Relation entre variabilité temporelle des réponses hydrosédimentaires, signaux climatiques et caractéristiques physiques des bassins versants.

Relationship between temporal variability of hydrosedimentary responses, climate signals and physical characteristics of catchments.

• Auteur / Autrice : Raphael Bunel
• Direction : Yoann Copard, Nicolas Lecoq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 28/06/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Morphodynamique continentale et côtière (Caen ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Massei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Braud, Jérôme Lavé, Caroline Le Bouteiller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Cerdan, Agnès Ducharne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques -- Adaptation

Utilisation du sol

Traitement du signal

Modèles hydrologiques

Dynamique hydro-sédimentaire

Bassins hydrographiques -- France

Mots clés libres

Bassin versant

Modélisation hydro-sédimentaire

Traitement du signal

Scénarios d'occupation des sols

Scénarios climatiques

Catchment

Hydro-sedimentary modelling

Signal processing

Land use scenarios

Climate scenarios

Résumé

Nous ne comprenons pas encore complètement le rôle que les caractéristiques physiques des surfacesexercent sur la réponse hydro-sédimentaire des bassins versants aux précipitations. L’objectif de ce travailde thèse est donc de comprendre de quelle manière les flux hydro-sédimentaires, générés par le climat, sontmodulés par les caractéristiques des surfaces continentales, à court et long terme. Cette question a étéabordée en considérant de nombreux bassins versants aux conditions climatiques et aux caractéristiquesphysiques diverses. L'approche retenue est basée sur l’application conjointe de deux outils : la modélisationet les méthodes de traitement du signal. Les méthodes de traitement du signal (fonction d’autocorrélation etspectre de Fourier) ont permis de caractériser la variabilité temporelle des flux hydro-sédimentaire. Elles ontpermis d’établir un lien entre le comportement hydro-sédimentaire des bassins versants et leurs propriétésphysiques et climatiques. Le fonctionnement hydro-sédimentaire de deux cents quarante-trois bassinsversants synthétiques, simulé avec le modèle distribué à base physique CAESAR-Lisflood/CLiDE (Coulhardet al., 2013), a commencé par être analysé. Ces bassins versants, dont les caractéristiques physiques sontparfaitement contrôlées, ont permis une analyse de sensibilité méthodique. Outre la taille et la forme dubassin versant, la procédure de génération de bassins synthétiques, spécialement développée pour ce travailde thèse, a permis d'ajuster cinq paramètres de manière indépendante : la densité de drainage, l'intégralehypsométrique, la pente moyenne du chenal principal, l'occupation des sols et la granulométrie. Uncomportement plus lisse et moins intermittent du flux sédimentaire est mis en évidence pour des bassinsvégétalisés à forte pente, hypsométrie et densité de drainage et à granulométrie fine et homométrique. Encomplément, le modèle a été appliqué à cinq bassins versants réels (le Laval, le Brusquet, l’Orgeval, le Dunet l’Austreberthe) afin d’analyser les processus et les flux hydro-sédimentaires se produisant dans desenvironnements plus complexes. L’analyse des mesures in-situ de flux hydro-sédimentaire disponibles pources bassins a permis de corroborer certains des résultats obtenus pour les bassins synthétiques.Parallèlement, la capacité de CAESAR-Lisflood/CLiDE, après calibration, à reproduire la dynamique hydrosédimentaire des cinq bassins a été évaluée. La version calibrée du modèle a finalement été employée pourexplorer, pour les bassins versants du Dun et de l’Austreberthe, des scénarios de changementsenvironnementaux comme la modification du mode d'occupation des surfaces ou bien la modification dusignal climatique d'entrée. Les résultats montrent une évolution importante des flux hydro-sédimentaires pourles scénarios climatiques testés.

We do not yet fully understand the role that physical surface characteristics play in the hydro-sedimentaryresponse of catchments to precipitation. The objective of this thesis is therefore to understand how climate-generated hydro-sedimentary fluxes are modulated by the characteristics of continental surfaces in the shortand long term. This question has been addressed by considering numerous catchments with different climaticconditions and physical characteristics. The approach adopted is based on the joint application of two tools:modelling and signal processing methods. Signal processing methods (autocorrelation function and Fourierspectrum) were used to characterise the temporal variability of hydro-sedimentary flows. They have made itpossible to establish a link between the hydro-sedimentary behaviour of catchment areas and their physicaland climatic properties. The hydro-sedimentary functioning of two hundred and forty-three syntheticcatchments, simulated with the distributed physics-based model CAESAR-Lisflood/CLiDE (Coulhard et al.,2013), was first analysed. These catchments, whose physical characteristics are perfectly controlled, alloweda methodical sensitivity analysis. In addition to the size and shape of the catchment, the synthetic catchmentgeneration procedure, specially developed for this thesis work, allowed five parameters to be adjustedindependently: drainage density, hypsometric integral, average slope of the main channel, land use andgranulometry. A smoother and less intermittent behaviour of the sediment flow is shown for vegetated basinswith high slope, hypsometry and drainage density and with fine and homometric granulometry. In addition,the model was applied to five real catchments (Laval, Brusquet, Orgeval, Dun and Austreberthe) in order toanalyse the hydro-sedimentary processes and flows occurring in more complex environments. The analysisof available in-situ measurements of hydro-sedimentary fluxes for these basins corroborated some of theresults obtained for the synthetic basins. In parallel, the capacity of CAESAR-Lisflood/CLiDE, after calibration,to reproduce the hydro-sedimentary dynamics of the five basins was evaluated. The calibrated version of themodel was finally used to explore, for the Dun and Austreberthe catchments, environmental change scenariossuch as the modification of the surface occupation mode or the modification of the input climate signal. Theresults show a significant change in the hydro-sedimentary flows for the climate scenarios tested.