Évaluation de l'impact des propriétés du sol sur l'hydrologie simulée dans le modèle ORCHIDEE

Evaluation of the impact of soil properties on simulated hydrology in the ORCHIDEE model

• Auteur / Autrice : Salma Tafasca
• Direction : Agnès Ducharne, Christian Valentin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie
• Date : Soutenance le 13/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux environnementaux, transferts et interactions dans les hydrosystèmes et les sols (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Ludovic Oudin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Ottlé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aaron Boone, Thierry Pellarin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols argileux

Évapotranspiration

Modèles hydrologiques

Mots clés libres

Modélisation des surfaces continentales

Modèle ORCHIDEE

Hydrologie du sol

Propriétés du sol

Texture du sol

Structure du sol

Soil hydraulic properties

ORCHIDEE model

Soil texture and structure

Résumé

Les sols jouent un rôle important dans le fonctionnement des processus hydrologiques à la surface de la Terre. La dynamique de l’eau dans le sol, l’évaporation ainsi que la transpiration des plantes sont tous des processus fortement contrôlés par les propriétés hydrauliques des sols. Ces dernières sont donc essentielles dans l’estimation des flux hydrologiques de surface. Les propriétés du sol sont déterminées par sa composition en éléments minéraux, dite texture, et par sa structure, qui décrit la disposition de l’ensemble de ses constituants. Souvent, dans les Modèles de Surface Continentale (LSMs), la représentation des sols est assez simplifiée : les propriétés du sol sont déduites à partir d’une carte de texture. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la représentation des propriétés hydrologiques des sols dans le LSM ORCHIDEE (ORganizing Carbon and Hydrology in Dynamic EcosystEms). Dans une première partie, on étudie l’effet de différentes cartes de textures sur les flux hydrologiques simulés, à différentes échelles. Il en résulte que, à l’échelle de la maille, les processus d’écoulement ont une sensibilité réaliste à la texture. Toutefois, à l’échelle globale, les bilans d’eau simulés sont similaires, quelle que soit la carte de texture utilisée. Du fait de son rôle important dans la détermination des propriétés du sol, l’introduction de l’effet de la structure sur les processus hydrologiques est explorée. La variabilité de la structure au sein d’une même texture de sol amène à des comportements hydrologiques différents. C’est particulièrement le cas des argiles, qui peuvent être retrouvées sous différentes structures : argiles gonflantes et argiles non gonflantes, et qui sont souvent regroupées dans une même classe de sol malgré leurs comportements hydrologiques contrastés. On propose dans cette thèse de distinguer ces deux types d’argiles dans deux sous classes différentes. Des approches plus globales sont également proposées pour tenir compte de l’effet de la structure, à travers son principal contrôle, qu’est la matière organique. Cette prise en compte de la structure permet une représentation plus réaliste des sols ainsi qu’une amélioration des biais d’évapotranspiration dans le modèle ORCHIDEE.

Soil plays a major role in the hydrological processes at the land surface. Water movement in the soil, evaporation, and transpiration processes are all strongly controlled by soil hydraulic properties. These properties are therefore important in estimating soil water fluxes. Soil hydraulic properties are defined by both the texture, which is the mineral composition of the soil, and the structure, which is the way soil particles and spaces are assembled. Many hydrological and Land Surface Models (LSMs) use soil texture maps to infer these properties. Here, we investigate the impact of soil texture on soil water fluxes and storage at different scales using the ORCHIDEE (ORganizing Carbon and Hydrology in Dynamic EcosystEms) LSM, forced by several soil texture maps. At the point scale, the model shows a realistic sensitivity of runoff processes and soil moisture to soil texture. However, at the global scale, the different tested soil texture maps result in similar water budgets. Due to its important role in determining soil properties, the introduction of the soil structure impact on hydrological processes is explored. Soils of the same texture can have different structures, leading to different hydrological behaviors. This is particularly true for clay soils, which can show a large variability in structure: swelling clays and non-swelling clays, and which are often put together in the same soil class despite their contrasted hydrological behavior. Here, we distinguish these two clay types in two different subclasses. We analyze other global scale approaches for considering the impact of soil structure, through its main control, which is soil organic matter. Introducing the effect of soil structure in ORCHIDEE allows a more realistic representation of soils as well as an improvement of the evapotranspiration biases in the ORCHIDEE model.