Nous avons pu voir dans ce dernier chapitre, que la procédure de modélisation inverse développée à partir de la parcelle pilote de Sumène, s’avérait efficace pour l’estimation des propriétés hydrodynamiques des sols cévenols. Nous avons également pu obtenir une estimation cohérente des profondeurs de sol ainsi que des propriétés du sous-sol au niveau des stations qui ont confirmé la présence de deux types de sous-sol au comportement hydrodynamiques opposés. Dans un premier cas, les sous-sols compacts et/ou formés de roches peu altérées agissent comme une limite à l’écoulement vertical de l’eau et, sont probablement à l’origine de la formation d’écoulements de subsurface latéraux. Dans un second cas les sous-sols plus altérées et sableux permettent l’infiltration de l’eau vers des zones plus profondes et agissent comme des réservoirs. Ces résultats montrent la forte variabilité des propriétés hydrodynamiques des sols sur les sites étudiés. Néanmoins, les comparaisons qualitatives effectuées par la représentation des paramètres en fonction de la position des stations sur les versants ou, l’analyse des courbes de conductivité et de rétention en eau n’ont pas permis de faire le lien entre cette variabilité des propriétés hydrodynamiques et les traits du paysage tels que la géologie, la position sur le versant ou la végétation. Il semblerait en revanche que les sols soient un peu plus profonds sur les transects 5 et 6, qui sont également les transects avec la pente la plus faible.
La diversité des propriétés hydrodynamiques constatée à l’échelle du transect tend à se maintenir lorsque l’on compare les transects entre eux. Ni les études de terrains (granulométrie, profondeurs de sol, infiltrométrie), ni l’étude des transects par modélisation inverse n’ont mis en évidence d’organisation spatiale au niveau de ces bassins versants. Il est donc d’autant plus intéressant de disposer à présent d’un certain nombre de jeux de paramètres hydrodynamiques distribués spatialement et qui pourront servir de base aux futurs travaux de modélisation hydrologique.
175
Conclusion
Ce travail de thèse s’intègre dans le cadre du projet ANR Floodscale dont l’objectif global est d’améliorer la compréhension des processus hydrologiques à l’origine des crues éclairs en zone méditerranéenne.
Au sein de ce projet, cette étude avait pour but de mettre au point une méthode qui permette d’évaluer les propriétés hydrodynamiques des sols cévenols et leur variabilité spatiale à l’échelle du versant et du petit bassin versant (# km²), pour documenter les modèles hydrologiques pluie-débit opérant à cette échelle. Les propriétés sont ici représentées par les paramètres du modèle de Mualem-van Genuchten MvG (Mualem, 1976) utilisant 6 paramètres pour caractériser les courbes de rétention en eau et de conductivité hydraulique : θr, θs, α, n, Ks et
l qui présentait l’avantage d’être largement documenté et implémenté dans des logiciels en libre
accès.
La revue synthétique des méthodes directes et indirectes permettant d’estimer ces paramètres nous a conduits à orienter le projet vers la technique de modélisation inverse basée sur des mesures continues de pluie et d’humidité du sol in situ. Les avantages de cette méthode étaient principalement la possibilité d’estimer les paramètres « in situ », à partir de mesures de pluie et de teneur en eau relativement simples à mettre en œuvre, sans apport de mesures complémentaires. Un autre avantage décisif de cette méthode paraissait résider dans la possibilité d’estimer non seulement les paramètres du modèle MvG, mais également la condition limite profonde, au-delà du domaine d’observation, et le rôle des horizons profonds sur l’éventuel développement de zones saturées depuis la base du profil de sol. Les propriétés de la zone altérée de la roche-mère sont en effet moins accessibles à l’observation, et constitue un enjeu important de la modélisation hydrologique.
Le processus d’inversion a été traité à partir de l’algorithme génétique multi-objectif NSGA-II (Deb et al., 2002) qui avait déjà été utilisé à plusieurs reprises pour des problématiques similaires (Werisch et al., 2014; Wöhling et al., 2008) avec de bons résultats tout en restant assez simple à prendre en main. Néanmoins nous avons modifié la version d’origine de l’algorithme pour tenir compte des spécificités du système étudié et notamment du problème d’équifinalité (Beven, 1993) indissociable du processus de modélisation inverse. Cette modification recommandée par Hamdan (Hamdan, 2010) permet à l’algorithme d’éviter de rester piégé dans un optimum local lorsque l’un des paramètres à estimer se trouve trop proche de sa valeur limite.
176 La procédure de modélisation inverse a d’abord été testée sur un site de terrain pilote avant d’être étendue à un dispositif portant sur 50 stations de mesure de teneur en eau des sols réparties sur 6 transects de versant, comprenant chacun de 8 à 10 stations. .
