Axe 1 - Impact des processus de surface sur l'évolution de la recharge

Impact de l’évolution des occupations et des usages du sols depuis la fin du XIXème siècle sur les débits des hydrosystèmes karstiques

Arthur Crespin Boucaud
En collaboration avec P. Bérion, V. Léonardi, A. Olioso, C. Ollivier
Incluant les travaux des stagiaires : Harry Honfin, César Privat, Ellissandre Trassaert

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Contexte Général 

Les hydrosystèmes karstiques constituent des réservoirs d’eau souterraine essentiels pour l’alimentation en eau potable, l’irrigation et les usages environnementaux, mais leur fonctionnement est hautement sensible aux changements climatiques et anthropiques (usage des sols, politiques d’aménagement, intensification agricole, urbanisation). Dans ces systèmes, la recharge (infiltration d’eau de pluie vers l’aquifère) dépend non seulement des conditions climatiques mais aussi de la structure du couvert terrestre et de ses transformations historiques ; or, ces transformations se superposent à des variations hydroclimatiques, rendant difficile l’attribution des modifications de débits des sources karstiques à des causes spécifiques.

Objectif principal 

L’objectif principal de ce travail post-doctoral est de reconstituer l’évolution spatio-temporelle de l’occupation et des usages des sols sur plusieurs siècles pour quantifier leur impact sur les processus de recharge des aquifères karstiques et les débits observés aux émergences. Ce travail vise à fournir des reconstitutions historiques de Land Use / Land Cover (LULC) depuis le XIXᵉ siècle à un pas de temps régulier pour les bassins versants de la Loue (climat continental) et de la Fontaine de Vaucluse (climat méditerranéen) afin que ces données et changements soient intégrées dans des modèles hydrologiques pour analyser les réponses hydrologiques associées (ETP et recharge).

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Approche méthodologique

La reconstitution des occupations et usages des sols est possible à l'aide de documents d'archives (début XIXe siècle), cartes anciennes (1820 - 1866), photographies aériennes et produits cartographiques récents. Pour cela, la mise en relation des nomenclatures, des événements s'étant produits et de l'ensemble des documents spatialisés ou semi-spatialisés est nécessaire pour produire des cartes à des intervalles temporels choisis. Des incertitudes peuvent être intégrées, selon des changements de nomenclatures, mais aussi de la distance temporelle qui relie deux documents spatialisés. Une analyse par entité paysagère de taille plus réduite que celle du socio-hydrosystème permet une compréhension fine des types de changements.

Données spatialisées

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Donées textuelles

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Méthode

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Résultats essentiels et contributions

Les travaux ont permis d’établir des reconstructions robustes des trajectoires d’occupation des sols sur les deux bassins étudiés, mettant en évidence une tendance marquée à l’augmentation des surfaces forestières depuis le XIXᵉ siècle, en lien avec la déprise agricole. 

Sur le plan méthodologique, cette recherche apporte une contribution originale en couplant reconstitutions géo-historiques fines et modélisation hydrologique sur des séries longues, dans un cadre interdisciplinaire cohérent avec les objectifs du projet K3. Elle renforce la compréhension des interactions entre sociétés et hydrosystèmes karstiques et fournit des éléments opérationnels pour la gestion prospective de la ressource en eau dans un contexte de changements globaux.

Les contributions principales de la thèse sont donc :

• une méthodologie rigoureuse de reconstruction historique spatialisée des occupations et usages des sols à partir de sources très anciennes ;
• la prise en compte explicite des incertitudes associées à ces reconstructions
• et la production de cartes de LULC, à des pas de temps définis et analyses de changement

Résultats

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Résultats attendus 

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Incertitudes associées 

Les incertitudes proviennent principalement de trois origines :

• les différences entre les différentes nomenclatures, qui rendent délicate la comparaison directe ;
• la variabilité de la précision des données utilisées ; 
• et enfin les écarts temporels entre données mobilisées.

La prise en compte de ces incertitudes constitue une dimension centrale de l’analyse, car elle permet de mieux évaluer la fiabilité des impacts attribués aux évolutions d’usage des sols par rapport aux variations climatiques, plutôt que d’ignorer ces marges d’erreur dans les simulations.

Brune Raynaud-Schell
En collaboration avec J.Demarty, J.Etchanchu, C.Ollivier, M.Oliver-Soulayrol, V.Léonardi

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Contexte Général

Les travaux de Brune Raynaud-Schell portent sur la modélisation des transferts couplés d’énergie et d’eau à l’interface sol–végétation–atmosphère. Ils s’appliquent à des écosystèmes forestiers méditerranéens développés sur substrat karstique, caractérisés par une forte hétérogénéité hydrologique et des conditions hydroclimatiques contraignantes.

L’étude s’intéresse à ces échanges parce qu’ils déterminent des processus clés pour la disponibilité en eau, la transpiration végétale et la recharge des nappes — des processus particulièrement sensibles dans un contexte de changements climatiques et de sécheresses accrues dans le bassin méditerranéen.

Objectifs principaux de la modélisation

Elle adapte un modèle de type SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer) — un modèle numérique qui simule simultanément les échanges d’eau et d’énergie à l’interface sol-plante-atmosphère — pour tenir compte de la complexité hydrogéologique des zones karstiques (volume d’eau et flux préférentiels).

L’objectif est de dépasser les modèles classiques qui ne rendent pas bien compte de la double dynamique infiltrative dans les zones superficielles et les fractures profondes du karst, ce qui influence la disponibilité en eau profonde pour la végétation.

Objectifs scientifiques 

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Etat des connaissances -slide 3

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Approche méthodologique

• Couplage hydrique et énergétique

Le modèle met en évidence le rôle des flux énergétiques (chaleur, température du sol) conjointement avec les échanges d’eau (infiltration diffuse vs rapide).

Modèle SiSPAT - Slide 4 

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La compréhension et la représentation des bilans énergétiques de surface sont indissociables des dynamiques hydriques, dans la mesure où les flux de chaleur sensible et latente contrôlent à la fois l’évapotranspiration, la température du sol et la disponibilité en eau pour la végétation. Or, les modèles de type SVAT classiquement utilisés montrent des limites lorsqu’ils sont appliqués aux milieux méditerranéens karstiques, en raison d’une représentation simplifiée des transferts verticaux de l’eau, souvent inadaptée à la coexistence de flux diffus et de flux préférentiels.

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Un module a donc été développé dans l’équipe pour considérer aussi l’infiltration préférentielle rapide

Modèle  SiSPAT

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• Implémentation sur sites réels

Ce modèle adapté est appliqué sur deux sites forestiers méditerranéens instrumentés du réseau ICOS — Font-Blanche (Bouches-du-Rhône) et Puéchabon (Hérault) — afin de tester sa capacité à reproduire les observations de température de sol, teneur en eau, transpiration, etc.

Sites d'études - SLIDE 5

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Résultats essentiels et contributions

• Importance des flux préférentiels

Le modèle montre qu’il est essentiel de représenter à la fois l’infiltration diffuse en surface et les infiltrations préférentielles en profondeur.

• Meilleure reproduction des processus hydriques

Une représentation plus réaliste de la rétention en eau profonde permet de mieux simuler la transpiration végétale pendant les périodes de sécheresse, ce qui est crucial dans les forêts méditerranéennes.​

• Impact sur les bilans hydriques

L’inclusion de ces flux améliore la simulation des composantes hydrologiques (ruissellement, drainage, recharge) et réduit les incertitudes sur les estimations de recharge des nappes — facteur clé pour l’adaptation aux sécheresses