L’impact des changements d’usage du sol sur l’hydrologie

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Les programmes de recherche dans lesquels s’inscrit la thèse

Le programme HYBAM (Hydrogéodynamique du Bassin Amazonien)

HYBAM est un programme de recherche réalisé en partenariat entre l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD-France) d’une part, et des institutions locales chargées du suivi hydrologique et météorologique, et des universités des pays amazoniens (Brésil, Pérou, Bolivie, Equateur et Colombie) d’autre part. Le programme HYBAM a débuté en 1994 et porte sur l’étude des régimes hydrologiques, sédimentaires et géochimiques des fleuves de l’Amazonie, avec pour objectif d’estimer :
– l’érosion et l’altération actuelle des Andes,
– le bilan des transferts de matière dans la plaine amazonienne par les fleuves, et les éventuels piégeages sédimentaires dans les zones humides,
– le rôle de la variabilité climatique actuelle sur ces transferts d’eau et de matière, l’impact de la pression anthropique sur le fonctionnement hydro-sédimentaire du bassin amazonien.
Les travaux de recherche se basent sur des observations acquises via un réseau de stations gérées par des institutions locales et sur des campagnes de terrain réalisées à différentes époques du cycle hydrologique le long des principaux affluents de l’Amazone.
Grâce à ce travail de terrain et à la présence simultanée du programme HYBAM dans 5 pays amazoniens, deux bases de données inédites des observations pluviométriques et des mesures de débits dans des stations qui constituent le plus important réseau hydro-pluviométrique de cette partie de la planète a été rassemblé. Ces bases de données font partie de l’Observatoire de Recherche en Environnement, ORE-HYBAM (www.ore-hybam.org).
Au Pérou jusqu’en 2003, les seules données hydrologiques disponibles étaient des hauteurs d’eau dans les fleuves amazoniens péruviens. Suite à un accord entre le Service National de Météorologie et Hydrologie de Pérou (SENAMHI), des mesures des débits sur les principaux fleuves amazoniens péruviens ont été réalisés et les résultats présentés dans le cadre de cette thèse se fondent sur ces données.
De façon complémentaire, le programme HYBAM favorise des actions de transfert de technologie et de formation scientifique entre l’IRD et les institutions locales. C’est dans ce cadre que se développe le présent travail de thèse.

Le SENAMHI (Service National de Météorologie et Hydrologie de Pérou)

Le SENAMHI a comme mission de conduire les activités météorologiques, hydrologiques, agrométéorologiques et environnementales au Pérou, de prendre part à la surveillance atmosphérique mondiale, et de produire de l’information dans le cadre du développement durable, de la sécurité et du bien-être péruvien. Aussi, ces activités consistent à :
– compiler, centraliser et traiter l’information des stations météorologiques, hydrologiques, agrométéorologiques et environnementales,
– organiser, favoriser et diriger des études techniques spécialisées dans le pays, exécutées par des organismes nationaux ou étrangers,
– divulguer une information technique et scientifique,
– effectuer et formuler des études de recherche, en accord avec les nécessités du pays et de la défense nationale,
– prendre part à des études scientifiques et à des projets portant sur l’environnement atmosphérique,
– organiser et maintenir le réseau des stations météorologiques et hydrologiques,
– développer des prévisions météorologiques et de la Surveillance Atmosphérique Globale (VAG – OMM),
– organiser et administrer le dossier national météorologique, hydrologique et environnemental (banque de données),
– conclure des contrats et des conventions de coopération technique avec des organismes publics et privés au niveau national et international,
– représenter le Pérou au sein de l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM).
L’auteur de la présente thèse fait partie de l’équipe des professionnels du SENAMHI au sein de la Direction Générale de Hydrologie (DGH). La mise en place d’une nouvelle banque de données ainsi que l’accord du SENAMHI pour réaliser des séjours en France ont rendu possible ce travail de doctorat.

