OSSEC Rhône : outil opérationnel de suivi des étiages en temps réel sur le Rhône

RESUME

L’Outil de Suivi et de Surveillance des Étiages en Cohérence sur le Rhône (OSSEC Rhône) est un outil permettant de caractériser en temps réel les événements d’étiage sur le Rhône et ses principaux affluents. OSSEC repose sur une caractérisation locale des étiages à partir d’un seuil, puis sur la mise en cohérence des étiages locaux au sein d’une plus grande zone spatiale. Cette méthode a été adaptée au cas du bassin versant rhodanien, qui possède des données anthropisées et une dépendance amont-aval. Cette caractérisation permet d’obtenir, pour chaque station hydrologique, les dates de début, de fin, et la sévérité de chaque étiage, en cohérence sur l’ensemble du bassin du Rhône. Lancé en temps réel, OSSEC Rhône récupère les dernières données de débit acquises et lance la méthodologie depuis le dernier événement caractérisé. L’outil compare ensuite l’événement en cours avec un historique d’événements déjà sauvegardé. Des figures sont générées puis sélectionnées par l’opérateur afin d’établir la chronologie et l’évolution de l’événement en cours. OSSEC Rhône permet d’approfondir les connaissances des étiages, en les caractérisant de façon plus complète que de simples statistiques de débit. Les événements obtenus étant spatialement cohérents, il est alors possible d’étudier leur évolution saisonnière ou leur fréquence.

ABSTRACT

OSSEC Rhône is a tool for monitoring and characterising low-flow events on the Rhône River and its tributaries in real time. Based on daily streamflow series, low-flow events are characterised for each hydrological station, by a threshold method. This method provides a beginning and ending date, as well as the severity of each identified event. Then, based on an overlapping of dates, events are spatially matched across stations to identify spatio-temporal events on the Rhône tributaries. Lastly, these are matched to the events identified on the Rhône River. These three steps ensure consistency between low-flow events of the main river and of its tributaries. In real time, OSSEC retrieves streamflow data and launches the methodology since the last characterized event in the archive. It can then determine whether a low-flow event is currently underway, and its inception date, duration, and severity. The selected event is then compared to other historical events. OSSEC Rhône makes it possible to deepen the knowledge of such events by going beyond simple streamflow statistics, usually computed at the monthly scale. OSSEC Rhône is therefore a decision-making tool for water managers, allowing a day-by-day assessment of the spatial evolution of a low-flow event throughout a year.

MOTS CLES:

• étiages
• sécheresse hydrologique
• opérationnel
• suivi en temps réel
• cohérence spatiale

KEYWORDS:

• Low flows
• hydrological drought
• operational
• real-time monitoring
• spatial coherence

1. Introduction

Les projections hydroclimatiques pour le XXI^e siècle tendent à s’accorder sur une augmentation de la sévérité et de la fréquence des étiages en France (Chauveau et al., 2013). À l’échelle du Rhône, ces tendances se confirment que ce soient à travers les données issues de ces dernières années (Aubé, 2016) ou les différentes projections hydro-climatiques (Giuntoli et al., 2015 ; Van Vliet et al., 2013). Ces périodes de déficit en eau peuvent impacter profondément la gestion des cours d’eau et sont ainsi dûment suivis par les services de l’État et les gestionnaires d’aménagements. En effet, que ce soit dans le cadre des prélèvements pour l’irrigation, de la production d’hydroélectricité ou encore du refroidissement des centrales nucléaires, les étiages sont généralement des périodes où l’équilibre des cours d’eau est particulièrement fragile. Compagnie Nationale du Rhône (CNR), concessionnaire du Rhône Français depuis 1934, est responsable de la production d’électricité, de la gestion de la navigation et de la gestion des prélèvements pour l’irrigation des terres agricoles le long du Rhône. Dans ce cadre, en plus du suivi réalisé par les services de l’État (https://www.rdbrmc.com/), CNR est garant du suivi des débits sur le Rhône et doit envoyer mensuellement des bulletins de suivi de situation hydrologique et d’étiage aux services de l’État. Par ailleurs, des bulletins annuels de caractérisation des étiages extrêmes sont rédigés pour les années exceptionnellement sèches. Ces bulletins utilisaient jusqu’à présent des statistiques sur des débits mensuels, et se révélaient peu pertinents pour une vision globale des étiages sur le bassin.

