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Modèle hydrologique J2000

Modèle hydrologique J2000

Concepts et description générale

Le modèle hydrologique J2000 est utilisé et développé dans l’équipe depuis 2010, en collaboration avec l’université Friedrich-Schiller à Iéna, en Allemagne. J2000 a été développé à l'origine pour les besoins de la Directive Cadre Européenne sur l'Eau, visant à quantifier les ressources en eau à l'échelle des masses d'eau telles que définies par la directive donc plutôt sur des bassins de méso- à grande échelle (quelques dizaines à plusieurs milliers de km²). J2000 propose donc une représentation complète des processus hydrologiques sur un bassin versant avec une approche simplifiée s'appuyant sur des bilans en eau dans des réservoirs: partition pluie-neige, évapotranspiration sur la base d'une évapotranspiration de référence modulée par des coefficients culturaux, évolution du manteau neigeux, infiltration dans le sol, ruissellement de surface, percolation vers la nappe, écoulement dans la nappe et routage dans le réseau hydrographique (voir Figure). 

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Une attention particulière est portée aux paramètres, qui ont un sens physique et peuvent soit être rapportés à des grandeurs mesurables sur le terrain (porosité, capacité au champ pour les sols), documentés dans des bases de données (indice de surface foliaire, coefficients culturaux), ou correspondent à des hypothèses de fonctionnement hydrologique explicites. La discrétisation spatiale s'appuie sur un maillage irrégulier en Unités de Réponse Hydrologique (Hydrological Response Units ou HRUs). Ces HRUs, issues du croisement de couches géographiques (topographie, géologie, pédologie, occupation du sol), permettent de construire des unités supposées homogènes du point de vue des processus. La topologie du modèle permet un routage des flux hydrologiques produits de HRU en HRU, puis le long du réseau hydrographique. J2000 est donc un modèle totalement distribué spatialement. Le pas de temps de J2000 est par défaut le pas de temps journalier. 

J2000 est implémenté dans la plate-forme de modélisation JAMS. Une plate-forme de modélisation peut être définie comme un outil informatique qui permet la construction et la mise en œuvre rapides de modèles, à partir de composantes réutilisables et interchangeables, et qui offre la possibilité d'en rajouter facilement de nouvelles. J2000 ne doit donc pas être vu comme un modèle monolithique mais plutôt comme une famille de modèles dont il existe plusieurs variantes, en fonction des échelles spatiales et temporelles d'intérêt, des objectifs spécifiques des différentes études ou projets, et des caractéristiques des bassins versants d'application.

Modèles construits à partir de J2000

Petits bassins versants péri-urbains et / ou à réaction rapide : J2000P

Le modèle J2000P a été développé initialement au cours de la thèse de Mériem Labbas (2015) portant sur le fonctionnement des bassins versants périurbains. La taille de bassin versant visée est typiquement quelques dizaines à une centaine de km². Par rapport rapport au modèle J2000 classique, J2000P utilise le pas de temps horaire pour une meilleure prise en compte des dynamiques rapides. Les réseaux d'assainissement et les déversoirs d'orage ont été ajoutés au modèle; et les taux d'imperméabilisation ont été spatialisés de façon plus fine. Pour les HRUs mixtes (drainées à la fois par le réseau hydrographique naturel et le réseau d'assainissement), un taux de connexion au réseau modulable, qui transfère directement une partie du ruissellement de surface produit au réseau d'assainissement, a été introduit. Une composante permettant de représenter les ouvrages de gestion à la source des eaux pluviales a été ajouté par Bonneau et al. (2023).

Plus récemment, J2000P a été complété d’une composante de traçage de l’origine de l’eau le long du réseau hydrographique (Grandjouan, 2024). En zone rurale, des composantes d’usage de l’eau pour l’agriculture (irrigation, abreuvement des animaux) ont été ajoutées (Hachgenei et al. 2025). 