Sélection de bassins versants

Dans le cadre des programmes des recherche précédents, et en considérant que l’hydroclimatologie du basin amazonien péruvien demeurait peu étudiée, nous avons considéré dans notre étude deux bassins : les bassins des rios Huallaga et Ucayali, localisés sur le territoire péruvien. Ce choix a été dicté par la mise à disposition sur ces deux bassins d’une très importante base de données.

Objectifs de la thèse

L´objectif général de la thèse est de comprendre les impacts du changement climatique sur les régimes hydrologiques des fleuves du bassin amazonien péruvien, en utilisant des modèles de bilan hydrique à méso- échelle, au pas de temps mensuel. Aussi, les objectifs spécifiques suivant ont été identifiés :
– Etudier pour la première fois les cycles annuels et saisonniers ainsi que la variabilité interannuelle et intra-saisonnière, et à long terme, des principales composantes du cycle hydrologique sur les basins des rios Huallaga et Ucayali (précipitations, températures et évapotranspiration).
– Modéliser la production des ressources en eau sur les bassins des rios Huallaga et Ucayali en utilisant des modèles hydrologiques mensuels distribuées, afin d’identifier les liens entre les principales composantes du bilan hydrique : pluie, évapotranspiration et débit.
– Quantifier les impacts du changement climatique sur l’hydrologie des bassins des rios Huallaga et Ucayali. Pour répondre à cette question, des scénarios climatiques élaborés à partir de séries de pluies et de température issues de modèles de circulation générale seront appliqués, comme entrée aux modèles hydrologiques, afin d’analyser et de quantifier leur impacts sur l’hydrologie des bassins des rios Huallaga et Ucayali.

Organisation de la thèse

Notre travail s’articule de la manière suivante :
Après un chapitre introductif (Chapitre 1), le Chapitre 2 décrit le contexte géographique et climatique des bassins des rios Huallaga et Ucayali, puis introduit la base de données sur laquelle s’appuie ce travail de thèse.
Le Chapitre 3 présente les résultats obtenus en lien avec la variabilité hydroclimatique. Ces résultats sont basés sur des séries climatiques portant sur la période 1965-2007, sur lesquelles sont appliquées des tests de rupture ou de tendance. Des relations avec des indices de circulation océanique sont aussi présentées.
Le Chapitre 4 présente les premières modélisations mensuelles hydrologiques sur sept sous bassins situés dans les bassins des rios Huallaga et Ucayali, et nous présentons les résultats des impacts du changement climatique sur l’hydrologie de ces bassins.

Les basins de l’Ucayali et du Huallaga

es bassins du Rio Ucayali (50% en région Andine et 50% en plaine Lamazonienne) et du Rio Huallaga (75% dans les Andes et 25% en plaine) sont situés en totalité sur le territoire péruvien (Figure II-1). Les superficies de ces deux bassins sont de 89 654 km2 et 350 287 km2 respectivement. Le fleuve Ucayali naît dans la Département de Ucayali, de la confluence des fleuves Tambo et Urubamba, au nord-est des Andes. Il coule en pente douce vers le nord-ouest du pays et finit par se joindre au fleuve Marañón, donnant ainsi deux sources à l’Amazone.
Le fleuve Huallaga nommé d’abord Huánuco, du nom de la ville qu’il arrose, capitale du Département de Huánuco, prend le nom de Huallaga à Muna. Il traverse le Département de Huánuco, puis celui de San Martín, puis pénètre dans celui de Loreto. Là, il se jette dans le fleuve Marañón, l’une des branches mères de l’Amazone, près de la localité de Puntilla.

Aspects climatiques

D’après SENAMHI (2005), sur notre zone d’étude, il existe différents types de climat (voir Figure II- 2 et Tableau I-1). La classification climatique est en relation directe avec l’altitude, ainsi nous pouvons observer les climats suivants :
– Climat Tempéré Subhumide (Steppe et basses Vallées Interandines).
– Climat Boréal (des Vallées Méso-andines).
– Climat Froid (de Toundra).
– Climat de Neige (Gélido).
– Climat Semi – Chaud très Humide (Subtropical très Humide).
– Climat Chaud Humide (Tropical Humide).