En réponse à l’évolution annoncée des événements d’étiage, il est nécessaire d’adapter ces bulletins, afin de mieux caractériser ces phénomènes qui affectent grandement le fleuve, et de pouvoir en adapter la gestion en conséquence. De simples statistiques telles que la comparaison des débits moyens mensuels avec des débits d’étiages historiques ne permettent pas de caractériser les étiages de façon événementielle, ni d’en dériver des caractéristiques de durée ou d’intensité. Elles ne permettent pas non plus d’établir les liens entre les étiages détectés par différentes stations d’une même zone géographique. Ce manque de cohérence spatiale et temporelle a été étudié par Caillouet et al. (2017), qui ont proposé une méthode de caractérisation des étiages de façon événementielle et homogène à l’échelle de la France. Dans le but d’être appliquée au bassin du Rhône, cette méthode nécessite des adaptations afin de traiter des données observées anthropisées, pouvant posséder des lacunes, sur des bassins de tailles différentes et dans un contexte où il existe une forte dépendance amont-aval.

Cet article présente l’adaptation de cette méthodologie sur le bassin du Rhône, dans le but de fournir un outil opérationnel à CNR. Cet outil, baptisé OSSEC Rhône (Outil de Suivi et de Surveillance des Étiages en Cohérence sur le Rhône) est utilisable en temps réel afin de suivre au plus près l’évolution des étiages, et de les comparer aux étiages passés. La Section 2 présente la zone d’étude ainsi que les données considérées. La Section 3 présente la méthodologie générale tandis que la Section 4 présente l’opérationnalisation de l’outil. Enfin les Sections 5 et 6 proposent de discuter de la méthode et de conclure sur la présente étude.

2. Zone d’application et données

2.1. Zone d’application

L’outil OSSEC Rhône couvre l’ensemble du bassin versant du Rhône. Ce bassin est découpé en sous bassins versants, à partir de 32 stations hydrométriques CNR de référence (Grimaldi & Haond, 2008 ; Legrand et al., 2014), fournissant des débits sur le Rhône (12 stations de Pougny à Arles), ou sur ses principaux affluents (20 stations proches de la confluence avec le Rhône). La Figure 1 illustre la zone d’étude, avec les stations du Rhône explicitement affichées à leur localisation, et les contours des bassins des affluents identifiés en italique. Les stations des affluents sont situées proche de la confluence entre l’affluent et le Rhône.

Figure 1. Bassin versant du Rhône où est appliqué l'Outil de Suivi et de Surveillance des Étiages en Cohérence sur le Rhône (OSSEC Rhône).

Les stations du Rhône sont affichées en gras à leur localisation tandis que les noms des affluents sont explicités en italique (les stations des affluents sont situées à l’exutoire de l’affluent, proche du Rhône). Le régime hydrologique dominant des affluents est explicité en couleur.

Les bassins de tête, c’est-à-dire ceux des affluents, ainsi que le bassin du Rhône Suisse dont l’exutoire se situe à Pougny, permettent d’appréhender les événements d’étiage de manière globale. Les stations du Rhône échelonnées de Bognes à Arles sont ensuite utilisées pour caractériser les étiages en différents points du Rhône, sachant que ces derniers sont alors la conséquence des étiages sur les bassins de tête. Pour les besoins de l’outil, les bassins de tête sont catégorisés en fonction de leur régime hydrologique dominant, selon la classification de Sauquet et al. (2008), en couleur sur la Figure 1. Certains grands bassins, tels que l’Isère ou la Durance, ont un régime intermédiaire (pluvio-nival ou nivo-pluvial), mais ont été associés à une unique catégorie dans un souci de simplification.

2.2. Données

OSSEC Rhône utilise les débits journaliers des stations hydrométriques citées dans la Section 2.1, dont la donnée est acquise par CNR en temps réel. Plusieurs stations sur le Rhône et la station à l’exutoire de la Saône disposent de données depuis 1920. Les stations aux exutoires de l’Isère et de l’Ardèche possèdent des données depuis 1956, tandis que les stations aux exutoires des autres affluents possèdent des données à partir de 1984–2002. La période 1984–2020 est une période pendant laquelle 90 % des données ciblées sont disponibles, et est ainsi utilisée ici comme période de calage pour les paramètres de la méthode.

