Thèse soutenue

Origine et redistribution spatio-temporelle des matières en suspension dans les bassins versants : approche combinant observations des flux, traçage et modélisation distribuée

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Auteur / Autrice : Magdalena Uber
Direction : Cédric LegoutGuillaume Nord
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Hydrologie
Date : Soutenance le 09/06/2020
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Frédéric Liébault
Examinateurs / Examinatrices : Agnès Ducharne, Anne Probst, Luis Cea
Rapporteur / Rapporteuse : Núria Martinez-Carreras, Axel Bronstert

Mots clés

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Résumé

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L’étude des mécanismes d’érosion hydrique des sols et de transfert de matières en suspension (MES) des bassins versants vers les rivières revêt des enjeux environnementaux et socio-économiques prégnants face à une pression anthropique grandissante et au changement climatique. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment la variabilité de la pluie contrôle l’activation de différentes zones sources de MES et la dynamique des flux hydro-sédimentaires dans deux bassins versants méditerranéens de méso-échelle, la Claduègne (42 km²) et le Galabre (20 km2) membres de l’infrastructure de recherche sur la zone critique OZCAR.Dans la première partie, les contributions des zones d'érosion aux MES à l’exutoire de la Claduègne ont été quantifiées à haute résolution temporelle avec une approche low-cost de traçage. Deux ensembles de traceurs (spectres colorimétriques et de fluorescence X) et trois modèles de mélange ont été comparés pour évaluer la sensibilité des contributions de sources à ces choix méthodologiques. Les principales sources de MES identifiées sont les zones de badlands marno-calcaires. Une approche similaire conduite sur le bassin versant du Galabre a mis en avant la dominance des badlands sur molasses dans les flux de MES. La comparaison des traceurs et des modèles de mélange, a montré que les choix méthodologiques génèrent des différences importantes, qui amènent à recommander une approche d’ensemble multi-traceurs-multi-modèle pour obtenir des résultats plus robustes. L’application de cette approche à un grand nombre d’échantillons de MES a souligné l’importante variabilité inter et intra évènements des contributions des différentes sources de MES, soulevant des questions sur les processus hydro-sédimentaires à l'origine de la variabilité des flux de MES.Le concept de connectivité hydrosédimentaire a été testé en posant l’hypothèse que cette variabilité résultait de distributions des temps de transfert des MES très variables contrôlées par i) les caractéristiques inhérentes aux bassins versants comme la localisation des différentes sources de MES et la façon dont elles sont liées à l’exutoire (i.e. connectivité structurelle) et ii) les caractéristiques spatio-temporelles des évènements pluvieux qui activent et impactent les vitesses de transfert (i.e. connectivité fonctionnelle). Ainsi, dans la deuxième partie, un modèle numérique distribué basé sur la résolution des équations de Saint Venant couplé à un module d’érosion multi-sources de MES, a été utilisé pour évaluer les rôles respectifs des connectivités structurelle et fonctionnelle. L’analyse de sensibilité aux choix de discrétisation et de paramétrisation (i.e. seuil d’aire drainée pour distinguer la rivière des versants, valeurs de coefficients de frottement sur les versants et la rivière) a montré que la localisation des sources de MES dans le bassin versant était plus importante que les choix de modélisation à condition que les paramètres soient dans une gamme réaliste et limitée. Un schéma général de réponse temporelle du bassin versant par type de sources a été observé, cohérent avec les résultats de l’approche de traçage et la distribution des distances des sources à la rivière et à l'exutoire. Ce même schéma persiste pour différentes durées ou intensités des précipitations mais devient beaucoup plus variable lorsque des hyétogrammes bimodaux ou des précipitations variables dans l'espace sont appliquées. En outre, la localisation de la pluie par rapport aux sources détermine les contributions moyennes des sources et donc les différences entre les événements de pluie.Les deux approches de traçage des MES et de modélisation numérique se sont avérées complémentaires et leur application combinée présente un fort potentiel pour comprendre comment les interactions entre connectivité structurelle et fonctionnelle contrôlent la dynamique des flux de MES aux exutoires de bassins versants de méso-échelle.