Chaine intégrée pour la prévision hydrométéorologique des étiages et des sécheresses - Rapport final du projet CIPRHES

Vers une chaine intégrée pour la prévision hydrométéorologique des étiages et des sécheresses – Amélioration de la plateforme PREMHYCE par le projet CIPRHES Le projet « Chaîne intégrée de prévision hydrométéorologique des étiages et des sécheresses » (CIPRHES) s’est déroulé de mars 2021 à février 2026 et visait à améliorer les chaînes de modélisation utilisées dans la plateforme opérationnelle de prévision des étiages PREMHYCE. Il a associé huit équipes de recherche d’INRAE, du BRGM, d’EDF, de Météo-France et de l’Université de Lorraine, et a permis de renforcer les liens avec les acteurs institutionnels et opérationnels de la gestion de l’eau. Enjeux et objectifs - Des besoins d’anticipation croissants pour répondre aux enjeux de partage de l’eau et de protection de la ressource et des milieux lors des sécheresses Dans de nombreux pays, les cours d'eau constituent la principale source d'approvisionnement en eau pour divers usages (eau potable, irrigation, énergie, navigation, etc.), qui peuvent être fortement affectés par les pénuries d'eau. En outre, le maintien d'un débit environnemental minimal est un enjeu fort pour le maintien de la bonne qualité des milieux et de la biodiversité. En 2022, la France a connu un événement de sécheresse d’une intensité exceptionnelle, avec des conséquences fortes sur différents secteurs activités, et des dommages estimés à plus de 5 milliards d’euros. Ce type d’événement préfigure ce que les projections hydroclimatiques laissent entrevoir comme des événements communs dans la suite du 21e siècle, du fait des changements climatiques. Cette perspective d'étiages plus sévères, longs et tardifs souligne la nécessité de disposer d'outils permettant de mieux se préparer et d'anticiper leurs impacts, d’améliorer la gestion de crise et de faciliter la prise de décision pour un meilleur partage de l’eau. Des évaluations et développements de chaînes de prévision des sécheresses ont été menés dans différents pays pour répondre à ces objectifs, avec des horizons de prévision allant de la moyenne échéance (de l’ordre d’une dizaine de jours) à l’échéance saisonnière (3 mois). En France, une démarche d’évaluation de modèles hydrologiques pour un objectif de prévision des étiages, appelée PREMHYCE (Prévision des Étiages par des Modèles Hydrologiques, Comparaison et Évaluation), a conduit au développement d’un prototype opérationnel de service hydrologique, basé sur une approche multimodèle et mis en test à partir de 2018 pour produire des prévisions en temps réel sur le réseau hydrographique français. Le projet CIPRHES a été conçu comme un laboratoire de développement et d’amélioration des méthodes associées à la plateforme PREMHYCE. L'objectif était d'obtenir une chaîne intégrée pouvant produire des prévisions hydrométéorologiques homogènes à long terme (de quelques jours à plusieurs mois) et cohérentes à différentes échelles spatiales (bassins versants et sous-bassins versants). Les développements proposés ont été testés sur un large ensemble de données afin d'évaluer les forces et les faiblesses de la chaîne de prévision. Plus spécifiquement, le projet CIPRHES a été guidé par cinq grands objectifs : (1) Produire des prévisions atmosphériques efficaces et homogènes allant des échéances moyenne à saisonnière ; (2) Développer une approche de modélisation hydrométéorologique intégrée pour la prévision des étiages ; (3) Développer des approches permettant de quantifier les différentes sources d'incertitude affectant les prévisions de étiages ; (4) Mettre en place des cadres avancés de « crash-test » afin d’évaluer les performances, la robustesse et l'utilité des prévisions d’étiage ; (5) Concevoir un service hydrométéorologique en ligne adapté aux besoins des utilisateurs afin de fournir des prévisions informatives en temps réel. Méthodes et approches - Un large échantillon de bassins versants et de données hydroclimatiques pour renforcer la robustesse et la généralité des modèles et méthodes statistiques testées Le projet s’est appuyé sur un large éventail de méthodes mathématiques, numériques, statistiques et de modélisation, appliquées aux domaines concernés par le projet (météorologie, hydrologie, hydrogéologie). Il a notamment exploité cinq modèles hydrologiques de types et de niveaux de complexité différents, avec l’objectif d’assurer une certaine généralité et robustesse à la chaîne de modélisation. Ces modèles, développés par les partenaires du projet, correspondent à des façons variées de représenter les processus à l'origine des étiages. Diverses techniques d’assimilation de données, utilisant différents types d’observations (débit, niveau de nappe) pour corriger les modèles, ont été utilisées. De plus, une large gamme d’approches statistiques a été utilisée pour le post-traitement des prévisions météorologiques et hydrologiques, et pour la quantification des incertitudes associées aux observations et aux prévisions. Le projet a par ailleurs exploité des données d’un large ensemble de bassins versants en France métropolitaine, afin de tester les méthodologies proposées dans diverses conditions et de tirer des conclusions générales. Les données ont été principalement extraites de bases de données publiques (Météo-France pour les données climatiques, HydroPortail pour les données hydrologiques, banque ADES pour les données sur les eaux souterraines). Des données plus spécifiques ont été utilisées pour certains travaux, par exemple des archives de prévision météorologiques ou des courbes de tarage associées à certaines stations hydrométriques. Ces données ont fait l’objet d’analyses détaillées pour en assurer la bonne qualité et la cohérence spatio-temporelle. Les bassins versants utilisés pour les tests sont le résultat de procédures de sélection pour répondre à différents critères de disponibilité et de qualité de données ou de