Selon l’aménagement des cours d’eau, certaines stations mesurent des débits anthropisés. Ces stations sont situées sur des cours d’eau impactés par un aménagement hydroélectrique d’importance : c’est le cas des stations sur le Rhône, l’Isère, la Saône, l’Ain ou la Durance. Afin de limiter les erreurs d’identification des étiages dans la méthode explicitée en Section 3, une moyenne glissante entre 3 et 7 jours est appliquée aux chroniques de débits journaliers. Cette moyenne glissante permet d’amoindrir l’impact de la gestion anthropique journalière sur les chroniques de débit. Le nombre de jours à considérer a été choisi après plusieurs tests sur les différentes chroniques de débit. Sur le Haut Rhône, 7 jours ont été utilisés pour amoindrir l’impact de la gestion de Génissiat, un aménagement avec une gestion hebdomadaire, sur les chroniques de débit. Sur le Bas Rhône, utiliser 3 jours permet de récupérer une chronique de débit plus naturelle puisque la gestion des aménagements au fil de l’eau se fait à la journée. Enfin, la Durance est un bassin fortement anthropisé qui a vu sa gestion évoluer en 2014, avec un passage de son débit réservé de 4,7 m³/s à une valeur comprise entre 4,7 m³/s et 15 m³/s selon la période de l’année (Bêche et al., 2018). Cette évolution est prise en compte dans le calage des paramètres de la méthode (voir Section 3.1), en considérant de manière distincte les périodes 1984–2014 puis 2014–2020. L’impact de l’anthropisation sur l’étude sera plus largement discuté dans la Sections 5.

En période de bas débits, des valeurs constantes non nulles sur parfois plusieurs semaines ont été relevées. Ces débits ont été indiqués par défaut et ne correspondent pas à la réalité. Dans le cadre de la caractérisation d’OSSEC, les débits ont été reconstitués à partir de la hauteur mesurée et de la courbe de tarage des stations sur la période concernée. Ces valeurs de débit ne sont pas utilisées dans les étapes de calage des paramètres.

3. Caractérisation des étiages dans OSSEC

OSSEC est un outil qui caractérise les étiages au droit des stations hydrométriques d’intérêt. Cette caractérisation est une adaptation de la méthode développée par Caillouet et al. (2017) sur des bassins de tête naturels et sur la France. Elle se fait en deux temps : une caractérisation locale des événements d’étiage au droit de chaque station, puis une mise en cohérence spatiale à l’échelle du territoire considéré.

3.1. Caractérisation locale des étiages

La caractérisation locale des étiages reprend majoritairement la méthodologie développée par Caillouet et al. (2017), et également décrite dans Caillouet et al. (2021). Des rappels seront effectués dans cette section, en complément des adaptations réalisées pour OSSEC Rhône. Cette caractérisation s’applique de façon indépendante sur chaque station hydrométrique de l’étude.

Les événements locaux d’étiage sont définis comme des périodes de déficit en eau, qui commencent lorsque le débit passe en dessous d’un seuil prédéfini, et continuent tant que le seuil n’est pas redépassé. Trois types de seuils sont proposés par Caillouet et al. (2017) :

• un seuil fixe associé à un quantile (une valeur) ;

• un seuil variable associé à un quantile journalier interannuel (366 valeurs) ;

• un seuil mixte, comme étant le minimum entre les deux seuils précédents, pour chaque jour de l’année (366 valeurs).

Un seuil fixe permet d’identifier des déficits dans la période d’étiage revenant annuellement sur le bassin considéré (l’été pour les bassins à dominance pluviale). Le seuil variable permet d’identifier des déficits dans n’importe quelle période, même celle des hauts débits. Le seuil mixte, plus restrictif, permet de détecter les étiages comme les périodes où le débit s’écarte du cycle saisonnier normal (seuil variable) mais seulement durant la saison d’étiage (seuil fixe). La Figure 2 propose un exemple des trois types de seuil sur une chronique de débit.

Figure 2. Exemple de seuils caractérisant des événements d’étiage.

En noir la chronique de débits, en pointillés le seuil, et en rouge les périodes de déficit. Repris de Caillouet (2016).

Dans OSSEC, le choix est laissé libre à l’utilisateur entre :

• un seuil variable associé à un quantile journalier interannuel 80 / 85 / 90 / 95 %, représentant les 20 / 15 / 10 / 5 % des débits les plus faibles pour chaque jour de l’année ;

• un seuil mixte associé à un quantile 80 / 85 / 90 / 95 %. Le même pourcentage est pris pour les deux seuils constituant le seuil mixte.

Ces huit seuils (deux seuils et quatre quantiles) sont calés sur la période 1984–2020, pour chaque station. En opérationnel, un seuil variable sera à choisir si le but est d’analyser les basses eaux saisonnières, tandis qu’un seuil mixte sera à privilégier si le but est d’analyser les sécheresses plus extrêmes, qui ont lieu durant la période d’étiage, avec classiquement un quantile 90 % (nommé Q90). Dans la suite du papier, un seuil mixte avec un quantile 90 % est sélectionné, et peut être visualisé à titre d’exemple, sur le volet supérieur de la Figure 3, avec le déficit de volume associé en rouge.

Figure 3. Caractérisation des étiages locaux.

Le débit (en mm) et le seuil mixte (en mm) sont représentés sur le volet supérieur tandis que le déficit cumulé (ou SPA, en mm), est représenté sur le volet inférieur. Repris de Caillouet et al. (2021).