Les stations de suivi de la teneur en eau des sols ont fonctionné sur des durées allant de 3 ans (2008-2010) pour la parcelle pilote à 1 an pour les transects avec un pas de temps de mesure de 15 minutes.
A partir des données obtenues, plusieurs résultats ont été mis en évidence :
Une dynamique d’infiltration très rapide et une faible rétention en eau sur l’ensemble des sites étudiés liée à la présence de sols à dominance sableuse avec une forte proportion de matériaux grossiers
L’apparition d’un phénomène de saturation en eau du profil de sol principalement sur le site de Sumène, et à quelques occasions, sur certaines stations des versants de Valescure et de Tourgueille. Pour ceux-ci néanmoins, la grande majorité des stations n’a pas montré de cas de saturation aux différentes profondeurs de mesure (20 et 40 cm).
Les différents sites présentaient un nombre très variable d’épisodes de pluie utilisables dans la procédure de modélisation inverse allant de 3 à 12. Ces inégalités entre les sites étudiés que l’on pouvait également retrouver au niveau de la qualité des mesures d’humidités pouvaient limiter le potentiel de la méthode mise en place en limitant fortement les données d’entrée nécessaire au processus de modélisation inverse.
Nous avons fait le choix de travailler à une échelle de temps événementielle allant de 24h à quelques jours afin de simplifier les processus à prendre en compte en considérant le phénomène d’évapotranspiration comme étant négligeable.
La méthode d’inversion a permis de déterminer un ensemble de jeux de paramètres hydrodynamiques pour le site pilote de Sumène à partir de 12 épisodes pluvieux. Les paramètres estimés apparaissent comme robustes et stables et le modèle permet la reproduction des variations de teneur en eau observées pour la plupart des épisodes pluvieux pour les deux sondes situées proches de la surface et du milieu du profil de sol. En revanche, il semble que l’hypothèse de travail retenue à savoir un transfert de l’eau dans une matrice homogène et selon une seule dimension ne suffise pas pour reproduire les phénomènes de saturation à la base du profil de sol. Cette difficulté à reproduire ces variations nous a amené à poser l’hypothèse de l’influence importante des flux de subsurface au niveau de cette parcelle expérimentale, hypothèse qu’il n’a pas été possible de tester dans le cadre de ce travail.
177 Après avoir testé la méthode d’inversion sur le site pilote, l’algorithme a été adapté pour traiter les transects installés sur les versants des bassins de Valescure et Tourgueille. L’étude a porté sur l’inversion des mesures de 42 stations sur les 50 installées, les 8 stations rejetées ne présentant pas suffisamment de données utilisables.
Par ce processus d’inversion nous avons pu, d’une part définir des paramètres hydrodynamiques stables et performant pour le sol de ces stations et d’autre part estimer les profondeurs de sol associées à ces stations qui demeuraient imprécises par les méthodes directes ou de résistivité électriques mises en place jusque-là. Les méthodes directes proposaient des profondeurs de sol allant de 16 à 60 cm mais avec des écart-types très importants alors que la procédure de modélisation inverse a permis d’estimer la profondeur des sols entre 31 et 120 cm avec des écart-types plus faibles. Cette différence est liée à la prise en compte du modèle des écoulements entre les blocs qui fait que la profondeur de sol « active » hydrologiquement est plus importante que celle explorable par les moyens physiques. L’inversion a également mené à une estimation de la conductivité hydraulique de la zone de roches altérée qui va de quelques unités à une centaine de mm/h. Cet horizon situé entre le sol et la roche mère massive présente une épaisseur pouvant atteindre plusieurs mètres et joue un rôle important dans les processus hydrologiques de ces bassins versant (Vannier, 2013).
L’analyse comparative des propriétés hydrodynamiques à l’échelle du versant et du bassin versant a mis en évidence une grande diversité de résultats en ce qui concerne l’estimation des paramètres d’une couche de sol à une autre et d’un profil de sol à un autre. Néanmoins, ces paramètres montrent que sur l’ensemble des points de mesure, les sols sont très filtrants et retiennent peu l’eau, comme on pouvait s’y attendre compte tenu de leur nature majoritairement sableuse. Les capacités de stockage en eau, qui dépendent de la profondeur du sol et de la nature du substrat, semblent très variables d’un site à l’autre, mais dans l’ensemble, à part quelques exemples de conductivités hydrauliques à saturation qui se réduisent à quelques mm/h à de faibles profondeurs (40-50 cm), les profils présentent dans leur majorité des porosités et des perméabilités importantes à plus d’1 m de profondeur.
