Soutenance mémoire
Généralités sur la modélisation hydrologique et le changement global
Modélisation hydrologique
Définition
Un modèle hydrologique est une représentation simplifiée d’un hydrosystème (WMO et UNESCO, 2012). C’est donc une interprétation orientée du comportement hydrologique des bassins versants selon le concepteur et l’objectif poursuivi. Ainsi, il n’y a pas de modèle parfait, car aucune représentation simplifiée du comportement hydrologique d’un bassin versant ne saurait prendre en compte toutes les interactions à toutes les échelles à cause de la complexité des phénomènes naturels. Cependant, la modélisation du comportement hydrologique des bassins versants est incontournable pour l’évaluation et la gestion des ressources en eau et des risques (crues, étiages, qualité des eaux, etc.). La modélisation d’un hydrosystème consiste à développer un modèle spécifique ou à choisir le modèle le plus adapté et à évaluer sa capacité à représenter la réalité en comparant les résultats du modèle avec les observations .
Les modèles hydrologiques essayent d’approcher le fonctionnement hydrologique du bassin versant à travers diverses approches. Il peut donc y avoir autant de modèles que d’hydrologues et c’est peut-être ce qui explique le foisonnement des modèles hydrologiques (Ambroise, 1999). La nécessité de classifier la panoplie de modèles hydrologiques est apparue et plusieurs auteurs y ont essayé (Pechlivanidis et al., 2011), mais des confusions persistent sur l’appartenance de tel ou tel modèle à une famille donnée. Ici, nous proposons de présenter les modèles selon leur nature ou leur structure.
Classification des modèles hydrologiques selon leur nature
Les modèles hydrologiques peuvent être classés dans la catégorie newtonienne (approche ascendante) ou darwinienne (approche descendante) (Sivapalan et al., 2003; Blöschl et al., 2007a, 2013; Wang et Tang, 2014a). L’approche newtonienne nécessite une compréhension approfondie des processus physiques individuels agissant dans un bassin hydrographique afin de construire un modèle hydrologique détaillé basé sur les équations de conservation. L’approche darwinienne cherche à expliquer le comportement d’un système hydrologique dans son ensemble en identifiant des schémas temporels ou spatiaux simples et robustes qui capturent les processus pertinents.
Modèles newtoniens ou ascendants
L’hydrologie, science « dure », était principalement basée sur les équations de conservation de Newton pour comprendre le comportement des bassins versants (Brutsaert, 2005). Des modèles « physiques » ont ainsi été développés pour capturer les processus importants à l’échelle du bassin versant en supposant implicitement que la mise à l’échelle des processus est possible grâce à des valeurs correctes de paramètres par le biais d’observations, d’expériences et d’algorithmes d’optimisation. Cette approche permet d’analyser les contrôles de causalité, mais le résultat est en grande partie le reflet des hypothèses du modèle. Les interrelations et les effets d’échelle sont difficiles à saisir et il n’est pas aisé de définir la structure du modèle et les paramètres de manière réaliste (Blöschl et al., 2007a). Le problème de l’équifinalité et de non-unicité, où différents ensembles de paramètres et structures de modèles peuvent donner des résultats tout aussi « bons » (Pechlivanidis et al., 2011), pose des problèmes quant à la compréhension du comportement hydrologique du bassin versant capturé par ces modèles. Les modèles newtoniens sont basés sur une approche mécaniste, mais réductionniste. La nécessité d’approfondir la connaissance des systèmes hydrologiques de plus en plus changeants a conduit à des appels répétés pour une approche darwinienne (holistique) de la science hydrologique, ou pour un couplage des approches darwinienne et newtonienne (Harman et Troch, 2014).
Le couplage de modèles darwinien-newtoniens devrait permettre de mieux comprendre le comportement changeant des bassins versants jaugés comme non jaugés. Pour ce faire, on a besoin d’une approche qui va au-delà de la mécanique de génération de ruissellement (Approche newtonienne) et qui intègre les propriétés climatiques et paysagères sous-jacentes (Sivapalan et al., 2003; McDonnell et al., 2007; Thompson et al., 2013).