Une fois les périodes de déficit identifiées, il arrive que de petites remontées du débit au-dessus du seuil apparaissent entre deux événements d’étiage. Pourtant, ces remontées ne suffisent généralement pas à compenser le déficit cumulé au cours de la période d’étiage précédente. Pour corriger cela, le sequent peak algorithm (SPA ; Tallaksen & Van Lanen, 2004), est appliqué (voir le volet inférieur de la Figure 3). Le SPA est calculé en cumulant la différence entre le débit journalier et le seuil (en mm). Seules les périodes avec un déficit positif sont conservées comme périodes d’étiage extrême. Il est alors possible de définir localement une sévérité (le déficit maximum pendant l’événement), une date de début d’événement (date à laquelle le déficit est initié), une date de fin d’événement (la date du maximum de déficit) et une durée totale de l’événement (différence entre la date de début et la date de fin).

Cette méthodologie n’est pas applicable aux bassins intermittents dont les débits peuvent être régulièrement nuls (cela concerne le Roubion et l’Aygues). En conséquence, le seuil interannuel calculé est nul sur certains jours de l’année, ce qui ne permet pas de calculer un déficit cumulé avec le SPA (soustraction du seuil et du débit). Ainsi, OSSEC utilise une méthodologie adaptée des travaux de Van Huijgevoort et al. (2012), qui permet de prendre en compte cette particularité. Pour cela, le seuil est calculé uniquement sur les débits strictement positifs (donnant donc un seuil toujours positif). En conséquence, un grand nombre d’événements peuvent être identifiés, via les débits nuls et les débits positifs sous le seuil, ce qui manque de cohérence par rapport à la valeur du quantile choisi. En effet, un Q90 signifie qu’on sélectionne les 10 % des débits les plus faibles. Ce chiffre peut ainsi monter à 12 ou 15 % avec cette nouvelle méthode, à cause des débits nuls. Pour pallier cet effet, un score est calculé pour chaque événement identifié, en multipliant sa durée par sa sévérité. Les événements sont ensuite classés grâce à ce score, et seuls les 10 % d’étiages les plus forts (pourcentage relatif au quantile choisi, ici un Q90) sont conservés. Les caractéristiques de ce filtre, calé sur la période 1984–2020, sont ensuite sauvegardées pour qu’il puisse être appliqué en opérationnel. Sur les bassins dont les chroniques ne comportent pas de débit nul, cette méthodologie rejoint celle explicitée précédemment.

3.2. Caractérisation spatiale des étiages

Une fois les événements identifiés localement pour chaque station, il est nécessaire d’ajouter de la cohérence spatiale. Cette étape s’effectue de façon différente pour les stations des bassins de tête (stations sur les affluents et à Pougny sur le Rhône), ou les stations aval (stations sur le Rhône hors Pougny).

3.2.1. Spatialisation des étiages sur les stations des bassins de tête

Les stations des bassins de tête sont au nombre de 21 (20 stations à l’exutoire des affluents, ainsi que le Rhône à Pougny). Pour les bassins de tête, des événements cohérents à l’échelle du Rhône sont définis lorsque les dates des événements locaux se chevauchent (Caillouet et al., 2016, 2017).

Ce processus ne peut pas être réalisé en considérant tous les bassins de tête en même temps. Il est nécessaire d’appliquer l’appariement par groupe de stations, afin de ne pas faussement apparier des stations soumises à des influences différentes. À l’échelle de la France, Caillouet et al. (2017, 2021) utilisent un regroupement par Hydro-écorégions (Wasson et al., 2002) comme étape intermédiaire. Ce découpage ne prend que partiellement en compte la répartition du réseau hydrographique, un même bassin versant peut ainsi se trouver à cheval sur plusieurs Hydro-écorégions. À l’échelle du Rhône cette méthode n’étant pas adaptée, il a fallu déterminer une méthode plus cohérente au cas étudié. Après plusieurs tests, le découpage par régime hydrologique dominant, présenté sur la Figure 1, a été retenu comme découpage intermédiaire pour la définition des étiages à l’échelle du bassin.

Ce principe est illustré sur la Figure 4 avec les stations à dominance nivale (Groupe 1), sur les panneaux (1) et (2). Dans le panneau (1), chaque barre noire représente le début et la fin d’un étiage défini localement. Le panneau (2) représente les événements après appariement, appelés événements de groupe (identifiables à leur couleur). Après appariement, quatre événements de groupe sont définis à l’échelle des stations composant le Groupe 1. Le premier a eu lieu entre le 20 avril et le 30 mai et a touché six stations sur huit. Le deuxième est un événement court vers le 8 juin qui a touché une station. Le troisième a touché deux stations aux alentours du 14 juin et enfin, le dernier a touché trois stations début juillet. À l’échelle des stations, les événements locaux sont transformés en événements de groupe, dont la durée totale est égale à la somme des durées des évènements locaux, et dont la sévérité correspond au maximum de sévérité des évènements locaux. Ainsi, pour le Fier, les deux événements locaux (en noir panneau (1)) sont réunis en un seul évènement de groupe (en turquoise panneau (2)).