Précipitations

Les précipitations constituent un paramètre climatique très variable, à la fois dans le temps et dans l’espace. Notre zone d’étude n’échappe pas à cette problématique. La Figure II-3a montre la distribution moyenne interannuelle de la pluie sur notre zone d’étude. La Forêt (vers l’est) est caractérisée par des totaux annuels de précipitation supérieurs à la partie Ouest des Andes, et de fortes pluies sont observées aussi dans la zone de transition Andes-Forêt (basin du Rio Pachitea). En résumé, sur les deux bassins d’étude, on note de fortes variations des précipitations en termes d’intensité, du sud vers le nord, et de l’ouest vers l’est. Les régimes de précipitation sur notre zone d’étude sont décrit par Espinoza et al. (2008) (voir Figure II-4). La partie méridionale du bassin montre un régime tropical du sud avec une longue saison sèche à partir de mai à septembre, comme à la station d’Antabamba (14.37°S 72.88°O ; 3900 m s.n.m. Figure II-4 a), avec un début de cycle annuel en août et une période pluvieuse de décembre à mars. Dans la partie supérieure des fleuves Huallaga et Ucayali, un régime humide tropical observé à la station de Quillabamba (12.86°S 72.69°O ; 1128 m s.n.m. Figure II-4b) indique une période pluvieuse beaucoup plus longue et intense (à partir de décembre à mai). A Pozuzo (10.05°S 75.55°O ; 258 m s.n.m.) dans le nord, à une basse altitude, une valeur plus élevée de précipitations et une période sèche plus courte (juin à aout) (Figure II-4c). Dans le nord, dans la partie supérieure du fleuve Marañón (Figure II-4d), un régime intermédiaire, entre les tropiques méridionaux et l’équateur comporte une période très pluvieuse à partir de janvier à avril, qui s’observe par exemple à la station de Julcán (8.05°S 78.50°O ; 3450 m s.n.m.). Dans les régions situées près de la ligne équatoriale, de plus longues saisons des pluies sont mises en évidence. Par exemple, la station de Gualaquiza (3.40°S 78.57°O ; 750 m s.n.m., Figure II-4e) près des Andes présente une saison des pluies à partir de février
à juillet et n’a aucune période sèche. Vers l’est au niveau d’Iquitos (3.75°S 73.25°O ; 125 m s.n.m., Figure II-4f), on observe un régime plus uniforme avec une légère diminution des précipitations à partir de juin à septembre.
b) Fleuves sur le drainage du bassin Amazonien avec les fleuves Ucayali signalé (ligne violette) (d’après :http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Ucayalirivermap.png). c) Comme b mais pour le fleuve Huallaga (d’après http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Huallagarivermap.png).

