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Thème de recherche

Positionnement des recherches

Mon travail de recherche est basé sur l’analyse de la variabilité des processus hydrologiques de l’événementiel au long terme, avec un intérêt marqué pour l’hydrologie des milieux karstiques, comme le résume la figure 1.


Fig. 1 - Organisation générale des thématiques de recherche.

Les processus de transferts hydriques, de matières dissoutes et en suspension dans les hydrosystèmes karstiques

En Haute-Normandie, la gestion des ressources en eau concerne d’une part les eaux souterraines de l’aquifère de la Craie, qui représente l’essentiel de l’alimentation en eau potable (AEP), et d’autre part les eaux superficielles pour lesquelles les préoccupations sont davantage tournées vers le risque naturel et les activités récréatives. Dans ce contexte hydrogéologique karstique, la principale problématique liée à l’AEP réside dans l’occurence fréquente de phénomènes turbides au niveau des captages. Ainsi, les travaux entrepris depuis ma thèse se sont inscrits dans le cadre des recherches en hydrogéologie développées depuis les années 1990 au laboratoire de Géologie de l’Université de Rouen, composante rouennaise de l’UMR 6143 « Morphodynamique Continentale et Côtière » CNRS/Universités de Caen Basse-Normandie et de Rouen depuis 2000.

Mes investigations ont dans un premier temps été concentrées sur les études des transferts hydriques, de matières en suspension et d’éléments dissous au sein des hydrosystèmes karstiques, en réponse à un manque de connaissance spécialement sur les transferts de particules. Les hydrosystèmes karstiques sont des milieux complexes, hétérogènes, discontinus, dont le fonctionnement est caractérisé par des effets de seuil. Leur réactivité est donc associée à un comportement variable dans le temps, fonction du niveau de remplissage des nappes, par exemple, ou de l’état des sols en surface où le ruissellement produit de l’infiltration rapide via les pertes et dolines. A la complexité des transferts hydriques inhérente à la structuration du milieu lui-même, se surimpose celle spécifique au transfert de particules en suspension liée à la nature du matériel transporté : la turbidité restituée aux exutoires, qu’ils soient naturels (sources) ou artificiels (forages), comporte non seulement une fraction issue du transfert direct depuis la surface suite aux événements pluvieux, mais également une part interne au système provenant de l’érosion interne (remise en suspension) de sédiments préalablement décantés. Cette spécificité accentue le comportement non linéaire des hydrosystèmes karstiques et complique d’une part la compréhension des phénomènes turbides, et d’autre part la prédictibilité de leurs occurrences.

Au travers de mes travaux sur les flux et transferts au sein des systèmes karstiques, je me suis donc attaché à améliorer autant que possible notre compréhension du fonctionnement de ces hydrosystèmes, notamment en ce qui concerne leur comportement vis à vis du transport d’éléments en suspension. Une partie des études entreprises a été menée à l’échelle événementielle, par l’analyse des courbes de restitution des traceurs artificiels (expériences de traçages par colorant) et de traceurs naturels suite aux événements pluvieux (turbidité, conductivité électrique, concentrations des espèces géochimiques en solution) au niveau de sites-pilotes bien contraints. Les mesures en continu réalisées au moyen de sondes multiparamètres a permis à cette échelle de travail une analyse fine des processus de transfert et l’établissement de bilans de restitution lors des crues turbides.

Je me suis par ailleurs penché sur la caractérisation du comportement « moyen » des hydrosystèmes karstiques. Cette démarche est complémentaire de l’analyse des crues à l’échelle de l’événement : en effet, l’étude de la succession d’épisodes de crue sur des durées relativement courtes (inférieures à l’année hydrologique) à l’aide de techniques de traitement du signal fournit une vision globale de la réactivité des systèmes étudiés et permet d’appréhender leur réponse « moyenne », que ce soit en termes de flux hydriques ou de flux d’éléments transportés. L’échelle de temps choisie, inférieure à l ’année, permet (éventuellement après simple suppression d’une tendance) de s’affranchir de la variabilité inhérente au signal d’entrée climatique. Dans ce cas comme dans celui des analyses événementielles, la comparaison des transferts d’éléments dissous et particulaires est utilisée comme un élément-clé de la compréhension des propriétés de transport des hydrosystèmes karstiques.

