrations en nitrate observées et simulées dans les sources de Provins de 1947 à 1984.

Concentrations en nitrate observées et simulées dans les sources de Provins de 1947 à 1984.

Concentration en nitrate observée et simulée dans les sources des Trois Fontaines de 1989 à 2008.

Concentration en nitrate observée et simulée dans les sources des Trois Fontaines de 1989 à 2008.

Principe de fonctionnement du logiciel ÉROS

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

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

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

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

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

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

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

Données nécessaires pour utiliser ÉROS

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

  • Séries de données d’"entrées" du modèle pour chaque sous-bassin :.

Des séries temporelles ininterrompues de données climatiques d'« entrées » du modèle : pluie et évapotranspiration potentielle (éventuellement température de l’air, si la prise en compte de la fonte de la neige est nécessaire) ;

  • Séries de données d’"entrées" du modèle éventuellement dans certains sous-bassins :.

Éventuellement une série temporelle de débit de prélèvement (ou d’injection) en rivière dans certains sous-bassins ;

  • Séries de données de contrôle du modèle dans certains sous-bassins :
    • Des séries temporelles d’observations de débit à l’exutoire des sous-bassins. Ces séries peuvent présenter des lacunes d’observations à certains pas de temps.
    • Des séries temporelles d’observations de niveau piézométrique dans la nappe sous-jacente des sous-bassins. Ces séries peuvent présenter des lacunes d’observations à certains pas de temps.

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

Logiciel EROS

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

Mise à disposition de licences d’utilisation gratuite

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

Télécharger le logiciel ÉROS

CONTACT

Logiciel ÉROS
BRGM
Direction DEPA / unité GDR
BP 36009
45060 Orléans Cedex 2 (France)

Courriel : gardenia@brgm.fr