Mieux comprendre le fonctionnement hydrologique de surface dans une perspective d’aide à la modélisation

3.1.1 Equilibrer les connaissances géomatiques et in situ du réseau de drainage

Les difficultés d’acquisition de données hydrologiques de terrain suffisamment nombreuses et denses dans les différents compartiments du bassin versant représentent une importante limite pour décrire la connectivité hydrologique. La conséquence générale est un déséquilibre entre les informations géographiques foisonnantes et les mesures hydrologiques spatialisées en nombre limité (Figure II.5).

Figure II.5 : Illustration symbolique du déséquilibre de données disponibles entre les informations spatiales (image de gauche) et les mesures in situ à l’intérieur du bassin versant (image de droite).

L’inconvénient est que la télédétection et l’information spatiale ne permettent pas aujourd’hui de palier suffisamment le déficit de connaissance de la dynamique hydrologique. Les technologies fournissent des variables d’état, de nature structurelle, à l’origine des nombreux descripteurs géographiques qui sont ensuite utilisés pour modéliser la dynamique du système hydrologique. Néanmoins, affecter des propriétés de dynamique hydrologique en fonction de ces descripteurs est une façon de procéder qui est bornée, dans la mesure où l’on ne peut pas connaitre l’ensemble des hétérogénéités du milieu naturel. Par exemple, la méconnaissance des propriétés hydrodynamiques du sol agit comme un frein au développement des applications hydrologiques. Il est difficile de simuler avec fiabilité l’émergence et la propagation du ruissellement car il existe de nombreux systèmes d’écoulement préférentiels inconnus comme les réseaux de macropores par exemple. La difficulté majeure est par conséquent que la réponse hydrologique observée localement dans le réseau hydrographique est le fruit d’un amortissement qui fusionne la diversité des processus transformant la pluie en débit. Il est donc difficile d’établir la hiérarchie des facteurs physiques agissant et de définir des indices synthétiques valables pour tous les contextes géographiques et toutes les situations hydrologiques. L’alternative est donc de bâtir des scénarios et de les valider par des informations prélevées in situ. Les observations servent alors à tester des hypothèses de fonctionnement pour éliminer des possibilités irréalistes et réduire les incertitudes.

James & Roulet, (2007) ont par exemple montré que le pattern d’humidité des sols, obtenu par des observations spatialisées très nombreuses sur un versant,

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s’est trouvé assez bien corrélé à la distribution spatiale de l’indice topographique de Beven (Equ.1.1) calculé à l’aide d’un MNT à haute résolution spatiale. Mais ce pattern n’a pas pu être correctement assimilé à un indice synthétique de la connectivité hydrologique. En effet, ce pattern n’a pas pu être mis en relation avec les seuils de fonctionnement du ruissellement observé dans le talweg au pied du versant. Le pattern d’humidité des sols n’est donc pas l’agent majeur de la connectivité hydrologique dans ce cas étudié. Les auteurs proposent de se tourner vers la connectivité au sein du talweg qui semble concerner des agents plus dominants pour expliquer l’écoulement au point observé.

Dans le domaine de l’hydrologie de surface, dont relève ce travail de thèse, le déficit de données dans les réseaux hydrographiques empêche de progresser efficacement sur la connaissance de la distribution des flux de contaminants générés par les phénomènes d’érosion et de pollutions diffuses d’origine agricole. Le réseau hydrographique est également une composante indispensable des modèles hydrologiques spatialisés en tant que support du transfert des écoulements vers l’exutoire. C’est en cela un paramètre majeur (Moussa & Bocquillon, 1994). Son fonctionnement introduit une rupture dans la dynamique hydrologique car le passage versant à réseau implique une accélération des transferts. Ne pas tenir compte du cheminement réaliste de l’eau via le réseau peut donc conduire à des simulations qui ne seraient pas totalement fondées sur une représentation juste physiquement. Les diverses méthodes géomatiques qui décrivent les réseaux hydrographiques transitoires n’intègrent pas la variabilité de leur fonctionnement. Dans la plupart des cas, un tracé de réseau est établi puis utilisé pour des simulations hydrologiques. Il existe assez peu d’observations hydrologiques systématisées dans le temps et l’espace pour cerner l’importance de tel ou tel linéaire de drainage dans le fonctionnement dynamique du réseau et l’organisation spatiale du transfert. Une question méthodologique se pose pour obtenir ces informations nouvelles, qui s’inscrivent dans une recherche de connaissance plus complète de la connectivité hydrologique assurée par le réseau hydrographique.

