Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Département de génie rural, Institut de l'aménagement des terres et des eaux IATE (Laboratoire d'hydrologie et aménagements HYDRAM)

Etude des processus hydrologiques par l'application du traçage environnemental : association à des mesures effectuées à l'échelle locale et analyse d'incertitude

Joerin, Christophe ; Musy, André (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2000 ; no 2165.

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    Summary
    Abstract The main objective of this research is to improve the comprehension of the hydrological behaviour of natural catchments. This study is based essentially on the observation and the measurement of hydrological processes on the Haute-Mentue experimental research basin. The main originality of this work is to associate different types of measurements in order to obtain a better vision of hydrological processes responsible for streamflow generation. First the hydrological behaviour is studied at the catchment scale by the application of environmental tracing. Then hillslope measurements are conducted so as to identify the form of water flows through the catchment. Before the application of the environmental tracing technique on the Haute-Mentue, an uncertainty analysis of hydrograph separation models is proposed. In order to improve their interpretation in terms of hydrological processes, it is essential to estimate systematically their uncertainty. Two types of uncertainty are distinguished: the model uncertainty, which is affected by model assumptions, and the statistical uncertainty, which is due to the temporal variability of the chemical tracer concentrations of the components. The statistical uncertainty is studied using a Monte Carlo procedure. The model uncertainty is investigated by the comparison of alternative hypotheses concerning the chemical concentration of mixing model components and their spatio-temporal variability. This analysis validates in a way the use of hydrograph separation for the study of catchment hydrological behaviour. In fact it indicates that despite the uncertainty, the flow sources which generate the stream flow are clearly identified. However, the precision and the coherence of hydrograph separations can be improved by taking account of the temporal and spatial variability of component chemical concentrations. After this analysis, hydrographs recorded at the outlets of four Haute-Mentue sub-basins are separated by the application of a three-component mixing model based on the silica and calcium concentrations of water. This model allows the distinction of the following three components: direct precipitation, soil water and groundwater. The analysis of hydrograph separations of these four sub-basins allows the study of the spatial and temporal variability of hydrological responses. Concerning the spatial variability, despite the uncertainty of hydrograph separation, it appears that the hydrological behaviour of each sub-basin is different. The spatial variability of hydrological responses, which is observed essentially at the soil water contribution level, seems mainly due to the catchment morphology and geology. In general, soil contribution decreases with the steepness of the soil and the permeability of geological formation. As for the temporal variability of hydrological responses, it seems essentially to be controlled by the catchment humidity. Soil contribution increases with increasing basin humidity. A statistical analysis based on the development of multiple linear regressions allows the confirmation of the influence of these physico-climatic factors on the spatio-temporal variability of hydrological responses. In order to discover the processes responsible for the important soil water contributions highlighted by the application of environmental tracing, two experiments, one with a TDR system and the other with a rainfall simulator, were conducted within the catchment. On the whole, these two experiments indicate that the water flow processes are spatially quite heterogeneous and depend on very local properties. In fact, a geostatistical analysis of TDR measurements shows that the spatial variability of soil water content is very important at a local scale (1-20 meters). The soil infiltration capacity, determined by the simulation of artificial rainfall, is also spatially quite variable. This variability depends on the physical properties of the soil and geology but also on very local properties as macropores. After these different experiments, all of the observations done at the local scale as well as at the catchment scale are combined in order to get the maximum information about hydrological processes which are at the origin of streamflow. First, the TDR measurements partially confirm the environmental tracing results indicating that the soil water is an important potential source of subsurface flows. In view of the important spatial variability of soil water content and more particularly of the drainage dynamics, it seems that the stream flow generation is essentially controlled by processes at the local scale. The experiment with the rainfall simulator confirms this observation showing that the capacity of soil to transmit a water flow varies strongly in space. According to this experiment it seems, in the particular case of the Haute-Mentue, that soil water flows contributing to the stormflow generation moves essentially through the macropore system. In order to identify the form of subsurface flows and indirectly to confirm the role of macropores, an artificial tracing experiment was conducted. The transit speeds highlighted during this experiment are quick enough to conclude that the water contained in hillslopes contributes to the stromflow generation. Considering the physical and hydrodynamic properties of soils, only preferential flows can explain these transit speeds. In fact, from this experiment, it is not possible to know the nature of these preferential flows, but according to previous results it seems to be macropore flows. Finally, according to the information collected in this study, a conceptual model is proposed in order to explain the hydrological behaviour of the Haute-Mentue. This model, which is based essentially on the extension of contributing areas and on the role of preferential flows, allows to explain in terms of mechanisms the hydrological and chemical responses highlighted by hydrograph decompositions while respecting observations done at the local scale.
    Résumé