Figure 4. Illustration du principe d’appariement en cinq étapes.

Les étapes (1), (2) et (5) sont illustrées avec les stations dont le bassin est à dominance nivale (Groupe 1).

Cet appariement, réalisé au sein de chaque groupe de régime hydrologique dominant, permet de construire des événements résumant ce qu’il se passe à l’échelle de chaque groupe. Ces derniers sont appelés « évènements pondérés de groupe » et un exemple peut être visualisé sur la ligne « Groupe 1 » de la Figure 4, panneau (2). Caillouet et al. (2017, 2021) utilisaient simplement la médiane des dates de début et de fin des événements de groupe de chaque station détectant l’événement. Dans le cadre d’OSSEC, les bassins étant de taille et contribution très différentes, il a été choisi d’utiliser des moyennes pondérées par le module, calculé sur la période 1984–2020. Ainsi, sur la Figure 4, panneau (2), l’événement pondéré de groupe de début juillet (en rouge) ressemble fortement à l’événement détecté par l’Isère, puisque l’Isère a un très fort poids en comparaison des Usses ou de la Valserine, les deux autres stations détectant cet événement de groupe. La partie (a) du diagramme présenté sur la Figure 5 permet de résumer ces étapes.

Figure 5. Présentation schématique des étapes successives de la mise en cohérence des événements d’étiage à l’échelle du Rhône pour les bassins de tête.

L’appariement est réalisé au sein de chaque groupe et les événements pondérés de groupe sont calculés. Cela est représenté par le panneau (3) de la Figure 4. Une fois ces événements pondérés de groupe obtenus, un appariement à l’échelle du bassin total est réalisé. Pour cela, le même principe de chevauchement de dates est utilisé, avec les chroniques des événements pondérés des trois groupes.

Une fois les événements pondérés de groupe appariés, ils sont transformés afin de ne conserver que des périodes continues à l’échelle du Rhône. Par exemple, sur la Figure 4 panneau (3), quatre événements étaient identifiés pour le Groupe 1. Sur le panneau (4), après appariement à l’échelle du Rhône, ils se transforment en seulement deux événements continus, s’étendant de la date de début minimale des événements appariés du panneau (3), jusqu’à la date de fin maximale. Il n’est pas nécessaire de garder la notion de « sous événement » pour l’appariement des événements de groupe, puisqu’ils servent seulement à faire le « tampon » entre deux appariements, effectués à des échelles spatiales différentes.

Après cette étape, l’appariement est donc effectué à l’échelle du bassin entier. Pour finir, l’appariement des événements pondérés de groupe est reporté à l’échelle des stations individuelles, comme présenté sur le panneau (5) de la Figure 4. Ce report se fait naturellement puisque les événements pondérés de groupe sont reliés aux événements locaux, et que les événements à l’échelle du bassin total sont également reliés aux événements pondérés de groupe. Une fois les deux couches d’appariement effectuées, les événements obtenus, spatialement cohérents à l’échelle du Rhône, sont appelés « événements globaux ». Sur l’exemple présenté, deux événements à l’échelle du Rhône sont finalement identifiés pour les stations du Groupe 1, chacun ayant une caractérisation différente à l’échelle des stations (durée, sévérité, nombre de sous événements, etc.). La partie (b) du diagramme présenté en Figure 5 permet de résumer ces étapes.

3.2.2. Spatialisation des étiages sur les stations aval

Les stations aval sont les stations positionnées sur le Rhône entre Bognes et Arles. Les événements d’étiage associés à ces stations sont la conséquence des événements d’étiage des bassins de tête contributifs. Par exemple, la station de Bognes sera associée aux bassins de tête de Pougny, de l’Arve et de la Valserine. La station suivante, à Brens, sera associée aux bassins de Pougny, de l’Arve, de la Valserine, des Usses, du Seran et du Fier. Enfin, la dernière station sur le Rhône, Arles, sera associée à tous les bassins de tête.

