Le rôle de l’humidité du sol dans le processus climatique et hydrologique

Le rôle de l’humidité du sol dans le processus climatique et hydrologique

Changement climatique et impacts sur l’hydrologie

Depuis sa formation il y a 4,6 milliards d’années, le climat sur la Terre n’a cessé d’évoluer. En particulier au cours du quaternaire, le climat a alterné. Depuis le cambrien, la température terrestre moyenne a varié de près de quinze degrés (Figure 1.1). Depuis la révolution industrielle du début du XIXe siècle et l’avènement des activités anthropiques libératrices de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, le climat semble avoir été bouleversé et son équilibre est remis en question. La température globale de la Terre augmente rapidement depuis le début du XXe siècle (Figure 1.2), ce qui coïncide avec la hausse des concentrations de dioxyde de carbone, méthane et autres gaz à effet de serre (Figure 1.3) libérés par les activités humaines et notamment la production d’énergie et les transports. Nombreux sont aujourd’hui les scientifiques qui étudient ce phénomène de changement climatique, car il touche tous les domaines et se révèle être d’une importance capitale.

Les modèles mis en place pour représenter la machine climatique et ainsi prévoir son comportement à long terme grâce à des projections à divers horizons s’accordent sur une augmentation de la température globale de la surface terrestre (d’où le terme de réchauffement climatique), notamment durant l’hiver, des précipitations plus importantes en général ainsi qu’une hausse de la fréquence des événements extrêmes. Au cours des 25 dernières années, les températures ont augmenté à un taux de 0,19°C par décennie, entraînant des changements au niveau des composantes du cycle hydrologique : comme le montrent les mesures effectuées par satellite, les nappes de glace, les glaciers et les calottes glaciaires perdent de leur masse de plus en plus rapidement. Combinée à cela, la dilatation thermique due à l’élévation de température dans les océans fait qu’aujourd’hui, l’élévation moyenne mondiale du niveau de la mer (3,4 mm/an sur les 15 dernières années) est de 80 % supérieure 7 aux dernières prévisions du GIEC (The Copenhagen Diagnosis, 2009). Par ailleurs, l’augmentation des précipitations moyennes sur l’ensemble du globe semble indiquer que le cycle hydrologique devienne plus actif, c’est-à-dire plus d’évaporation, plus de précipitations, plus de ruissellement, etc. Le Tableau 1.1 montre les prévisions des modèles pour le sud du Québec (où se situe le bassin versant de la rivière Gatineau, objet de l’étude) à l’horizon 2080 en fonction de différents scénarios plus ou moins optimistes (correspondant aux scénarios de gaz à effet de serre définis par le GIEC).

Le rôle de l’humidité du sol dans le processus climatique et hydrologique

L’humidité du sol, en raison de sa mémoire relativement longue et à travers son rôle actif dans les interactions entre surface et atmosphère, participe de façon effective à la modulation des variations du climat (Li et al., 2007). Par exemple, en cas de forte précipitation, le sol pourra être saturé pendant plusieurs jours voire quelques semaines si l’évapotranspiration est faible. À plus long terme, ce paramètre module les sécheresses et les inondations (Pan et al., 2001). L’humidité du sol pourrait donc être une mesure intéressante afin d’évaluer les impacts des changements dans le cycle hydrologique par le fait qu’elle est un témoin des effets combinés des changements au niveau de la précipitation, de l’évaporation et du ruissellement au cours de l’année (GIEC, 2001). La Figure 1.4 représente le cycle de l’eau où l’humidité du sol est liée aux processus de ruissellement, d’infiltration, d’évaporation et d’évapotranspiration. Yonghui et al. (2003) écrivent à ce sujet que l’évaluation de l’humidité du sol est importante, d’autant plus que plusieurs processus du cycle hydrologique, et spécialement les flux horizontaux comme le ruissellement, sont fortement influencés par l’humidité du sol, car on parle de ruissellement une fois que le sol est saturé, du moins sa zone de surface.

Wei (1995) précise ce qui fait que l’humidité du sol joue un rôle prépondérant dans le cycle hydrologique : au niveau de la surface terrestre, l’humidité du sol pilote la répartition des flux de chaleur sensible et de chaleur latente avec l’atmosphère, liant ainsi les bilans hydrique et d’énergie à travers les états d’humidité et de température du sol peu profond et de l’atmosphère. Par ailleurs, l’humidité du sol a une place importante dans la compréhension des changements possibles au niveau des cultures et de leur productivité (Henderson-Sellers, 1997). En effet, Lindroth et al. (1998) ont observé que sous des températures plus élevées, une humidité du sol plus faible inhibait la photosynthèse chez les plantes. Robock (1995) ajoute que les changements au niveau de l’humidité du sol joueront un rôle majeur dans les impacts des changements climatiques sur la production agricole ainsi que sur les écosystèmes naturels. Cornwell et al. (2007) insistent sur le fait que des baisses de l’humidité du sol restreindraient la respiration des plantes et réduiraient ainsi la productivité des cultures. Tout ceci amène de nombreux scientifiques à penser que l’humidité du sol, au même titre que la couverture nivale, est la composante la plus importante de la mémoire météorologique pour le système climatique terrestre (Robock et al., 2000). Malgré son importance, rares sont les bases de données d’humidité du sol, et les modèles peinent encore à représenter fidèlement les processus et à sortir des données fiables.