Au cours de mes travaux sur l’étude des flux de matières au sein des hydrosystèmes karstiques, l’accent a ainsi été porté tout particulièrement sur la caractérisation des transferts d’éléments dissous et particulaires. Plus spécifiquement, les approches comparées basées sur l’exploitation de différents types de traceurs naturels ou artificiels ont constitué un moyen efficace pour la caractérisation des hydrosystèmes karstiques en termes d’infiltration, d’écoulement et de circulation des eaux et d’évacuation des contaminants. En fonction de l’échelle temporelle concernée (la crue ou la saison) et des stratégies de mesure (échantillons haute-résolution à partir de la mesure en continu ou échantillons issus de prélèvements d’eaux), les techniques analytiques et outils employés diffèrent, depuis des démarches plus mécanistes jusqu’aux approches davantage orientées vers la caractérisation de la variabilité statistique des séries de mesures. Dans tous les cas, les résultats convergent vers la définition de descripteurs de la dynamique des transferts dans les hydrosystèmes karstiques aboutissant à l’identification de réservoirs contribuant à ces transferts, l’estimation de leur degré de contribution respectifs et des constantes de temps qui les caractérisent. L’étape suivante consistera en l’utilisation de ces résultats en vue de la paramétrisation de modèles physiques ou conceptuels à même de décrire le fonctionnement et le comportement en transport des hydrosystèmes étudiés.

Les échelles de temps considérées ici permettent de s’affranchir quelque peu de la variabilité des processus hydrologiques sur le long terme. Toutefois, l’influence de la variabilité interannuelle, essentiellement contrôlée par les fluctuations climatiques, est clairement apparue comme source d’une importante modification dans le comportement, le fonctionnement et la réactivité du système considéré. Par exemple, le degré d’hétérogénéïté estimé pour certains aquifères (tel que l’aquifère karstifié du segment de Barton Springs, travaux synthétisés dans mon document d’HDR) révèle un comportement hydrologique fortement dépendant des variations de la recharge aux échelles interannuelles, non seulement en quantité, mais également en termes qualitatifs, en ce sens que les contributions relatives des différents réservoirs apparaissent très variables suivant ces échelles de temps. Ce phénomène est bien évidemment d’autant plus marqué que le système étudié est complexe, comme c’est le cas des milieux karstifiés, mais aussi d’une manière générale de tout hydrosystème à forte variabilité spatiale, comme les grands bassins versants régionaux. La nécessité de comprendre l’origine des variations observées dans les données hydrologiques dont nous disposions (telles que les données piézométriques dans l’aquifère de la Craie, à titre d’exemple) a donc abouti à l’émergence dans mes travaux d’un nouvel ensemble de problématiques scientifiques orientées vers l’étude de la variabilité hydrologique sur le long terme.

La variabilité hydrologique en relation avec les régimes climatiques régionaux et globaux

Il m’est ainsi apparu indispensable, dans un second temps, de prendre en considération la variabilité du signal d’entrée climatique et son impact dans les variations des caractéristiques hydrologiques. En effet, il est rapidement apparu que sur la durée de nos enregistrements (de quelques années), pourtant relativement courte en regard des durées nécessaires à l’analyse hydroclimatologique, la variabilité des conditions hydrologiques (au travers notamment de piézométrie et des débits de la Seine et des rivières) portait l’empreinte des fluctuations plus ou moins bien structurées vraisemblablement en lien avec les variations climatiques. Mes efforts se sont donc dès lors portés sur l’étude et la caractérisation de ces modes de variabilité, en termes d’identification et de quantification d’une part, mais également avec l’objectif d’en rechercher l’origine (climatique ? Anthropique ?).

C’est ce qui m’a conduit à développer un nouveau champ thématique au laboratoire sur l’étude de la variabilité hydrologique (ou disons : hydrométéorologique) aux échelles interannuelles et à l’échelle des changements globaux. Je distingue ici ces deux aspects afin de retranscrire au mieux les motivations qui ont guidé l’émergence de ce champ de recherche, bien qu’ils soient évidemment fortement liés comme j’en ai fait état dans mon document d’HDR. En effet, si l’on s’intéresse à la simple description des variations hydrologiques et à la détermination des facteurs de contrôle externes (comme c’était le cas au départ dans nos travaux), les échelles de temps caractéristiques des fluctuations des régimes climatiques affectant les régions d’étude peuvent être suffisantes pour la recherche de liens spatio-temporels entre les différents processus. Toutefois, comme je l’ai mentionné, il n’est pas pertinent (pour ne pas dire impossible) de dissocier ces deux aspects. L’identification dans la variabilité hydrologique des contraintes climatiques ou anthropiques comme facteurs de forçage nécessite en effet la prise en compte des changements, soudains ou progessifs, qui affectent ces différentes variables et qui résultent en un comportement transitoire des processus étudiés. Cette complexité se surimpose à l’effet imprimé par le milieu physique lui-même, de sorte que le choix des techniques analytiques s’avère crucial. Ma démarche est alors essentiellement basée sur l’utilisation des méthodes d’analyse des séries chronologiques et de la théorie du signal, qui offrent un large éventail de techniques d’analyse dont le choix repose sur le problème à résoudre. Ces techniques présentent l’avantage de pouvoir accéder à un certain déterminisme dans l’analyse des processus géophysiques étudiés tels que les variations d’indicateurs des états du climat (indices climatiques), des températures et pressions atmosphériques ou à la surface de la mer, de la pluviométrie, la piézométrie, le débit.

