Impacts des changements d’états de surface au Sahel sur le fonctionnement de la Zone Critique d’un système endoréique : approche par modélisation intégrée

5 mois, Début 2019
Laboratoire(s) de rattachement : IGE
Encadrant(s) : B. Hector et J.-M. Cohard
Co-encadrant(s) :
Contact(s) : basile.hector ird.fr
Lieu : IGE : bâtiment OSUG-B
Niveau de formation & prérequis : Le stagiaire devra avoir des connaissances solides en hydrologie de la Zone Critique et en modélisation hydrologique. Les outils et méthodes déployées seront très largement composées de programmation scientifique (connaissances de base en Python préférables) et d’environnement Linux.
Mots clés : Modélisation hydrologique, Zone Critique, Sahel

Contexte :
La région Sahélienne connaît des changements environnementaux majeurs depuis le milieu du XXe siècle. Les systèmes hydrologiques sont soumis d’une part à une forte pression anthropique qui engendre souvent une augmentation du potentiel ruisselant des sols, en lien avec les pratiques agricoles (défrichements et encroûtements), et d’autre part à des changements climatiques qui modifient l’intensité des précipitations extrêmes, mais également les états de surface (végétation, érosion). Du fait des forts taux démographiques et des projections climatiques, il est attendu que ces modifications se propagent. Ces problématiques sont largement abordées sous l’angle de l’instationnarité de l’aléa hydrologique (innondations) et dont la vulnérabilité de la région pose un cadre d’urgence à ces recherches. Par ailleurs, la gestion intégrée des ressources en eau (eau verte, eau souterraine, eau de surface) de la Zone Critique (ZC, zone qui s’étend du substratum rocheux imperméable au sommet de la canopée, Critique pour le développement durable de l’humanité et pour la régulation de la planète) concerne bien souvent des échelles de temps supérieures, mais pour autant souffre du manque d’expertise adéquate pour appréhender la sensibilité de l’ensemble de la ZC à ces changements environnementaux. La compréhension des évolutions hydrologiques passées ainsi que leurs projections futures se heurtent à un déficit de modèles hydrologiques éprouvés et pertinents pour la région Sahélienne, qui soient capables de représenter l’ensemble des stocks et flux hydrologiques de la ZC.

Objectifs :
A partir d’une étude bien documentée (Gal et al., 2017) de l’impact des changements environnementaux entre les périodes 1960-1975 et 2000-2015 sur la seule composante ruissellement d’un système endoréique au Mali, l’objectif de ce stage sera d’explorer les conséquences de ces changements d’états de surface sur les autres termes du bilan hydrologique (Recharge des nappes, évapotranspiration), ainsi que leur dynamiques spatio-temporelles. Cet objectif sera abordé par la modélisation, en déployant un modèle intégré de la ZC, ParFlow-CLM (https://parflow.org/), qui résout simultanément les équations de richards en 3D en zone saturée/non saturée et un schéma d’écoulement par onde cinématique ou diffusive. La composante CLM du modèle résout le bilan d’énergie à la surface et calcule les flux d’évapotranspiration. Le déploiement de ce modèle sur un tel système typiquement sahélien permettra d’en préciser les avantages et limites dans le cadre d’une mise en oeuvre de ce modèle étendue à l’ensemble du Sahel.

Mise en oeuvre :
Pour atteindre l’objectif du stage, les données de changement d’états de surface (encroûtements, végétation, réseau de drainage, sols) préparés dans le cadre de l’étude de Gal et al. (2017) seront disponibles. Le stagiaire devra donc dans un premier temps adapter ces données au formalisme du modèle (identifier les paramètres hydrodynamiques et de végétation correspondant aux différents états de surface, et éventuellement les mettre à l’échelle de la résolution du maillage régulier du modèle). Dans un second temps, un forçage météorologique (température, pression, humidité de l’air, vents, courtes et grandes longueurs d’onde) type sera reconstruit à partir de données de réanalyses de modèles climatiques (MERRA), afin de faire tourner le modèle sur la période historique (1960-1975). La production d’écoulement sera comparée aux résultats de Gal et al. (2017), ainsi qu’aux observations de terrain afin d’évaluer le comportement du modèle. Une analyse de sensibilité aux paramètres et forçages du modèle sera ensuite mise en oeuvre afin de comparer l’effet des incertitudes quant aux valeurs de ces termes aux différences de comportements entre la période historique et la période récente. Ceci permettra de quantifier la significativité de l’effet des modifications des états de surface sur les différents termes du bilan (écoulements, recharge des nappes, évapotranspiration), par rapport aux incertitudes mêmes du modèle.

Prérequis :
Le stagiaire devra avoir des connaissances solides en hydrologie de la Zone Critique et en modélisation hydrologique. Les outils et méthodes déployées seront très largement composées de programmation scientifique (connaissances de base en Python préférables) et d’environnement Linux. Le stagiaire bénéficiera de l’accueil de l’équipe PHyREV de l’IGE dont les membres sont spécialistes des différents compartiments de la Zone Critique d’Afrique de l’Ouest, ainsi que de l’hydrométéorologie de la région. La motivation pour les interactions d’équipe est un plus, qui permettra une appropriation des problématiques du milieu Sahélien par le stagiaire.

Références
Gal, L., Grippa, M., Hiernaux, P., Pons, L. and Kergoat, L. : The paradoxical evolution of runoff in the pastoral Sahel : analysis of the hydrological changes over the Agoufou watershed (Mali) using the KINEROS-2 model, Hydrol. Earth Syst. Sci., 21(9), 4591–4613, doi:10.5194/hess-21-4591-2017, 2017.