couverture spatiale. L’échantillon national a été constitué en croisant la base de bassins versants de la plateforme opérationnelle PREMHYCE (environ 1300 bassins) et l’échantillon national de bassins versants de référence CAMELS-FR (654 bassins). Le croisement de ces deux échantillons de bassins a permis de définir un ensemble de 478 bassins versants bien répartis sur le territoire métropolitain. Des variantes de cet échantillon national ont pu être utilisées dans différents travaux, en fonction de contraintes supplémentaires imposées lors de certains tests (disponibilité des données, choix des périodes, etc.). Quelques travaux liés au projet ont également utilisé des bases de données spécifiques indépendantes de cette base nationale. Une base de données plus détaillée a également été mise en place pour le cas du bassin versant de la Meuse à Chooz (10 000 km² environ), utilisé comme cas d’étude de démonstration au sein du projet, notamment pour l’évaluation des modèles hydrologiques en mode semi-distribué. Résultats Le projet a permis de progresser sur plusieurs aspects. Sur la partie des prévisions météorologiques, une méthode statistique de concaténation des prévisions à moyenne échéance et des prévisions saisonnières a été proposée. Elle permet de produire des prévisions continues sur une large gamme d’échéances tout en bénéficiant de l’intérêt de ces deux types de prévisions. Implémentée dans la chaîne de production opérationnelle, elle simplifie les flux de données et l’analyse des résultats. Une partie importante des travaux du projet a porté sur l’amélioration des modélisations hydrologiques utilisées pour prévoir les débits d’étiage. Des améliorations ont été proposées sur les fonctions responsables de la simulation des bas débits et sur la conceptualisation des échanges entre surface et souterrain. Une représentation plus explicite des nappes a pu être proposée, ainsi qu’une prise en compte des ouvrages de stockage. Des schémas de modélisation représentant plus explicitement la variabilité spatiale au sein des bassins versants (approche semi-distribuée) ont également été évalués, avec des résultats encourageants sur le bassin de la Meuse. La mise en œuvre des modèles hydrologiques en mode prévisionnel a fait l’objet de plusieurs travaux visant à corriger en temps réel les modèles grâces à l’intégration des observations disponibles (assimilation de données). Si le débit observé en rivière est une source classique d’information, les travaux ont également visé à intégrer les niveaux de nappe. Cette information complémentaire n’a pas apporté de gains significatifs par rapport aux débits seuls, mais elle renforce les modèles dans leur capacité à simuler conjointement ces deux variables. L’exercice de prévision étant par nature incertain, les travaux du projet se sont intéressés plus spécifiquement à trois sources d’incertitudes : prévisions météorologiques, observations hydrométriques et modélisation hydrologique. Des méthodes ont été proposées pour quantifier les incertitudes hydrométriques, en lien avec les courbes de tarage ou la qualité des stations de mesure. Des approches statistiques ont également été développées pour assurer une meilleure cohérence temporelle des estimations d’incertitude liées à la modélisation hydrologique et aux prévisions météorologiques. Par ailleurs, des analyses sur un large échantillon de bassins ont permis de quantifier les échéances auxquelles on peut fournir des prévisions informatives (prévisibilité) et d’en cerner les déterminants (contexte hydroclimatique ou physique). Enfin, la plateforme opérationnelle a été améliorée, avec un fort accroissement de la couverture spatiale du territoire (désormais environ 1300 points de prévision), un réseau d’utilisateurs renforcé et une interface plus fonctionnelle et conviviale intégrant les demandes et besoins des utilisateurs. Perspectives Le projet CIPRHES a permis des progrès dans notre compréhension des déterminants de l’efficacité de chaînes opérationnelles de prévisions des sécheresses. Il ouvre diverses perspectives, avec notamment la mise en œuvre progressive des résultats du projet CIPRHES au sein de la plateforme opérationnelle PREMHYCE, la poursuite des développements sur la prévision saisonnière (atmosphère - surface - souterrain) dans le cadre d’autres projets, l’ouverture sur des méthodes et données complémentaires (méthodes d’apprentissage automatique, utilisation d’informations satellites), la prise en compte plus détaillée des influences anthropiques ou encore la production d’indicateurs adaptés à différents secteurs usagers de l’eau. Le projet a été mené suivant de nombreux axes de travail portant sur les principales sources d’incertitudes dans la chaîne de prévision. Un séminaire de restitution organisé fin 2025 a regroupé environ 220 personnes issues de différents domaines. Il a été un lieu d’échange pluridisciplinaire et multi-sectoriel, avec la participation d’acteurs évoluant dans les domaines de la recherche, la gestion opérationnelle, l’ingénierie et la décision publique. Les discussions ont croisé les points de vue et fait ressortir les perspectives, besoins et attentes sur les développements en recherche, les enjeux institutionnels, les dimensions opérationnelles de la gestion des étiages et enfin les applications possibles dans différents secteurs usagers de l’eau, notamment celui de l’agriculture. Ces échanges ont souligné les défis qui se posent pour la gestion des sécheresses, de l’échelle locale à l’échelle nationale, dans un contexte d’évolutions rapides liées au changement global. L’Office français de la biodiversité (OFB), et la Direction de l’eau et de la biodiversité (DEB) au sein de Ministère de la transition écologique, qui sont à l’initiative du développement de la plateforme PREMHYCE, contribuent à en faire un instrument utile et accessible pour aider à la gestion des crises conjoncturelles de l’eau et à la décision publique en matière de partage de la ressource.