L’idée principale est de reporter les événements d’étiage globaux des bassins de tête aux stations du Rhône selon le même principe de chevauchement que celui présenté en Section 3.2.1. Pour chaque station aval, un résumé de chaque événement global des stations de tête est créé. Cet événement, appelé « événement représentatif », a une date de début qui correspond à la date de début minimale de l’événement global des stations de tête, et une date de fin qui correspond de la même manière à la date de fin maximale. Un chevauchement de dates entre les événements représentatifs et les événements locaux de la station aval, identifiés grâce au SPA, permet alors d’effectuer l’appariement. Le résultat permet d’obtenir des événements globaux à l’échelle de la station aval, qui correspondent au report des étiages globaux des bassins de tête. Le diagramme associé à cette procédure est présenté sur la Figure 6.

Figure 6. Présentation schématique des étapes successives de la mise en cohérence des événements d’étiage sur les stations aval du Rhône.

Ce principe est également illustré sur la Figure 7 avec la station du Rhône à Perrache. Sept bassins de tête sont associés à la station de Perrache, donnant deux événements globaux sur la période (en rouge et en vert). Pour chacun de ces événements, un événement représentatif est créé (pour rappel : en prenant le minimum des dates de début des événements des stations amont, et le maximum des dates de fin). Il arrive que des petits bassins détectent des événements avec une date de début ou de fin assez éloignée de celle des autres bassins. Afin de ne pas donner trop de poids à ces événements dans la création de l’événement représentatif, seules les stations de tête dont le débit moyen compte pour au moins 2 % du débit total des stations détectant l’événement global sont prises en compte. Cette valeur seuil de 2 % correspond au rapport du débit des quatre plus petits affluents avec le débit du Rhône à Pougny. Ce cas particulier est visible sur la Figure 7 pour la date de fin du premier évènement représentatif (en rouge), qui ne prend pas en compte l’événement associé aux Usses. Ainsi, l’événement représentatif associé se termine en même temps que l’évènement global sur l’Ain. Finalement, l’appariement entre les événements représentatifs et les événements locaux issus de Perrache permet de créer les événements globaux sur la station de Perrache (à droite sur la Figure 7), également liés aux événements globaux des stations de tête.

Figure 7. Illustration du principe d’appariement pour la station aval du Rhône à Perrache.

Dans certains cas, de légers problèmes de cohérence peuvent apparaître. Il arrive qu’un événement soit détecté sur la station aval, mais pas sur les bassins de tête associés (problème de mesure, anthropisation, etc.). Ce cas est visible sur la Figure 7, pour le premier événement détecté à Perrache. Il arrive aussi que des événements se chevauchent sur deux stations du Rhône consécutives, sans être associés au même événement global à la suite de l’appariement avec les bassins de tête. Ainsi, une étape corrective permet de rassembler les événements qui se propagent le long du Rhône au sein du même événement global, toujours selon le principe de chevauchement de dates.

4. Mise en opérationnel de l’outil OSSEC

L’outil opérationnel OSSEC Rhône fonctionne avec une interface Shiny (Winston et al., 2020). Cette dernière, ainsi que tous les codes de calcul d’OSSEC, sont codés avec le langage de programmation R. La méthode OSSEC est appliquée sur une période passée pour créer un historique des événements d’étiage de référence. Cet historique est sauvegardé pour être téléchargé lorsqu’OSSEC Rhône est lancé en temps réel. Les paramètres de la méthode sont également calibrés une unique fois sur la période 1984–2020. En fonctionnement opérationnel, la méthode fonctionne au fil de l’eau et permet de caractériser un étiage en cours, et de le comparer à l’historique établi, puis d’agrandir l’historique établi avec les nouvelles observations. L’application Shiny permet également de rejouer un événement passé particulier ou encore de rejouer une période donnée.

4.1. Construction de l’historique d’événements de référence

Les données hydrométriques utilisées sont disponibles sur des périodes variables, entre 1920 et maintenant. Appliquer la méthode décrite dans la Section 3, et particulièrement l’appariement spatial décrit dans la Section 3.2 sur la période 1920–2020, donnerait un appariement temporellement inhomogène, puisqu’un grand nombre de bassins n’ont pas de données avant 1984. Ainsi, la méthodologie décrite Section 3 est appliquée aux 32 stations observées sur la période 1984–2020, donnant un historique d’événements d’étiages cohérents sur le bassin du Rhône, avec des caractéristiques de durée et de sévérité.

Afin d’exploiter les données disponibles avant 1984 sur certaines stations, l’historique est étendu entre 1920 et 1984 en utilisant des chroniques d’étiages issues de la French hYdrometeorological REanalysis (FYRE Hydro, Caillouet et al., 2021 ; Devers, 2019) en remplacement des observations manquantes.

