Une approche de modélisation pour diagnostiquer les impacts des changements globaux sur l'hydrologie, les sédiments en suspension et le carbone organique dans un bassin tropical asiatique : cas du fleuve Rouge (Chine et Vietnam)

A modelling approach to diagnose the impacts of global changes on hydrology, suspended sediment and organic carbon in an Asian tropical basin : the case of the Red River (China and Vietnam)

• Auteur / Autrice : Xi Wei
• Direction : Sabine Simeoni-Sauvage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces Interfaces Continentales Hydrologie
• Date : Soutenance le 02/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-2023)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Ouillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabine Simeoni-Sauvage, José Miguel Sanchez-Pérez, Henrique Llacer Roig, Didier Orange
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aldo Sottolichio, Xi Xi Lu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrologie

Mots clés libres

Fleuve Rouge

Modélisation

Hydrologie

Sédiments en suspension

Carbone organique

The Red River

Modelling

Organic carbon

Hydrology

Suspended sediment

Résumé

Les bassins fluviaux asiatiques sont un important contributeur de matières en suspension et de carbone organique vers les océans. Cependant, ces bassins sont soumis à la variabilité climatique et aux activités humaines, modifiant le transport et le devenir de l'eau et des matières associées dans les fleuves, ainsi que les processus biochimiques côtiers. Le Fleuve Rouge est un bassin fluvial représentatif des fleuves asiatiques et joue un rôle important dans l'économie et l'agriculture en Chine et au Vietnam. Cependant, le manque de partage de données entre les pays et la difficulté des observations et des échantillonnages in situ rendent l’étude difficile pour l’ensemble du bassin, à la fois spatialement et temporellement. Afin de surmonter ces problèmes et de mieux comprendre la dynamique de transfert des ressources en eau et des matières et proposer des outils aux gestionnaires de l’eau, une utilisation interactive des mesures in situ, des observations de télédétection et des modélisations numériques est nécessaire. Ce travail propose de simuler la dynamique de transfert de l'eau, des sédiments en suspension (SS) et du carbone organique à l'échelle journalière dans le Fleuve Rouge, pour comprendre et quantifier leurs réponses aux impacts de la variabilité climatique et de la construction de barrages. Le modèle hydro-agroenvironnemental à base physique SWAT, combinant les données de télédétection pour les variables climatiques, a été appliqué dans cette étude pour simuler les débits et les sédiments en suspension. Six barrages (dont quatre mis en service depuis 2008) ont été implémentés. Le modèle a été calibré sur la base des données de débit observées (Q) et de concentration de matières en suspension (CSC) de 2000 à 2013 au niveau de cinq stations de mesure à un pas de temps journalier. Un scénario simulant les impacts de la variabilité climatique et des barrages sur Q et SS a été simulé. Les concentrations et les flux de carbone organique pour ces mêmes conditions, ont été calibrés puis simulés via le même scénario afin de quantifier séparément les impacts de la variabilité climatique et des barrages sur le transfert de COD et de COP. Cette étude a mis en évidence les impacts importants des barrages sur les flux de sédiments (-80%) et sur le carbone organique (COP, -85%; COD, -13%) ainsi que les impacts de la variabilité climatique sur Q (-9%). Sans barrages, le bassin du Fleuve Rouge aurait un flux spécifique élevé en matières en suspension (779 t km-² an-1) par rapport aux autres bassins asiatiques, bien que son exportation en flux soit faible en comparaison. L'érosion du sol due aux précipitations, à la pente et aux pratiques agricoles dans la zone centrale du bassin est le principal facteur contribuant au flux spécifique. Les flux spécifiques en COD (1.62 t km² an-1) et en COP (2.96 t km² an-1) du bassin du Fleuve Rouge sont plus de deux fois supérieurs à ceux des autres bassins asiatiques. Le contenu en carbone organique des sols, l’érosion et le lessivage sont les facteurs les plus influents. Le pourcentage de POC dans le Carbonne Organique Total (COT) a diminué de 86% à 74% jusqu'en 2007 puis à 47% après les nouveaux barrages. La construction de barrages a aussi modifié le rapport COP / COT. De simples relations entre la moyenne mensuelle Q et SF ont été établies dans cette étude pour estimer la SF à la sortie des affluents et du Fleuve Rouge, ce qui permet aux parties prenantes d’estimer la SF mensuelle sans utiliser le modèle SWAT. Les futures études sur le transfert d'autres éléments nutritifs et contaminants ainsi que l’impact des changements globaux peuvent être poursuivies sur la base de ce projet de modélisation.

The Asian river basins are great contributors to sediments and organic carbon to the seas. However, these river basins are subject to the influence of climate variability and human activities, which alters the transport and fate of water and associated matter in rivers, and then modifies the coastal biochemical processes. The Red River is a representative Asian river basin and plays an important role in the economy and agriculture in China and Vietnam. However, lack of data sharing between countries and difficulty in in-situ observations and samplings, make the studythrough the whole basin difficult both spatially and temporally. In order to overcome these issues and better understand the water resources and matters transfer dynamics, interactive use of insitu measurements, remote sensing observations and numerical modellings are necessary. Thiswork proposed a modelling approach to simulate the transfer dynamics of water, suspended sediment (SS) and organic carbon at a daily scale in the Red River, and to understand and quantify their responses to the impacts of climate variability and dam constructions. The physicalbased SWAT model, combining the remote sensing data, was used in this study to simulate the water regime and suspended sediment. Six dams (two were operated before the study period and the other four started operation since 2008) were implemented in this model. The model was calibrated based on observed discharge (Q) and suspended sediment concentration (SSC) datafrom 2000 to 2013 at five gauge stations (the outlets of the main tributaries and of the continent basin) at a daily time step. After Q and SSC calibrated under actual conditions, a scenario ofnatural conditions (without any dams inside the basin) was modelled to disentangle and quantify the impacts of climate variability and dams on Q and sediment fluxes (SF). Dissolved and particulate organic carbon (DOC, POC) were calibrated based on observed Q, SSC and in-situ organic carbon sampling data. According to these relationships, the organic carbon concentrations and fluxes under actual and natural conditions are calculated, in order to further quantify the impacts of climate variability and dams on DOC and POC transfer. This study highlighted the strong impacts of dams on sediment fluxes (-80%) and organic carbon (POC, -85%; DOC, -13%), and the impacts of climate variability on Q (-9%). Without dams, the Red River basin would have a high specific sediment yield (779 t km-2 yr-1) compared to other Asian river basins, though its sediment export was low compared to them. The high soil erosion due to precipitation, slope and agricultural practice in the middle part of the basin is the main factor contributing to the specific sediment yield. The specific yields of DOC (1.62 t km2 yr-1) and POC (2.96 t km2 yr-1) of the RedRiver basin were more than twice those of other Asian basins. Soil organic carbon content and high soil erosion and leaching were the main influencing factors. The percentage of POC in total organic carbon (TOC) decreased from 86% to 74% until 2007 then to 47% with new dams. Damconstructions altered the TOC yield and POC/TOC ratio. Furthermore, simple rating curves between monthly mean Q and SF were established in this study for estimating SF at the outlet of the tributaries and the Red River, which enables stakeholders to estimate the monthly SF without using the SWAT model. Future studies on other nutrients and contaminants transfer and global changes can be carried on based on this modelling.