Moyens d’évaluation et outils de mesures

Un des problèmes rencontrés, lorsque vient le temps de discuter de l’humidité du sol et de sa modélisation, est que la variable en elle-même est souvent mal définie et donc que la définition et le traitement de « l’eau du sol » varie d’un modèle à l’autre (Cornwell et al., 2007). Il convient donc en premier lieu de bien définir l’objet. L’humidité du sol, aussi appelée teneur en eau d’un sol, constitue la phase liquide présente dans un sol. Elle varie en fonction de nombreux paramètres comme le type de sol, sa structure, sa porosité, la topographie du territoire, la végétation ou encore la température de l’air. Elle peut s’exprimer de différentes manières, suivant qu’on la rapporte à la masse ou au volume. On parle d’humidité volumique (ou teneur en eau volumique), généralement notée θ, lorsqu’on évalue le rapport du volume d’eau présent dans le sol sur le volume apparent de ce sol. Cette valeur varie entre une valeur minimale, la teneur en eau résiduelle θr, et une valeur maximale, la teneur en eau à saturation θs, qui est en principe égale à la porosité totale (rapport du volume des vides sur le volume total du milieu). On définit aussi l’indice de saturation, généralement noté Sw, comme le rapport du volume d’eau sur le volume des pores. Cette valeur varie entre un minimum résiduel et la valeur de 100 % à saturation (Musy, 2005). Ces valeurs s’expriment en m3.m-3 tandis qu’elles sont en kg.m-3 dans l’approche massique. Il existe plusieurs méthodes pour mesurer l’humidité du sol et le choix de l’une ou l’autre dépend de l’application et des ressources disponibles (Robock et al., 2000) :

– la méthode gravimétrique, utilisée depuis longtemps, consiste à extraire un échantillon de sol, à le peser, le sécher ensuite au four à 105°C jusqu’à poids constant, puis le repeser afin d’obtenir l’humidité totale du sol dans l’échantillon, qui peut ensuite être convertie en unité volumique en utilisant la masse volumique du sol. Cette méthode est simple, mais assez laborieuse et a tendance à quelque peu détruire les sites étudiés. De nouvelles méthodes électroniques ont été introduites, mais elles sont indirectes et nécessitent un étalonnage et des hypothèses théoriques;

– la sonde à neutrons est relativement facile à utiliser, précise, et capable de mesures en temps réel. La sonde émet des neutrons rapides qui, au contact des atomes d’hydrogène présents dans le sol étudié, perdent une grande partie de leur énergie. La détection des neutrons lents renvoyés vers la sonde permet une estimation de la quantité d’hydrogène dans le sol et ainsi de l’humidité du sol. Les inconvénients de cette méthode sont la complexité de l’étalonnage des sondes, les précautions associées à la manipulation de matériel radioactif ainsi que les coûts relativement élevés;

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Changement climatique et impacts sur l’hydrologie
1.2 Le rôle de l’humidité du sol dans le processus climatique et hydrologique
1.3 Moyens d’évaluation et outils de mesures
1.4 L’humidité du sol dans les modèles climatiques et hydrologiques
1.5 L’humidité du sol et le changement climatique
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE ET OUTILS
2.1 Méthodologie générale
2.2 Outils de modélisation
2.2.1 Modèle climatique – MRCC
2.2.2 Modèle hydrologique
2.2.3 Réanalyses et sorties directes du MRCC
CHAPITRE 3 DESCRIPTION DU DOMAINE D’ÉTUDE
3.1 Localisation du bassin versant à l’étude
3.2 Occupation du territoire
3.2.1 Topographie
3.2.2 Démographie, végétation, activités économiques et types de sol
3.3 Caractéristiques climatiques du territoire
3.4 Caractéristiques hydrologiques du bassin versant
CHAPITRE 4 PRÉSENTATION DES RÉSULTATS
4.1 Représentation du bassin versant dans le modèle hydrologique Hydrotel
4.2 Calibrage et validation
4.2.1 Calibrage manuel
4.2.2 Calibrage automatique
4.3 Résultats préliminaires
4.4 Choix d’événements particuliers
4.5 Période de contrôle
4.5.1 Influence du choix des données climatiques comme input du modèle hydrologique
4.5.2 Influence directe du climat lors d’événements particuliers
4.5.3 Variations spatiale et temporelle
4.6 Horizon 2056
4.6.1 Changements attendus au niveau de l’humidité du sol – bassin complet
4.6.2 Changements attendus au niveau de l’humidité du sol – étude locale
CHAPITRE 5 ANALYSE DES RÉSULTATS
5.1 Variabilités spatiale et temporelle
5.1.1 Paramètres physiographiques
5.1.2 Paramètres climatiques
5.2 Sources d’incertitude
5.3 Limitations de l’étude
5.4 Débit et humidité du sol
5.5 Utilisation de l’humidité du sol comme indicateur de changement climatique
CONCLUSION
ANNEXE I PARAMÈTRES DE CALIBRAGE FINAUX
ANNEXE II EVOLUTIONS ANNUELLES ET INTERANNUELLES DE LA TENEUR EN EAU SUR LES SOUS-BASSINS DE LA GATINEAU (OBSHYDR, 1975-2003)
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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