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OSUG - Terre Univers Environnement

Magdalena UBER

soutenance en 2019

25 novembre 2016 ( maj : 24 février 2017 )

Origine et redistribution spatio-temporelle des matières en suspension dans les bassins versants : approche combinant observations de flux, traçage et modélisation distribuée


directeurs de thèse : Cédric LEGOÛT et Guillaume NORD

Thèse en financée par une bourse ministérielle

Date de début de thèse : octobre 2016

Contexte, objectifs et démarche de la thèse

La compréhension de l’érosion et du transport sédimentaire constitue un enjeu important en termes
de gestion des ressources en sols et eaux de la zone critique (Brils, 2008). En Europe l’érosion hydrique est
considérée comme la principale menace pesant sur les sols en générant des pertes irréversibles qui limitent
les capacités ultérieures de production (Toth et al., 2008). Le transfert des matières en suspension (MES)
vers l’aval peut entraîner l’envasement progressif des ouvrages, hydroélectriques par exemple, ou générer
une dégradation de la qualité des rivières par colmatage du fond ou par agression directe des organes
respiratoires des espèces piscicoles (Owens et al., 2005). Ces MES constituent également un vecteur
privilégié du transport de nutriments (C, N, P,...) ou de contaminants (pesticides, métaux,...). Enfin
l’augmentation de la turbidité entraine des surcouts importants pour le traitement de l’eau lorsque celle-ci est
utilisée en eau potable.

Face à ces enjeux d’envergure, les modèles numériques capables de simuler de manière distribuée
des flux de MES sont des outils très attendus par les décideurs pour évaluer les impacts de stratégies
d’aménagement. Malheureusement, les performances des modèles existant actuellement sont beaucoup trop
faibles pour envisager leur utilisation comme outils d’aide à la décision dans des contextes de changement
climatique ou d’occupation des sols (De Vente et al., 2013). Parmi les différentes raisons expliquant la mise
en défaut de ces modèles, la mauvaise prise en compte de la dynamique spatio-temporelle de la production et
du transfert des flux solides à l’intérieur des bassins versants constitue un verrou majeur (Gumiere et al.,
2011). Avancer dans la modélisation des flux de MES implique donc une analyse des mécanismes basée sur
d’autres grandeurs que les débits liquides et solides mesurés classiquement aux exutoires. En ce sens, le
temps de transit et l’origine spatiale des MES sont des informations cruciales.

Le traçage des MES collectées aux exutoires ou « fingerprinting » a été largement utilisé cette
dernière décennie pour identifier des sources majeures de sédiments et réaliser des bilans de masse par
source de MES exportées des bassins versants à l’échelle de l’année ou inter-évènementielle. En revanche
ces informations n’ont été que très peu exploitées pour comprendre la dynamique spatiale et temporelle de
l’érosion et du transfert de MES à l’échelle de l’épisode pluvieux, encore moins pour évaluer l’aptitude des
modèles à simuler la distribution des flux de sédiments. Des méthodes de traçage « low cost » récemment
mises au point (Poulenard et al. 2012, Legout et al. 2013) permettent d’accéder aux proportions des
différents matériaux sources sur chacun des échantillons de MES collectés automatiquement au cours des
crues, en complément des séries temporelles de débits liquides et solides. L’application de ces méthodes sur
le bassin versant du Galabre (22 km2, Observatoire Draix Bléone) a déjà mis en évidence une très forte
variabilité de l’origine spatiale des MES pour plus de la moitié de la trentaine de crues analysées.

L’objectif de la thèse est donc i) d’évaluer dans quelle mesure la dynamique du forçage
météorologique contrôle la variabilité inter et intra crues des flux des différents types de MES et ii)
d’identifier la sensibilité des réponses hydrosédimentaires respectivement à la fonction de production ou à la
fonction de transfert de MES. Il s’agira dans un premier temps de tester l’hypothèse d’un contrôle de la
variabilité spatio-temporelle du forçage météorologique uniquement sur la production de MES sur les
versants. Dans un second temps nous testerons le rôle du forçage et de la redistribution des flux d’eau
associés sur le stockage temporaire et la remobilisation des MES dans le réseau hydrographique.

L’originalité de ce travail de thèse se situe dans une approche combinant observation des flux de
MES, traçage de l’origine spatiale des MES et modélisation distribuée dans un contexte de forçage
pluviométrique bien contrôlé. Deux bassin versants de moyenne montagne présentant des occupations du sol
et des pédo-géologies contrastées seront étudiés, le Galabre (22km2, Observatoire Draix-Bléone) et la
Claduègne (43 km2, Observatoire Hydro-météorologique Méditerranéen Cévennes Vivarais OHMCV).
Situés en contexte méditerranéen, ces bassins présentent des crues rapides en réponse à des précipitations
assez brèves mais très intenses ayant une extension spatiale limitée et d’origine convective, souvent
renforcées par un effet orographique (Borga et al., 2014). La thèse s’articulera autour de deux volets :

 Observation/expérimentation : les données de traçage des MES à haute résolution temporelle
n’étant disponibles que pour le bassin versant du Galabre, il s’agira de transposer les
méthodologies mises au point au bassin versant de la Claduègne. Un travail de comparaison de la
variabilité des flux par type de MES entre les deux bassins versants sera ensuite réalisé. A l’issue
de cette comparaison, une typologie des évènements basée sur des indicateurs caractérisant la
variabilité du forçage météorologique et des flux des différents types de MES sera proposé.

 Modélisation : l’effort sera porté sur la modélisation évènementielle en sélectionnant des
évènements assez intenses où le ruissellement de surface joue un rôle important. Deux outils de
modélisation permettant de tracer numériquement l’origine et le transfert des MES seront utilisés,
l’un représentant les processus hydrologiques et sédimentaires de manière simplifiée (code
Matlab, Michelon 2013), l’autre assurant une représentation hydrologique et sédimentaire plus
détaillée (Iber, Cea et al. 2014). Après une étape d’analyse de sensibilité de ces modèles, il s’agira
de proposer une méthodologie de calibration/évaluation des modèles sur la base des indicateurs
de variabilité proposés et des données distribuées à disposition.