Impact du changement climatique et des usages sur la ressource en eau à l’échelle régionale : J2000-Rhône

L’objectif de cette modélisation est de fournir une vision spatialisée de la ressource en eau et de la variabilité notamment saisonnière des régimes hydrologiques, en prenant en compte la diversité du climat, mais aussi de la topographie, géologie, occupation du sol et principaux usages de l’eau sur de grands territoires. Le modèle peut alors être utilisé pour réaliser des projections sous changement global, en croisant des scénarios de changement climatique et de changement d’occupation du sol ou d’usages de l’eau, de façon à éclairer les futurs possibles et tester l’impact de stratégies d’adaptation.

Le modèle J2000-Rhône a été développé dans cet objectif depuis 2013 (Branger et al., 2016), sur l’ensemble du bassin versant du Rhône, y compris la partie Suisse (100000 km²), avec une discrétisation spatiale en plus de 10000 HRUs (voir Figure)

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Il existe plusieurs variantes de J2000-Rhône, en particulier :
    • une version représentant l’hydrologie naturelle, développée depuis 2014 et qui a été utilisée notamment dans le cadre du projet Explore 2;
    • une version se focalisant sur l’hydrologie de montagne, avec la prise en compte notamment des glaciers et de leur évolution au cours du temps (Bolibar Navarro, 2020, Champagne et al., 2024). Cette version est actuellement en train d’être complétée par la représentation des processus d’érosion et de transferts de sédiments dans le cadre de l’Observatoire des Sédiments du Rhône;
    • une version représentant l’hydrologie anthropisée, qui intègre les grands barrages et dérivations, les prélèvements pour l’eau potable et rejets de stations d’épuration, et les prélèvements pour l’irrigation (Branger et al., 2016, Branger et al., 2025). Des développements sont en cours pour intégrer aussi l’effet de retenues de petite taille de type retenues collinaires (thèse Nathan Pellerin);
    • une version couplant J2000 avec modèle hydrodynamique 1D MAGE sur l’axe Rhône (Branger et al., 2023).

En parallèle du Rhône, la version en hydrologie naturelle de J2000 a aussi été appliquée sur le bassin versant de la Loire (J2000-Loire) dans le cadre du projet Explore 2.

Modélisation hydrologique des bassins versants intermittents

*** en cours de rédaction ***

Crues rapides en contexte Méditerranéen: Simpleflood

Simpleflood est un modèle semi-distribué développé dans le cadre de la thèse de Marko Adamovic (2024) [https://theses.hal.science/tel-01229640]. Il reprend l'approche « simple dynamical system » de Kirchner (2009), avec des adaptations pour le contexte Méditerranéen, caractérisé par une très forte évapotranspiration. Cette approche a été intégrée sous forme de composante dans JAMS, et combinée avec les modules d'évapotranspiration et de routage dans le réseau hydrographique issus de J2000. Simpleflood a été appliqué sur le bassin versant de l’Ardèche et celui des Gardons.

Voir aussi

Ressources techniques

La plate-forme JAMS, le modèle J2000, ses composantes et variantes ainsi que les outils associés (maillage, configuration des modèles, post-traitement des résultats) sont tous développés et distribués selon des licences open-source LGPL ou GPL. JAMS, J2000 et ses composantes sont développés en Java. Le logiciel de maillage HRU-delin s’appuie sur le logiciel SIG GRASS et des scripts Python. L’utilitaire de configuration et traitement des sorties J2K-RUI est distribué sous forme de package R.