FYRE Hydro est une réanalyse ensembliste (25 membres) de débits historiques disponible au pas de temps journalier sur 661 bassins versants faiblement anthropisés en France, entre 1871 et 2012. Sur la zone d’étude d’OSSEC, ce sont 142 stations disponibles dans FYRE Hydro, majoritairement sur des petits bassins en amont des bassins de tête utilisés dans OSSEC Rhône. La caractérisation des étiages adaptée à OSSEC (Section 3) est appliquée aux 142 stations d’intérêt de FYRE Hydro, en prenant en compte son aspect ensembliste (voir Caillouet et al. (2017, 2021) pour les détails de l’application de la méthode à une réanalyse ensembliste). Afin de passer de chroniques sur 142 stations à des chroniques pour chaque bassin de tête, un événement représentatif appelé FYRE Hydro BV est calculé par bassin de tête, selon le même principe de calcul que l’événement représentatif permettant d’apparier les stations aval (Section 3.2.2).

Les chroniques d’étiage issues de FYRE Hydro BV sont ensuite utilisées en remplacement des affluents dont les données sont manquantes, afin d’effectuer l’appariement avec les stations dont les données sont disponibles. Par exemple, si un étiage est détecté en 1920 sur FYRE Hydro BV Ain, il pourra apparier plusieurs étiages détectés sur les stations du Rhône ou de la Saône, dont les données remontent en 1920. À la fin de la procédure, seuls les résultats issus des stations observées sont conservés, les étiages issus de FYRE Hydro BV ne servant qu’à apparier les autres stations et n’ayant pas vocation à reconstruire les données manquantes.

4.2. Caractérisation des étiages en temps réel

En temps réel, les données hydrométriques sont acquises en continu à CNR dans la base de données interne Hydromet©. Ainsi, l’utilisateur peut lancer OSSEC à tout moment, après avoir renseigné les paramètres souhaités (type de seuil, quantile) sur l’interface Shiny (en exemple sur la Figure 8).

Figure 8. Capture d’écran de l’interface Shiny d’OSSEC Rhône.

Au lancement de l’interface, le tableau des étiages historiques est téléchargé. Les données hydrométriques depuis le dernier étiage terminé de l’historique ainsi que les paramètres calés (seuils, filtre pour les bassins intermittents, etc.) sont téléchargés. La méthodologie de caractérisation des étiages est alors appliquée. Contrairement aux données utilisées dans l’historique, qui ont été critiquées manuellement, les données téléchargées en temps réel ne sont pas corrigées en cas d’erreur d’acquisition de la mesure. Néanmoins, en cas de donnée manquante, un message d’alerte est affiché et les événements créés sur la station correspondante ne sont pas considérés. Une fois qu’OSSEC a tourné, le tableau d’historique est mis à jour avec les nouveaux étiages caractérisés (ou est enregistré tel quel si aucun étiage n’est détecté). Il est également possible de faire tourner OSSEC sur un événement passé présent dans le tableau d’historique, ou sur une période précise. L’utilisateur peut ensuite visualiser des graphiques qui permettent d’exploiter la caractérisation issue d’OSSEC. L’application possède ainsi quatre onglets :

• un onglet présentant le tableau des événements depuis 1920 ;

• un onglet présentant des figures synthétisant l’information à l’échelle du bassin du Rhône, telle que l’évolution de l’étendue spatiale des événements ;

• un onglet présentant des figures caractérisant les étiages par station telles que des chroniques de durées ou de sévérités, des comparaisons d’événements (Figure 9), etc. ;

  Figure 9. Durée versus sévérité des événements d’étiage sur les stations du Rhône sur leur période de disponibilité.

  L’événement rejoué dans l’outil est celui de l’été 2020, en rouge.

  

• un onglet présentant des cartes de caractéristiques d’événements d’étiage (Figure 10).

  Figure 10. Carte des périodes de retour en durée ou en sévérité de l’événement rejoué face à trois événements de référence.

  

À titre d’exemple, la Figure 9 présente les caractéristiques d’étiage par station sur le Rhône, avec la durée des événements en ordonnée, et la sévérité en abscisse. L’événement en cours, ou rejoué (ici l’événement de l’été 2020) est replacé en rouge par rapport aux événements historiques. Cette figure permet de voir que l’événement de l’été 2020 se propage sur les stations du Rhône depuis Brens, jusqu’à Arles. Sur toutes les stations du Rhône dont la donnée est disponible depuis 1920 (Bognes, Pont de Lagnieu, Perrache, Ternay, Valence, Viviers et Beaucaire), les événements de 1921 et de 1976 sont les plus intenses, sachant que les événements de 2011 et 2018 apparaissent aussi régulièrement parmi les événements les plus intenses.

