Analyse des effets d'échelle, d'organisation spatiale et de structuration géomorphologique pour la modélisation des débits et de flux hydrochimiques en bassins non jaugés

Scaling, spatial organization and geomorphologic structure analysis for the simulation of hydrologicaland hydrochemical fluxes in ungauged catchment

• Auteur / Autrice : Stéphane Ecrepont
• Direction : Christophe Cudennec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 28/02/2019
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de la recherche agronomique (France ; 1946-2019) - Sol Agro et hydrosystème Spatialisation / SAS

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cours d'eau -- Jaugeage

Bassins hydrographiques

Géomorphologie

Hydrologie

Mots clés libres

Hydrologie

Géomorphologie

Bassin non-Jaugé

Similarité

Carbone

Nitrate

Hydrology

Geomorphology

Ungauged catchment

Similarity

Carbon

Nitrate

Résumé

La connaissance des dynamiques hydrologiques et du transport chimique associé est indispensable à la mise en place de stratégies de gestion de l’eau et du territoire, mais elle est difficile à consolider pour tous les exutoires de bassins versants porteurs d’enjeux car ils sont souvent « non-jaugés ». A partir d’un hydrogramme observé à l’exutoire d’un bassin jaugé, l'inversion d’un modèle hydrologique à base géomorphologique rend accessible la variable pluie nette en pied de versant. Cette variable indépendante d'échelle est ensuite transposée vers un bassin non-jaugé similaire et reconvoluée en hydrogramme à son exutoire. Cette méthode de "transposition d'hydrogramme", est appliquée pour la première fois en régime pluvio-nival dans 21 bassins Québécois. Le succès de la simulation pour le couple de bassins « jaugé » et « non-jaugé » est conditionné par la similarité hydrologique, soit l’ensemble des caractéristiques assurant un fonctionnement proche entre bassins versants. Nous testons si la composition chimique de l’eau est susceptible de révéler cette similarité à l’aide d’une analyse de type spectral développée sur l’ouest de la France, à l’échelle synoptique. Des groupes de bassins versants se démarquent par une homogénéité / hétérogénéité spatiale des faciès de concentrations, et de l’aire à partir de laquelle est observée la stabilisation de ce faciès. Ceci suggère que la composition chimique des rivières est informative d’un fonctionnement hydrologique similaire. Cette hypothèse est ensuite validée grâce à la transposition avec succès sur six bassins de méso-échelle des hydrogrammes et des relations concentrationdébit (CQ), les meilleurs résultats étant obtenus lorsque le couple respecte une similarité hydrochimique. Enfin, le couplage des hydrogrammes et des relations CQ a permis de prédire efficacement, grâce au principe de similarité, les flux en bassin versant non-jaugé, au pas de temps de 15 minutes.

The knowledge of hydrological and hydrochemical dynamics is essential for policy makers to develop appropriate policies of remediation, but this goal is hard to achieve in « ungauged catchments ». Through the inversion of a geomorphology-based hydrological modelling, the net rainfall entering the stream network is assessed from a gauged catchment. This net rainfall is scale independant and can be convoluted in another (ungauged) catchment. This method is applied for the first time in a pluvio-nival context on 21 catchments from Québec. Success of the simulation depends of the hydrological similarity between gauged and ungauged catchments, which is defined as the ensemble of caracteristics insuring a close functionning. We test how riverwater chemical composition reveals this similarity through a synoptic spectral analysis developped on western France. Groups of catchments are identified by their spatial homogeneity/heterogeneoty of the hydrochemical facies, and the area at which hydrochemical stabilisation occurs. This result suggest that riverwater chemical composition is informative of a hydrological similarity. This hypothesis is successfully tested on six mesoscale catchments, by transposing hydrographs and concentration discharge relatioships (CQ), best transpositions are associated to similar catchments. Finally, the coupling of hydrological simulation to CQ curves allowed the prediction of hydrochemical fluxes in ungauged catchments with a 15 minutes timestep.