Pour mieux tenir compte de la dynamique hydrologique il faut expérimenter le fonctionnement transitoire du réseau de drainage qui est associé à quatre niveaux d’informations spatiales avec une difficulté croissante pour les obtenir :

⇒ _{La localisation d’un linéaire de réseau hydrographique}

⇒ La présence/absence d’un écoulement superficiel dans ce linéaire

⇒ _{La dynamique temporelle du flux au sein de ce linéaire} ⇒ L’importance du flux transféré au sein de ce linéaire

Ces différentes informations permettraient d’atteindre une connaissance très complète de la variabilité du drainage et des facteurs qui le déterminent. La fonction de transfert implémentée dans les modèles hydrologiques pourrait alors être paramétrée de façon plus précise et plus juste.

3.1.2 Développer les connaissances locales du réseau de drainage pour envisager la réponse globale du bassin.

Pour progresser vers une connaissance plus étendue du transfert dans le réseau hydrographique, notre démarche se compose essentiellement de deux axes :

Un axe géomatique

Cet axe recouvre un objectif de description d’un réseau hydrographique au comportement réputé transitoire à l’aide de la télédétection et des outils MNT. Notre effort portera plus particulièrement sur l’exploitation de MNT à haute

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résolution spatiale obtenu via un levé LiDAR aéroporté. Le but est d’intégrer et d’étudier la topographie des drains de petite taille. Ces derniers se caractérisent par de plus faibles fréquences de réponse hydrologique.

Un axe hydrologie spatialisée

Cet axe concerne la mise en œuvre de mesures hydrologiques multi-locales au sein du réseau, puis l’analyse du transfert à travers les données collectées. Le dispositif à mettre en œuvre se présente sous la forme de nombreux capteurs limnimétriques autonomes qu’il s’agira de positionner en stations emboitées dans le réseau hydrographique pour échantillonner la réponse hydrologique. Des méthodes d’analyse des données collectées sont ensuite à proposer. Elles devront faire face à un grand nombre de données potentielles et à une qualité forcément réduite de ces données par rapport à une métrologie classique.

A travers ces deux premiers axes nous souhaitons développer méthodes et résultats pour discuter de l’organisation interne des écoulements de surface dans le réseau hydrographique du bassin versant expérimental du Mercier. Les deux axes sont menés de front et de manière indépendante, c'est-à-dire que les résultats d’analyse du réseau hydrographique effectuée dans l’axe géomatique n’ont pas été exploités pour ajuster le dispositif multi-local d’observation du transfert et vice et versa. Les résultats doivent constituer des outils d’aide à la décision pour déterminer des hypothèses acceptables sur le tracé du réseau hydrographique et sur son « pattern » de fonctionnement à partir de chacun de ces deux axes. Les résultats attendus doivent être utiles pour faire évoluer le paramétrage d’une fonction de transfert dans le cadre de la modélisation hydrologique spatialisée.

Un axe de synthèse associant les deux approches pour la modélisation.

Le troisième axe de recherche a pour but d’avancer une première valorisation des connaissances issues des deux premiers. Il s’agit d’abord de confronter les résultats obtenus à savoir l’analyse spatiale du réseau hydrographique à partir d’un levé LiDAR et l’observation du transfert dans ce réseau pour discuter de la cohérence d’ensemble. L’objectif est de situer les apports de chacune des méthodes et leur cohérence/incohérence.

Enfin dans la perspective d’évaluer l’intérêt des informations nouvelles obtenues sur le fonctionnement du réseau hydrographique du Mercier, une tentative de simulation de la réponse hydrologique à l’exutoire est proposée. Il s’agit de s’appuyer sur un modèle hydrologique conceptuel simple et pragmatique basé sur des notions de distance d’écoulement. Dans cette approche nous utilisons comme support un MNT pour représenter la distribution des distances d’écoulement dans le bassin versant qui sont transformées en temps de transfert avec un très faible nombre de paramètres. Le but est de simuler la composante rapide du transfert à l’exutoire du bassin versant du Mercier à partir d’hypothèses de simplification du fonctionnement déduites des résultats des deux premiers axes.

Avec ces outils rudimentaires mais faciles d’usage, la démarche consistera à tester en quoi les connaissances locales internes au réseau hydrographique peuvent contribuer à stabiliser des paramètres de transfert d’un modèle. L’objectif n’est pas de modéliser le fonctionnement hydrologique mais de proposer des pistes pour étudier la cohérence entre les patterns de drainage identifiés à partir d’observations locales dans le réseau et la réponse hydrologique globale observée à l’exutoire.

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