Température et Evapotranspiration

Les moyennes interannuelles de température (moyenne Tmean; maximum Tmax et minimum Tmin en °C) ainsi que d’évapotranspiration sont indiquées en Figure II-3b, c, d et e respectivement. Globalement, pour les trois variables climatiques décrites, on observe des valeurs plus élevées sur zone de forêt que sur les Andes. Les variations entre l’été et les valeurs moyennes d’hiver sont de 1.7°C, 0.1°C, 3.5°C et de 0.8 millimètre par jour en considérant Tmean, Tmax, Tmin et l’évapotranspiration respectivement. Cette amplitude thermique très basse caractérise les régions tropicales où sont localisés les bassins des rios Ucayali et Huallaga.
Les températures paraissent évoluer en fonction de l’altitude. L’évapotranspiration est caractérisée par des valeurs élevées dans la zone de forêt mais plus contrastées dans les Andes, avec néanmoins des valeurs moins élevées que dans la zone de forêt. Tmean qui s’étend de 0°C à 30°C diminue avec l’altitude en moyenne de 0.48°C par 100 m, Tmax (de 10°C à 35°C) diminue d’environ 0.42°C par 100 m et Tmin (de -10°C à 25°C) de près de 0.54°C par 100 m. Comme attendu dans des régions tropicales, l’amplitude annuelle entre été et hiver est très faible tandis que l’amplitude quotidienne est plus élevée. Entre l’été et l’hiver, la différence de température est presque nulle pendant le jour mais plus élevée pendant la nuit, avec de plus grandes valeurs dans les Andes (4°C) que dans la Forêt (1.5°C). L’amplitude jour-nuit est aussi plus forte dans les Andes (14.4°C en considérant Tmean) que dans la Forêt (11.3°C). De plus, dans chaque région, cette amplitude est plus élevée pendant l’hiver que pendant l’été. Dans tous les cas, ces résultats sont compatibles avec la baisse de nébulosité i) dans les Andes que dans la zone de Forêt). ii) en hiver qu’en été. iii) pendant la nuit que pendant la journée.

Aspects géomorphologiques

Relief

Le relief des bassins des rios Ucayali et Huallaga est très contrasté du fait de la présence de la cordillère des Andes (altitudes élevées). Il est ainsi possible de différencier deux zones : une au-dessus de 1000 m, au relief escarpé, entaillé de vallées profondes, et présentant de fortes pentes. Sur ces pentes coulent des torrents, qui dans leurs parties andines plus sensibles à l’érosion, recueillent la plupart des sédiments qui arrivent à l’Atlantique via l’Amazone. On estime que 90% de ceux-ci proviennent des Andes. L’autre partie est située sous 1000 m d’altitude. La topographie, bien que faiblement accidentée, est assez escarpée à l’amont pour passer progressivement au domaine de la plaine amazonienne, lieu privilégié des fleuves à méandres.
Le modèle numérique de terrain a été calculé à partir des données fournies par le SRTM (The Shuttle Radar Topography Mission, voir http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/) disponible à environ 30 arcs seconds. Il a permis de délimiter les bassins des rios Ucayali et Huallaga (voir Figure II-5).