    L'objectif général de cette recherche est d'améliorer la compréhension du comportement hydrologique des bassins versants. Pour cela cette étude est construite essentiellement sur l'observation et la mesure des processus hydrologiques sur le bassin expérimental de la Haute-Mentue. La principale originalité de ce travail est d'associer des mesures de natures différentes afin d'obtenir une meilleure vision des mécanismes hydrologiques responsables de la génération du débit. Les réponses hydrologiques sont tout d'abord étudiées de façon globale à l'échelle du bassin versant grâce à l'application du traçage environnemental. Suite à cette expérimentation, des mesures sont conduites à l'échelle locale afin d'identifier la forme des écoulements de l'eau à travers le bassin versant. Avant d'appliquer la technique du traçage environnemental au cas de la Haute-Mentue, une analyse d'incertitude des modèles de décompositions d'hydrogrammes est proposée. Afin d'améliorer l'interprétation de ces modèles en termes de processus hydrologiques, il est essentiel d'estimer de façon systématique leur incertitude. Deux types d'incertitude sont distingués: l'incertitude de modélisation, qui est liée aux hypothèses d'application des modèles de mélange, et l'incertitude statistique, qui est due à la variabilité temporelle et spatiale des concentrations des traceurs dans les composantes. L'incertitude statistique est étudiée par des simulations de type Monte-Carlo. L'incertitude de modélisation est investiguée par la comparaison d'hypothèses alternatives concernant les compositions chimiques des composantes des modèles de mélange et leur variabilité spatio-temporelle. Cette analyse valide en quelque sorte l'utilisation des décompositions d'hydrogrammes pour l'étude du comportement hydrologique des bassins versants. En effet, il apparaît que malgré leur incertitude, les décompositions d'hydrogrammes permettent d'identifier clairement les sources d'écoulements responsables de la génération du débit. Toutefois, la précision et la cohérence des décompositions peuvent être améliorées en considérant la variabilité temporelle et spatiale des compositions chimiques des composantes. Suite à cette analyse, les hydrogrammes enregistrés dans quatre sous-bassins de la Haute-Mentue sont décomposés, grâce à l'application d'un modèle de mélange à trois composantes basé sur les concentrations de la silice et du calcium de l'eau. Ce modèle permet de distinguer les trois composantes suivantes: les précipitations directes, l'eau du sol et l'eau de la nappe profonde. L'analyse des décompositions d'hydrogrammes de ces quatre sous-bassins permet d'étudier la variabilité spatiale et temporelle des réponses hydrologiques. Concernant la variabilité spatiale, malgré l'incertitude des décompositions d'hydrogrammes, il apparaît clairement que le comportement hydrologique de chaque sous-bassin est différent. La variabilité spatiale des réponses hydrologiques, qui s'observe essentiellement au niveau des contributions de l'eau du sol, semble être due principalement à la morphologie et la géologie des bassins versants. D'une façon générale plus les sols sont pentus et plus les formations géologiques sont perméables, moins la contribution de l'eau du sol est importante. Quant à la variabilité temporelle des réponses hydrologiques, elle semble être essentiellement contrôlée par l'état hydrique des bassins versants. Plus leur humidité est élevée, plus la contribution de l'eau du sol est importante. Une analyse statistique, basée sur le développement de régressions linéaires multiples, permet alors de confirmer l'influence de ces facteurs physico-climatiques sur la variabilité spatiotemporelle des réponses hydrologiques. Afin de découvrir les processus qui sont à l'origine des importantes contributions de l'eau du sol, mises en évidence par la décomposition des hydrogrammes, deux expérimentations, une avec un système TDR et l'autre avec un simulateur de pluie, ont été conduites à l'intérieur du bassin versant. Globalement ces deux expérimentations indiquent que les processus d'écoulement de l'eau à travers le sol sont spatialement très hétérogènes et dépendent de propriétés très locales. En effet, une analyse géostatistique des mesures TDR montre que la variabilité spatiale de l'humidité du sol est très importante à l'échelle locale (1- 20 mètres). La capacité d'infiltration des sols, déterminée lors de la simulation de pluies artificielles, est également spatialement très variable. Cette variabilité dépend des propriétés physiques du sol et de la géologie, mais également de propriétés locales telles que la macroporosité. Suite à la conduite de ces différentes expérimentations, toutes les observations faites aussi bien à l'échelle locale qu'à l'échelle du bassin versant sont combinées afin de tirer le maximum d'informations concernant les processus hydrologiques à l'origine de la génération du débit. Tout d'abord les mesures TDR confirment partiellement les résultats du traçage environnemental en indiquant que l'eau du sol est une source d'écoulement potentielle importante. Face à l'importante variabilité de l'humidité du sol et plus particulièrement des dynamiques de vidange, il semble que la génération du débit soit essentiellement contrôlée par des processus à l'échelle locale. L'expérimentation avec le simulateur de pluie confirme cette observation en montrant que la capacité des sols à transmettre un flux d'eau est spatialement très variable. Selon cette expérimentation il semble que dans le cas particulier de la Haute- Mentue, les écoulements d'eau du sol participant à la génération des crues transitent essentiellement à travers le système de macropores. Afin d'identifier la forme des écoulements de proche subsurface et indirectement afin de confirmer le rôle des macropores, une expérimentation de traçage artificiel a été conduite. Les vitesses de transit mises en évidence lors de cette expérimentation sont suffisamment élevées pour que l'eau contenue dans les versants puisse participer à la génération des crues. Compte tenu des propriétés physiques et hydrodynamiques des sols, seuls des écoulements préférentiels peuvent expliquer ces vitesses de transit. A vrai dire, à partir de cette expérimentation, il n'est pas possible de connaître la nature de ces écoulements préférentiels, mais compte tenu des résultats précédents tout laisse supposer que cela soit des écoulements par macropores. Finalement, selon les informations recueillies dans cette étude, un modèle conceptuel est proposé afin d'expliquer le comportement hydrologique de la Haute-Mentue. Ce modèle, qui est basé essentiellement sur le principe de l'extension des zones contributives et sur le rôle des écoulements préférentiels, permet d'expliquer en termes de mécanismes les réponses hydrologiques et chimiques mises en évidence par les décompositions des hydrogrammes tout en respectant les observations faites à l'échelle locale.