Ils sont disponibles ici :
- Site de JAMS à l’université de Iéna
- Forge logicielle SVN de JAMS (http://svn.geogr.uni-jena.de/svn/jams), J2000 (http://svn.geogr.uni-jena.de/svn/jamsmodels) et des différents modèles (http://svn.geogr.uni-jena.de/svn/jamsmodeldata)
- Documentation J2000 de l’équipe
- Logiciel de maillage HRU-delin
- Package R de configuration et post-processing J2K-RUI

Références bibliographiques

Thèses ayant utilisé ou utilisant J2000 :
- Marko Adamovic, manuscript
- Mériem Labbas, manuscript
- Ivan Horner, page d'information
- Bastien Richard, page d'information
- Jordi Bolibar Navarro, page d'information
- Maxime Morel, page d'information
- Olivier Grandjouan, page d'information
- Nathan Pellerin, page d'information

Articles :

Mimeau, L., Künne, A., Devers, A., Branger, F., Kralisch, S., Lauvernet, C., Vidal, J.-P., Bonada, N., Csabai, Z., Mykrä, H., Pařil, P., Polović, L., and Datry, T.: Projections of streamflow intermittence under climate change in European drying river networks, Hydrol. Earth Syst. Sci., 29, 1615–1636, https://doi.org/10.5194/hess-29-1615-2025, 2025.

Fabre, C., Fressard, M., Bizzi, S., Branger, F. & Piegay, H. (2024) Combining hillslope erosion and river connectivity models to assess large scale fine sediment transfers: Application over the Rhône River (France). Earth Surface Processes and Landforms, 49(10), 3027–3045. Available from: https://doi.org/10.1002/esp.5874 

Mimeau, L., Künne, A., Branger, F., Kralisch, S., Devers, A., and Vidal, J.-P.: Flow intermittence prediction using a hybrid hydrological modelling approach: influence of observed intermittence data on the training of a random forest model, Hydrol. Earth Syst. Sci., 28, 851–871, https://doi.org/10.5194/hess-28-851-2024, 2024. 

Bonneau, J., Branger, F., Castebrunet, H., & Lipeme Kouyi, G. (2023). The impact of stormwater management strategies on the flow regime of a peri-urban catchment facing urbanisation and climate change: a distributed modelling study in Lyon, France. Urban Water Journal, 20(7), 925–942. https://doi.org/10.1080/1573062X.2023.2217809

Morel, M., Pella, H., Branger, F., Sauquet, E., Grenouillet, G., Côte, J., Braud, I., & Lamouroux, N. (2023). Catchment-scale applications of hydraulic habitat models: Climate change effects on fish. Ecohydrology, 16(3), e2513. https://doi.org/10.1002/eco.2513

M. Adamovic, F. Branger, Isabelle Braud, S. Kralisch. Development of a data-driven semi-distributed hydrological model for regional scale catchments prone to Mediterranean flash floods. Journal of Hydrology, 2016, Flash floods, hydro-geomorphic response and risk management, 541 (Part A), pp.173--189. ⟨10.1016/j.jhydrol.2016.03.032⟩

M. Labbas, F. Branger, Isabelle Braud. Développement et évaluation d'un modèle hydrologique distribué pour des bassins périurbains. Application au Bassin de l'Yzeron (150 km2). La Houille Blanche - Revue internationale de l'eau, 2015, 5 (5), pp.84-91. ⟨10.1051/lhb/20150059⟩

F. Branger, S. Kermadi, C. Jacqueminet, K. Michel, M. Labbas, et al.. Assessment of the influence of land use data on the water balance components of a peri-urban catchment using a distributed modelling approach. Journal of Hydrology, 2013, 505, pp.312-325. ⟨10.1016/j.jhydrol.2013.09.055⟩

Rapports scientifiques :

[1]      Annika Künne, Louise Mimeau, Flora Branger, Sven Kralisch, Alexandre Devers, et al.. Report on catchment–scale spatially distributed models for the 6 European focal DRNs. Friedrich–Schiller–Universität (Iéna, Allemagne). 2022. ⟨hal–04620635⟩

[2]      Flora Branger, Jean Marçais, Ivan Horner, Isabelle Braud. Amélioration de la représentation des eaux souterraines dans la Modélisation hydrologique du Rhône J2000, pour une meilleure connaissance de la ressource en eau en contexte de changement global. INRAE. 2021. ⟨hal–03993797⟩