Ces travaux relèvent, dans mon travail, de recherches récentes. A l’origine, ces investigations ont été imposées par la nécessité de comprendre les variations hydrologiques observées dès lors que des chroniques de durées supérieures à quelques années sont disponibles, aussi bien dans les eaux de surface que dans les eaux souterraines. Ceci m’a conduit à développer au laboratoire une thématique portant sur la caractérisation de ces oscillations à la fois dans leur origine et dans les modalités de leur expression dans les hydrosystèmes. Au travers des chantiers régionaux du laboratoire M2C, l’impact des fluctuations de la NAO, le régime dominant du climat dans l’Atlantique Nord, sur les variations des ressources en eau a été particulièrement analysé, à différentes échelles spatiales (Fig.2). La dynamique des précipitations à une soixantaine de stations en Europe a ainsi été étudiée, notamment en relation avec la NAO, stations pour lesquelles l’analyse de la cohérence pluie/NAO par ondelettes continues a permis de mettre en évidence des échelles temporelles caractéristiques pour lesquelles une forte covariance est identifiée. Dans le Nord de la France, par l’analyse de la variabilité du débit de la Seine et des stocks d’eaux de surface et souterraines en Haute-Normandie, nous démontrons et quantifions les liens possibles entre les oscillations climatiques à l’échelle de l’Atlantique Nord et les fluctuations hydrométéorologiques (précipitations et débits). Une certaine conservation de la signature spectrale interannuelle de type NAO est observée à tous les niveaux d’échelle spatiale étudiés. Ces liens apparaissent complexes du fait de la nature transitoire du signal climatique d’une part, et d’autre part des modalités de la transformation de ce signal d’entrée par le milieu physique : les analyses de cohérence par ondelettes ont clairement démontré le caractère instationnaire et non-linéaire de la relation signaux incidents/signaux résultants. Dans ce contexte, les techniques d’analyses dérivées du traitement du signal ont largement prouvé leur efficacité.

Au-delà de la seule nécessité d’une meilleure compréhension des variations des ressources en eau dans un contexte de changements climatiques, la mise en évidence d’un filtrage différentiel opéré par les hydrosystèmes met en exergue l’intérêt de l’étude de la variabilité hydrologique à différentes échelles spatio-temporelles pour la détermination des caractéristiques intrinsèques des hydrosystèmes (contextes géomorphologique, géologique, structural, environnemental), facteurs de la modulation des fluctuations du climat. Dans tous les cas, l’ensemble de la démarche analytique mis en oeuvre a pour objectif l’amélioration des connaissances sur les facteurs de contrôle des variations des processus hydrologiques en vue de l’optimisation de la gestion de la ressource.


Fig. 2 - Les différents niveaux d’analyse de la variabilité des processus hydrologiques (précipitations en une soixantaine de sations en Europe de l’Ouest, 9 stations sur le bassin versant de la Seine et 7 stations dans le Nord-ouest de la France, Débit de la Seine à Poses (Haute-Normandie), débit de petits bassins versants haut-normands et piézométrie de la nappe de la Craie en Haute-Normandie)