178 A partir de cette variabilité spatiale, il n’a pas été possible d’identifier clairement une organisation spatiale au niveau des différentes couches du sol, ni à celui des différents sites positionnés le long d’un versant. Les variations de porosité, de conductivités hydrauliques et de rétention en eau apparaissent plutôt être de nature aléatoire. A l’échelle du versant, il n’a pas été possible de détecter une influence de la géologie (schistes ou granites) ou de l’exposition géographique sur les valeurs médianes des valeurs de porosités, des courbes de conductivité hydraulique, ou de rétention en eau organisation spatiale. Toutefois, ces valeurs médianes sont assez voisines ; de même les intervalles de variation des propriétés des sols sont comparables d’un versant à l’autre. Ceci semble montrer qu’à l’échelle du versant, les propriétés des sols montrent la même variabilité, et que la distribution statistique de ces valeurs constitue une signature hydrologique pertinente à cette échelle.
D’un point de vue technique, ce travail a nécessité une adaptation notable de la méthode de modélisation inverse au cas particulier de l’étude des propriétés hydrodynamiques des sols naturels de montagne à partir de mesures de teneur en eau et de précipitations in situ. L’algorithme programmé en Matlab avec une boucle externe permettant de simuler les teneurs en eau du sol avec différents jeux de paramètres issus d’un mode de sélection génétique pourra être réutilisé pour compléter les résultats, ou les développer.
Plusieurs voies d’amélioration pourront en outre être testées à la suite de ces premiers résultats.
Une première limite de cette étude a été la difficulté de représentation des fortes variations de teneur en eau en profondeur sur le site pilote de Sumène. Parmi les hypothèses qui permettraient d’expliquer ce phénomène, la plus probable est la possibilité que la route en contre-haut de la parcelle à une vingtaine de mètres de la station de mesure agisse en barrage vis à vis des écoulements de subsurface qui arrivent de l’amont du versant. Avec un apport amont très restreint et une fuite aval illimitée, l’hypothèse de continuité entre les apports au niveau de la station utilisée pour justifier l’utilisation d’un modèle 1-D apparait insuffisante. Il serait donc intéressant de réaliser une modélisation à deux dimensions du site de Sumène en prenant en compte la présence de la route et de voir si l’on parvient à reproduire plus fidèlement les variations importantes observées au niveau de la sonde la plus profonde.
La seconde limite tient à la faible quantité de données exploitables sur les transects par rapport aux périodes de mesures. Outre les problèmes de dégradation des stations par la faune sauvage
179 qui ont pu être résolu sur les derniers sites instrumentés par la mise en place de clôtures électrifiées, les problèmes des mesures surestimées qui apparaissent sur les transects 2 à 5 semblent dus à un mauvais contact entre le sol et les sondes. Il est donc important dans le cadre des études futures de définir un protocole d’installation qui permette d’éviter de tels désagréments. Les sols étudiés présentant une très forte teneur en matériaux grossiers, il est nécessaire de s’assurer que les sondes sont enfoncées sans forcer ce qui pourrait indiquer la présence d’un obstacle qui, en cas d’insertion en force entraine son déplacement et la création d’une poche d’air qui se remplie d’eau lors du passage d’un front d’humectation et provoque une surestimation des mesures. La vérification plus fréquente des mesures permettrait également de mettre en évidence les sondes défaillantes ou mal installées afin de limiter les périodes de mesures inexploitables parfois très longues comme dans le cas des transects 2 et 5. La période durant laquelle les transects 1 à 4 ont été instrumenté s’est avéré être une période assez sèche et pauvre en événements pluvieux majeurs ce qui a également pu biaiser l’estimation de certains paramètres tels que la teneur en eau à saturation. Il parait important de tester les jeux de paramètres obtenus sur des sols similaires mais pour des épisodes pluvieux plus important tels que les expériences de simulations de pluie.
Néanmoins, cette étude réalisée sur de nombreux sites a permis de produire une base de données de propriétés hydrodynamiques jusque là inexistante pour ces zones de montagne présentant des enjeux hydrologiques important en termes de prévision des crues.
Il serait par conséquent nécessaire de tester ces propriétés par un travail de modélisation pluie-débit à base physique et ainsi de valider les processus pris en compte aux échelles de la station ou du versant.
Il serait également intéressant d’étendre la méthode mise en place pour les bassins cévenols aux autres bassins étudiés dans le cadre du projet Floodscale comme ceux de l’Ardèche qui présentent notamment des sols limoneux et argileux dont les dynamiques d’infiltration sont radicalement différentes des sols sableux étudiés sur le Gardon.
Enfin, la méthode utilisée dans le cadre de ce projet se basait sur les seules mesures de teneurs en eau du sol pour contraindre le système à optimiser avec un algorithme unique (NSGA-II). Il serait possible d’augmenter les contraintes du système en instrumentant les transects avec au moins un tensiomètre placé à la même profondeur qu’une des deux sondes. Cette mesure des deux variables caractérisant la teneur en eau d’un sol permet d’augmenter significativement la
180 fiabilité des paramètres estimés (Zhang et al., 2003) ce qui pourrait s’avérer utile principalement lorsque nous disposons de peu de données pour caractériser un sol.
180
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