Transposition des théories de Charles Darwin en hydrologie
Charles Darwin (1809 – 1882) fut un biologiste et naturaliste anglais célèbre pour sa « théorie de l’évolution ». Cependant, il est l’auteur d’autres théories comme celle de la biogéographie (Harman et Troch, 2014). En faisant un parallèle entre les travaux de Darwin à l’hydrologie, des chercheurs ont commencé à se questionner sur la prise en compte de l’évolution des bassins versants dans la compréhension de leur réponse hydrologique. Pendant plusieurs décennies, de grands efforts ont été déployés pour analyser des systèmes hydrologiques des bassins versants, ce qui a permis d’obtenir des informations approfondies (même si incomplètes) sur la distribution spatio-temporelle et les processus contrôlant la génération de ruissellement et la répartition du bilan hydrique dans plusieurs bassins versants (Blöschl et al., 2013; Harman et Troch, 2014). Le comportement hydrologique du bassin versant est le résultat de processus géomorphologiques, pédologiques, écologiques et anthropiques qui opèrent sur de nombreuses échelles de temps. L’objectif général de l’hydrologie darwinienne est donc d’expliquer les origines des variations au sein des échantillons de bassins versants étudiés à travers le monde. Mais, est-ce que l’approche de Darwin est vraiment transférable à l’étude des bassins versants ?
Gould (1983) a constaté que Darwin a poursuivi trois grandes stratégies pour générer des théories explicatives : (1) mesurer et extrapoler des processus observables (2) classifier et remplacer l’espacetemps, et (3) chercher pour les signatures uniques des mécanismes historiques intégrés dans la forme actuelle. La mise en œuvre de ces stratégies en hydrologie devrait permettre de surmonter le problème de « l’unicité du lieu » sans nier ou simplifier les caractéristiques uniques complexes des bassins versants (Harman et Troch, 2014).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I Contexte et problématique
II Objectifs de la thèse
III Aperçu synoptique de la bibliographie consultée
IV Cadre méthodologique globale
V Organisation du document
PARTIE A : ELEMENTS DE CONTEXTE ET DONNEES DE L’ETUDE
Introduction partielle
Chapitre I : Généralités sur la modélisation hydrologique et le changement global
I Modélisation hydrologique
II Écoulement et ruissellement
III Changement global
IV Études d’impact des changements climatique et environnemental sur la réponse hydrologique d’un bassin versant
Chapitre II : Cadre physique et données de l’étude
I Cadre physique de l’étude
II Données de l’études
Conclusion partielle
PARTIE B : VARIABILITE HYDRO-CLIMATIQUE ET ENVIRONNEMENTALE
Introduction partielle
Chapitre III : Variabilité hydro-climatique
I Méthodologie : tests statistiques et techniques d’extraction d’indices
II Résultats de l’étude de variabilité hydro-climatique dans les bassins versants du Nakanbé
III Discussion
Chapitre IV : Variabilité environnementale et interrelations avec le climat
I Méthodologie pour l’analyse de la variabilité environnementale
II Résultats de l’étude de variabilité environnementale
III Discussion
Conclusion partielle
PARTIE C : CONTRIBUTIONS INDIVIDUELLES ET COMBINEE DES CHANGEMENTS CLIMATIQUE ET ENVIRONNEMENTAL AUX CHANGEMENTS D’ECOULEMENTS DANS LES BASSINS EMBOITES DU NAKANBE A WAYEN
Introduction partielle
Chapitre V : Impacts des changements climatique et environnemental sur la ressource en eau
I Méthodologie
II Résultats de l’étude d’impact des changements climatique et environnemental sur les écoulements du Nakanbé sur la période 1965-2018
III Discussion
Chapitre VI : Coévolution climat-environnement dans le bassin versant du Nakanbé à Wayen
I Méthodologie de recherche de coévolution climat-environnement à l’échelle de bassin versant
II Résultats
III Discussion
Conclusion partielle
PARTIE D : SIMULATION DES ECOULEMENTS DU NAKANBE DANS UN CONTEXTE DE CHANGEMENT GLOBAL
Introduction partielle
Chapitre VII : Modélisation hydrologique des bassins emboîtés du Nakanbé à Wayen sous SWAT
I Méthodologie de modélisation hydrologique des bassins versants de Nakanbé
II Résultats
III Discussion
Chapitre VIII : Couplage SWAT-Budyko pour la prise en compte de la dynamique environnementale dans la modélisation hydrologique
I Méthodologie
II Résultats
III Discussions
Conclusion partielle
CONCLUSION GÉNÉRALE