[3]      Thomas Cipriani, François Tilmant, Chloé Le Gros, Christine Barachet, F. Branger, et al.. Modélisation hydrologique distribuée du Rhône. Rapport d’avancement 2014 – version finale. [Rapport de recherche] irstea. 2014, pp.140. ⟨hal–02601065⟩

[4]      Olivier Champagne, Anthony Lemoine, Thomas Condom, Isabelle Gouttevin, Jordi Bolibar, et al.. Modélisation hydrologique distribuée du Rhône: Intégration d’un module de dynamique glaciaire dans J2000–Rhône. INRAE – RiverLy. 2024. ⟨hal–04863102⟩

[5]      Jérémie Bonneau, Flora Branger, Hélène Castebrunet, Gislain Lipeme Kouyi. Modélisation de scénarios de gestion des eaux pluviales à la source face aux changements globaux. INRAE. 2022. ⟨hal–03993757⟩

[6]      I. Gouttevin, M. Turko, F. Branger, Etienne Leblois, J.E. Sicart. Action Neige 2016–2017: Amélioration de la modélisation hydrologique distribuée en conditions naturelles dans les Alpes. [Rapport de recherche] irstea. 2017, pp.58. ⟨hal–02609737⟩

[7]      Annika Künne, Louise Mimeau, Alexandre Devers, Sven Kralisch, Flora Branger, et al.. Report on future projections of flow intermittence for the 6 European focal DRN. Friedrich Schiller Universität. 2023. ⟨hal–04620640⟩

[8]      Flora Branger, Jérémie Bonneau, Nathan Pellerin, Jérôme Le Coz. Modélisation prospective des transferts hydrologiques et des débits : Résultats des scénarios simulés avec le modèle J2000–Rhône. [Rapport de recherche] INRAE. 2023. ⟨hal–04228411⟩

[9]      Eric Sauquet, Yannick Arama, Eugénie Blanc Coutagne, Hélène Bouscasse, Flora Branger, et al.. Projet R²D² 2050 : Risque, ressource en eau et gestion durable de la Durance en 2050. [Rapport de recherche] irstea. 2015, pp.245. ⟨hal–02601503⟩

[10]     Mathieu Fressard, Clément Fabre, Simone Bizzi, Flora Branger, Hervé Piégay. Modélisation prospective du transfert de matières en suspension (MES) dans le bassin versant du Rhône. Construction d’un modèle sédimentaire et application de scénarios. [Rapport de recherche] CNRS; INRAE; Univ. Padova. 2024. ⟨hal–04653218⟩

[11]     Isabelle Braud, Julien Andrieu, P.A. Ayral, Christophe Bouvier, F. Branger, et al.. FloodScale : Observation et modélisation hydro–météorologique multi–échelles pour la compréhension et la simulation des crues éclairs, Rapport scientifique final du projet, ANR–2011 BS56 027 01. [Rapport de recherche] irstea. 2016, pp.149. ⟨hal–02603603⟩

[12]     F. Branger, Isabelle Gouttevin, François Tilmant, Thomas Cipriani, Christine Barachet, et al.. Modélisation hydrologique distribuée du Rhône. [Rapport de recherche] irstea. 2016, pp.116. ⟨hal–02605058⟩

[13]     Eric Sauquet, Guillaume Evin, Sonia Siauve, Audrey Bornancin–Plantier, Natacha Jacquin, et al.. Messages et enseignements du projet Explore2. INRAE; OiEau; OFB; MTECT; BRGM; CNRS; IRD; BRGM; EDF; Météo–France. 2024. ⟨hal–04642698⟩

[14]     Isabelle Braud, F. Branger, Katia Chancibault, C. Jacqueminet, Pascal Breil, et al.. Assessing the Vulnerability of PeriUrban Rivers. Rapport scientifique final du projet AVuPUR (ANR–07–VULN–01). [Rapport de recherche] irstea. 2011, pp.96. ⟨hal–02596619⟩

Date de modification : 02 juin 2025 | Date de création : 05 mars 2025 | Rédaction : Flora Branger