Géologie

La géologie des bassins des rios Ucayali et Huallaga sera décrite à partir des données de l’Institut Géologique Minier et Métallurgique péruvien (INGEMMET, www.ingemmet.gob.pe).
Les Andes péruviennes comprennent un ensemble de cordillères parallèles placées entre la côte maritime et la plaine amazonienne. Ses stratigraphies, structure, magmatisme, minéralisation et sismicité sont le produit de plusieurs cycles orogéniques superposés, et de la « Subduction Andine », qui a démarré au Jurassique et qui résulte de la collision de la plaque tectonique sud-américaine avec la plaque tectonique océanique.
La Cordillère des Andes est constituée des roches métamorphiques du Protérozoïque, sur lesquelles se sont accumulées des séquences sédimentaires marine et continentale qui ont été déformées par la Tectonique Hercinique Paléozoïque, à laquelle ont été associées des intrusions plutoniques et du volcanisme pendant le Paléozoïque Supérieur. Le cycle andin commence dans le Mésozoïque; en définissant ses structures et en atteignant son développement maximal dans le Tertiaire, et en continuant son activité jusqu’à aujourd’hui. L’activité sismique et volcanique est notoire dans les Andes péruviennes situées dans la partie active de la ceinture sismique.
Du fait de ce contexte géologique, le Pérou est un pays de ressources minérales abondantes, on trouve ainsi une grande variété de gites métalliques de diverses natures, créés principalement sous l’effet du magmatisme intrusif sous volcanique et extrusif. Ceci a permis la mise en place de gisements filoniens metasomatiques et disséminées, formés par des processus hydrothermaux metasomatiques et volcanogéniques, dont les caractéristiques dépendent des roches et de la nature des solutions minéralisantes qui leur ont donné naissance.
Durant les dernières années, l’exploration s’est orientée vers la recherche de gisements épithermales d’or et d’argent de haute et basse sulfinisation, comme à Yanacocha et Pierina. L’exploitation des gisements minéraux péruviens, pour l’or, l’argent et le cuivre, date de l’époque pré-inca. Actuellement le Pérou occupe le premier rang au niveau de la production d’or en Amérique latine, avec plus de 132 tonnes par année, et on projette d’atteindre des valeurs historiques jamais atteintes dans l’histoire nationale. Plus de 40 substances métalliques et non métalliques sont produites : antimoine, bismuth, cadmium, cuivre, étain, fer, indien, manganèse, mercure, molybdène, or, argent, plomb, sélénium, thallium, tellurien, tungstène, zinc ; d’autres minéraux chrome, cobalt, nickel, platine, titane, uranium et des terres rares, ont été identifiés dans diverses localités du pays, mais une plus grande exploration est nécessaire pour définir et quantifier ces possibilités. Parmi les minéraux non métalliques, on peut citer baryum, calcaire, plâtre, kaolin, argiles réfractaires, talc et roches d’ornement, orientées plus spécifiquement vers le marché intérieur.
Les gisements pétrolifères se trouvent dans les sédiments marins du Cénozoïque dans le Nord-ouest péruvien, qui forment des réservoirs avec des blocs faillés qui constituent des pièges structurels. Dans la Forêt, les bassins sédimentaires avec des faciès marins et mixtes contiennent aussi des hydrocarbures, en particulier dans les formations Chonta et Vivian des bassins Marañón et Ucayali. Il existe aussi d’importants gisements de gaz comme celui de Camisea, entre les mains d’investisseurs privés. Le bassin du Rio Madre de Dios offre aussi de bonnes possibilités pétrolière et gazière au sein des sédiments du Paléozoïque et Mésozoïque.
Une exploration systématique du pays, basée sur les nouvelles informations géologiques du territoire, les connaissances de la métallogénie andine et les nouvelles technologies d’exploration disponibles, rendront possible de localiser et de quantifier des ressources minérales et énergétiques nouvelles et de plus grande extension, sur tout le territoire national.

Sols

Le Pérou est un pays caractérisé par des sols pauvres malgré sa grande extension. De ses 128 521ha, seulement 25 525ha (19.86%) sont aptes pour l’agriculture et le bétail. De manière générale les sols du Pérou ont été classés dans sept types de sols ou régions géo-édaphiques. Sur les bassins des rios Ucayali et Huallaga, cinq de ces types de sols sont présents ONERN (1981) :
• Région avec paramosols ou andosols : Dans les zones dont l’altitude est supérieure à 4 000 m, il existe des sols favorables à une utilisation agricole, mais celle-ci est limitée par le froid. Les sols prédominant sont les sols riches en matière organique et acides (paramosols), mais il existe aussi des sols rocheux (lithosols), calcaires (rendzines), argileux profonds (chemozems), et organiques profonds (histosols).
• Région avec kastanosols : Dans les vallées inter-andines, entre 2 200 et 4 000 m, et dans la partie supérieure de la forêt d’altitude prédominent les sols calcaires de couleur rougeâtre et brune rougeâtre (kastanozems calciques), argileux (kastanozems luviques) et profonds et fins (phaeozems). Dans le sud prédominent les sols d’origine lacustre (planosols), parfois avec un mauvais drainage (gleysols), et des sols d’origine volcanique (andosols).
• Région litho-cambisols : Dans la forêt d’altitude, entre 2 200 et 3 000 m les sols sont pauvres et érodables. Aussi les sols superficiels (lithosols) et de formation naissante ou jeunes (cambisols) prédominent. Ils peuvent être acides ou calcaires, et sont fréquemment de couleur jaune.
• Région avec acrisols : Dans les zones d’altitude moyenne et basse de la forêt d’altitude, entre 500 et 2 800 m prédominent des sols profonds, de tons jaunes et rougeâtres, avec un bon drainage, et argileux très profonds (nitosols). Vers l CHAPITRE 2 .Les basins de l’Ucayali et du Huallaga 39 basse forêt apparaissent des sols argileux acides et contenant du fer (plintiques). Dans les fonds des vallées les sols sont alluviaux (fluviosols), parfois avec un mauvais drainage (gleysols) mais on rencontre aussi des sols argileux (vertisols).
• Région acrisolique ondulée : Dans la forêt de la plaine, on rencontre des sols rouges et jaunes, acides et de basse fertilité naturelle (ultisols), jeunes de profil peu différencié (entisols), jeunes avec différenciation dans des horizons (inceptisols), mal drainés (aguajales), modérément fertiles et bien drainés (alfisols, vertisols, mollisols), très infertiles sablonneux (spodosols), de sables blancs.

