2 bassins versants physiquement semblables sont-ils forcément hydrologiquement similaires ?

2 bassins versants physiquement semblables sont-ils forcément hydrologiquement similaires ?

C'est à cette question que 4 chercheurs de l'Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA) ont tenté de répondre. Les conclusions de leurs recherches ont montré que cette relation ne fonctionne que dans 60 % des cas. Un prix international vient récompenser ces recherches.

Des jumeaux partagent le plus souvent des traits physiques, mais chacun a sa propre personnalité et réagit à sa façon aux événements qui jalonnent sa vie. Là, s’arrête la similarité. Et s’il en allait de même pour les bassins versants ? C’est à partir de cette référence aux faux jumeaux ou encore à un tableau de Magritte, que les chercheurs expliquent leurs travaux de rupture sur les bassins versants non-jaugés. Des bassins mal connus, car sans données de débits.

En effet, afin de mieux comprendre leur comportement hydrologique, les scientifiques utilisaient jusqu’à présent des chemins indirects : à savoir, si 2 bassins versants sont identiques, ils réagissent de la même façon à une pluie. Tels des jumeaux. D’autant plus, s’ils sont proches spatialement. Les scientifiques extrapolent ainsi les connaissances qu’ils ont d’un bassin versant, par rapport à un bassin "cousin", c’est-à-dire similaire. Or ici, le reflet (et l’hypothèse) se trouble... Car similarité physique et similarité hydrologique ne vont pas forcément de pair !

Pour le démontrer, 4 chercheurs [Ludovic Oudin, ancien doctorant à Irstea et aujourd’hui Maître de conférence au sein de l'UMR METIS à l'UPMC- Université Paris 6 et ses collègues de l’unité de recherche Hydrosystèmes et bioprocédés du centre Irstea d’Antony : Vazken Andréassian et Charles Perrin ; ainsi qu'Alison Kay du Centre for Ecology and Hydrology, Wallingford (UK)] ont questionné notre connaissance de ces bassins versants non-jaugés et ont remis en cause cette hypothèse de similarité. Une publication [Oudin, L., A. Kay, V. Andréassian, and C. Perrin (2010), Are seemingly physically similar catchments truly hydrologically similar?, Water Resour. Res., 46, W11558, doi:10.1029/2009WR008887] remarquée : ces travaux ont reçu le STAHY Best Paper 2014, qui récompense les meilleures publications dans le domaine de l’hydrologie statistique. Sans même candidater, leurs résultats ont attiré l’attention du comité d’experts internationaux du prix !

Classification des bassins versants

L’approche est en effet originale : les chercheurs proposent un cadre méthodologique, afin de classer des objets naturels, tels les bassins versants, de plusieurs façons différentes, mais aussi d’étudier la convergence de ces classifications. Et ainsi, "quantifier les erreurs qu’on est amené à faire quand on utilise ces deux approches de ressemblances", souligne Ludovic Oudin, principal auteur de la publication et maître de conférences à l’Université Pierre et Marie Curie (Paris 6).

"La question est très opérationnelle, au départ. Mais il y a aussi un contexte plus scientifique sous-jacent, précise Ludovic Oudin. La description faite des bassins, notamment sur l’organisation du sous-sol, est-elle suffisamment fine pour pouvoir dire que 2 bassins sont effectivement similaires d’un point de vue géomorphologique (physique) ? Il est clair que non..." Cette notion de similarité, jusqu’alors peu traitée dans la littérature scientifique et pourtant fréquemment utilisée dans les études de régionalisation de modèles hydrologiques, fait aujourd’hui débat.

Méthodologies & statistiques

Les scientifiques ont étudié 893 bassins versants représentatifs des conditions météorologiques dans l’Hexagone, ainsi que 10 bassins versants anglais, tous situés dans le sud de l’île, soit relativement proches des côtes françaises. La frontière symbolique de la Manche leur permettait de tester la notion de régionalisation : un bassin anglais et un bassin dans le sud de la France pouvait très bien présenter des similarités.

A partir des données connues des différents sites, 2 méthodologies ont été mises en place :

une méthodologie sur le comportement hydrologique, à l’aide de la modélisation et des outils développés à Irstea. Le modèle utilisé (GR4J) prend en compte 4 paramètres : l’épaisseur du sol, les échanges souterrains avec d’autres bassins versants, le temps de réponse du bassin par rapport à une pluie et le temps caractéristique des décrues. Pour les chercheurs, ces 4 paramètres synthétisent la réponse d’un bassin versant à la pluie. C’est en quelque sorte le génotype du bassin versant.

une méthodologie sur les caractéristiques géomorphologiques (physiques) : superficie du bassin, altitude moyenne, densité de drainage, caractérisation du sol, couverture forestière, etc.

Les chercheurs se sont lancés à la recherche de bassins versants "cousins", en vérifiant si ces 2 classements se recoupaient ou non. Les statistiques entrent alors en jeu, avec une règle de base, "la même que pour le tirage du loto !". Résultat : seuls 60 % des bassins versants étudiés avaient des caractéristiques physiques permettant de prédire leur comportement hydrologique, et inversement. En cause : les caractéristiques physiques disponibles des bassins versants, qui n’offrent pas un portrait assez complet. Pour Vazken Andréassian, hydrologue à Irstea, "si on veut être capable de spécifier les paramètres hydrologiques d’un site pour lequel on n’aurait pas de mesures, il faudra s’attacher à trouver des indicateurs physiques plus pertinents". Autre enjeu : identifier de meilleurs candidats parmi les bassins versants pour alimenter les modèles servant à leur classification.

Etudier les bassins versants, les comparer, ... et après ? "D’un point de vue opérationnel, ça permet de juger d’une façon un peu plus claire les approches de régionalisation ou de simulation sur les bassins non-jaugés, souligne Ludovic Oudin. Très souvent, quand on a besoin d’appliquer un modèle hydrologique, c’est en lien avec des questions de ressource en eau ou d’évaluation de l’aléa de crue sur un site. Et très souvent encore, on n’a pas de stations de mesure hydrométriques. Les aspects méthodologiques permettent de savoir quels paramètres utiliser selon les données en main." Et éviter de commettre des erreurs...