La carte prise en exemple sur la Figure 10 présente les périodes de retour en durée ou en sévérité de l’événement rejoué (août 2020 à gauche) comparées aux caractéristiques d’autres événements choisis en référence (2018, 1976 ou 1921). Ce type de figure permet alors de comparer l’importance de l’événement en cours ou rejoué face à une sélection d’événements historiques, en plus des caractéristiques transformées en période de retour. Sur cet exemple, l’événement de 2020 a été plus long sur la Saône (période de retour entre 20 et 35 ans) que les événements de 1921, 1976 ou 2018. Les bassins intermédiaires du Rhône (entre deux stations du Rhône) ont, eux, été plus touchés par les événements de 1921, 1976 ou 2018. Toutes les figures affichées sur l’application Shiny par les utilisateurs sont ensuite téléchargeables pour être insérées dans les études ou les rapports de suivi des étiages sur le Rhône.

5. Discussion

L’outil OSSEC Rhône est basé sur des données anthropisées qui peuvent modifier la définition des étiages. Cela ne pose pas de problèmes sur la définition des étiages en elle-même puisque le but est de qualifier les étiages réellement observés, malgré l’anthropisation, et non les étiages naturels hypothétiques. Néanmoins, l’anthropisation évoluant au cours du temps, les comparaisons temporelles entre les événements sont automatiquement impactées par ces évolutions. De même, si un changement de régime a lieu (tel que le changement de débits réservés sur la Durance), il sera nécessaire de recaler les seuils de la méthode en conséquence. En plus des données anthropisées, certaines stations peuvent présenter des données incohérentes ou incertaines, notamment en période d’étiage. Il serait possible de prendre en compte ces incertitudes en ajoutant un bruit aux données observées utilisées, et en construisant ainsi plusieurs scénarios de débits observés sur les différentes stations d’intérêt. Ces scénarios pourraient ensuite être propagés dans l’outil OSSEC Rhône afin d’obtenir des scénarios d’étiages, prenant en compte les incertitudes sur les débits observés.

Toujours sur la thématique des données, la réanalyse FYRE Hydro permet de remplacer les stations dont la donnée est manquante. Pour autant, les bassins représentés dans FYRE ne sont pas forcément similaires aux bassins drainés par les stations utilisées. C’est notamment le cas de l’Isère, où très peu de stations sont disponibles dans FYRE Hydro, et seulement des stations situées très en amont du bassin. C’est pour cela que FYRE Hydro a uniquement été utilisée pour apparier les événements sur les stations disponibles, et non pour reconstruire la donnée station. Enfin, il a été nécessaire de résumer l’information ensembliste de FYRE Hydro en information déterministe pour obtenir une seule chronique d’étiages par station (voir Caillouet et al., 2017, 2021 pour les détails de la méthode). L’incertitude associée à FYRE Hydro n’est donc pas conservée dans la définition des étiages issus de FYRE. Cette incertitude n’est pas utile dans notre usage mais elle pourrait éventuellement être conservée si le but était d’étudier l’impact des incertitudes dans la caractérisation des étiages historiques. La définition des étiages issus d’OSSEC, et notamment l’appariement spatial, dépend du nombre de stations considérées et de l’emprise spatiale dont elles sont représentatives. Il est ainsi normal de ne pas retrouver exactement les mêmes caractéristiques d’événements si l’appariement s’effectue à l’échelle du bassin du Rhône, ou à l’échelle de la France. Cette définition dépend également du type de seuil choisi et du quantile considéré.

6. Conclusions

OSSEC Rhône est un outil permettant de caractériser en temps réel les étiages sur le Rhône et ses affluents. Il s’appuie sur un jeu de 32 stations hydrométriques, dont la donnée est acquise en temps réel. Les étiages sont tout d’abord identifiés localement lorsque le débit passe en dessous d’un seuil prédéfini, puis sont appariés à l’échelle du bassin afin de produire des étiages spatialement cohérents. Pour chaque station, il est alors possible de déterminer si un étiage est en cours, ainsi que ses caractéristiques de durée et de sévérité. Il est ensuite possible de comparer ses caractéristiques avec les caractéristiques des étiages historiques, disponibles depuis 1920 selon la station considérée.

Cet outil permet d’approfondir la connaissance des étiages, et d’aller au-delà des statistiques aupa-ravant calculées sur les bulletins de suivi des étiages produits par CNR, basées sur des quantiles de débits mensuels. Il est alors possible d’analyser l’évolution saisonnière des étiages, ainsi que leur période de retour. Cette connaissance approfondie permet ensuite d’adapter la gestion du fleuve notamment en termes de navigation et de production hydroélectrique. OSSEC n’utilisant que des débits journaliers, il serait également possible d’utiliser les prévisions de débit produites à CNR sur les 14 prochains jours afin de prévoir l’évolution de l’étiage en cours. Cette méthode développée sur le bassin du Rhône est adaptable à d’autres bassins tels que celui de la Loire ou du Rhin.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.