Table des matières

I. CHAPITRE 1. Introduction
1.1 Contexte général du Pérou
1.2 A basin-scale trends in rainfall and runoff in Peru (1969-2004): Pacific, Titicaca and Amazonas drainage.
1.3 Les programmes de recherche dans lesquels s’inscrit la thèse
1.3.1 Le programme HYBAM (Hydrogéodynamique du Bassin Amazonien)
1.3.2 Le SENAMHI (Service National de Météorologie et Hydrologie de Pérou)
1.4 Sélection de bassins versants
1.5 Objectifs de la thèse
1.6 Organisation de la thèse
II. CHAPITRE 2 .Les basins de l’Ucayali et du Huallaga
2.1 Aspects climatiques
2.1.1 Précipitations
2.1.2 Température et Evapotranspiration
2.2 Aspects géomorphologiques
2.2.1 Relief
2.2.2 Géologie
2.2.3 Sols
2.2.4 Végétation
2.2.5 Aspects socio-économiques
2.3 Réseau hydrologique du SENAMHI et les mesures hydrologiques récentes acquises dans le cadre du programme HYBAM
2.4 Sous basins sélectionnés sur les bassins Ucayali et Huallaga
2.5 Constitution de la banque de données
2.5.1 Données hydrologiques
2.5.2 Données pluviométriques
2.5.3 Données d’évapotranspiration
2.5.4 Données des sols FAO
2.5.5 Constitution des grilles
2.6 Conclusions
III. CHAPITRE 3 .Variabilité hydroclimatique sur les bassins des rios Ucayali et Huallaga
3.1 Recent trends in rainfall, temperature and evapotranspiration in the Peruvian Amazonas-Andes basin: Huallaga and Ucayali basins.
3.2 Variabilité spatiale des débits sur les bassins de l’Ucayali et de Huallaga
IV. CHAPITRE 4 .Modélisation de bilan hydrique au pas de temps mensuel et impact du changement climatique sur les régimes hydrologiques dans les basins des rios Ucayali et Huallaga
4.1 Premiers essais de modélisation en utilisant des modèles de bilan hydrique mensuel
4.1.2 Monthly water balance models in the Amazon drainage basin of Peru: Ucayali River basin
4.2 Modélisation au niveau mensuel sur sept sous-bassins des rios Ucayali et Huallaga, et évaluation des impacts du changement climatique sur le régime hydrologique
V. CHAPITRE 5. Conclusion générale et perspectives
5.1 Conclusion
5.2 Perspectives
5.2.1 Validation des autres sources de données de pluie sur le basin amazonien péruvien
5.2.2 La modélisation hydrologique au pas de temps journalier
5.2.3 L’impact des changements d’usage du sol sur l’hydrologie
5.2.4 L’impact du changement hydrologique au niveau journalier sur l’hydrologie
5.2.5 Autres perspectives
Bibliographie

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