Bilan et perspectives dégagées

Du point de vue des flux et transferts dans les hydrosystèmes karstiques, mes recherches ont essentiellement contribué à améliorer la compréhension des transferts au sein de systèmes aussi complexes que les aquifères karstifiés. Les approches utilisées ont fait une grande place à la mesure en continu aboutissant à l’obtention de chroniques à haute résolution. Nous avons démontré que ces enregistrements à pas de temps fin (généralement 15 minutes) étaient nécessaires à l’appréhension des processus de transferts dans les hydrosystèmes karstiques compte-tenu de leur réactivité sur une très large gamme d’échelles temporelles. Pour les systèmes karstiques, les principaux résultats obtenus et publiés portent sur la caractérisation physique des processus décrits par les courbes de restitution de traceurs naturels et artificiels, sur le développement d’approches basées sur la comparaison des transferts dissous/particulaire aboutissant à la compréhension de la dynamique complexe et non-linéaire du transfert d’éléments insolubles, sur l’emploi de techniques de traitement du signal pour appréhender le filtrage différentiel opéré par l’hydrosystème sur les particules et les solutés, sur l’identification de l’hétérogénéité des masses d’eau par analyse statistique des variations de conductivité électrique, etc. A l’échelle événementielle, des bilans massiques précis de restitution de particules en suspension suite aux épisodes turbides ont pu être obtenus sur des sites-pilotes et les différentes composantes responsables de la non-linéarité des transferts ont pu être identifiées et quantifiées. En particulier, les approches basées sur la comparaison dissous/particulaire se sont révélées riches d’enseignements dans l’interprétation des modalités des transferts de masse en relation avec l’hydrodynamique des systèmes karstiques. L’analyse de la succession d’épisodes en réponse aux événements pluvieux a également apporté nombre d’éléments d’interprétation du fonctionnement des hydrosystèmes karstiques, cette échelle de travail permettant en effet une vision suffisamment générale de la réactivité du système pour pouvoir proposer des schémas conceptuels de structure et de fonctionnement, ainsi que des constantes de temps associées à la dynamique générale observée, tout en s’affranchissant des variations à plus long terme structurées par les fluctuations climatiques.

Devant la nécessité de comprendre les causes – et de discuter les conséquences – des variations observées dans les processus hydrologiques aux échelles interannuelles, mes recherches se sont donc par la suite orientées sur la variabilité hydrologique à long terme en relation avec les fluctuations climatiques. En particulier, mes efforts ont été concentrés sur l’investigation des relations entre les variations hydrologiques et l’oscillation Nord-Atlantique, régime climatique dominant sur les chantiers principalement étudiés. Les variations observées dans les stocks d’eau, superficiels ou souterrains, des chantiers régionaux traditionnels du laboratoire M2C présentent effectivement un aspect très structuré, en apparence périodique suivant l’échelle de temps considérée. Par ailleurs, ces variations s’expriment de manière différentielle en fonction du système étudié, ce qui est particulièrement flagrant en ce qui concerne les eaux souterraines : l’aquifère régional de la Craie de Haute-Normandie affiche une grande disparité de régimes piézométriques. Dans les eaux superficielles, cette structuration aux échelles interannuelles, quoique généralement moins nette, reste tout de même visible y compris dans les chroniques brutes. Nous démontrons alors que l’origine de ces fluctuations est à rechercher dans les précipitations, dont la composition spectrale apparaît très structurée aux échelles interannuelles. Alors que ces fluctuations n’expliquent qu’une très faible part de la variance des précipitations, elles sont responsables de parfois plus de 85% de la variabilité totale de certains piézomètres dans l’aquifère de la Craie (travaux de thèse de Slimani, 2009), et jusqu’à 23% pour le débit de la Seine. Slimani, dans sa thèse (2009) et Slimani et al. (2009) ont ainsi montré que les différences dans l’expression des fluctuations interannuelles sont liées aux caractéristiques géologiques locales de l’aquifère de la Craie. Ces différents modes de variabilité ont pu être attribués aux oscillations du régime climatique dominant dans l’Atlantique Nord et affectant fortement la dynamique climatique en Europe, décrit par la NAO.

Les travaux réalisés à ce jour montrent l’aspect transdisciplinaire de ma thématique de recherche qui, au départ strictement centrée sur la caractérisation du fonctionnement des aquifères karstiques, a donc progressivement évolué vers l’évolution à long terme de la dynamique des hydrosystèmes. Cette évolution, sans pour autant se substituer à mon champ de recherche initial, doit être perçue comme un domaine d’investigation complémentaire, dans l’objectif de replacer les hydrosystèmes et leur fonctionnement dans un cadre plus global de variabilité à long terme des ressources en eaux sous contrainte climatique, et de manière plus générale, sous l’influence des changements environnementaux. Les développements méthodologiques – ou bien plus souvent simplement les adaptations – utilisés dans mes travaux se sont révélés particulièrement adéquats pour l’étude des systèmes complexes, hautement hétérogènes et non-linéaires donnant lieu à des réponses fortement transitoires. Ces approches méthodologiques ont montré leur intérêt pour la différenciation des réservoirs, des forçages « externes » et « internes », ainsi que pour leur aptitude à fournir les constantes de temps caractéristiques des systèmes étudiés. Ces informations pourraient s’avérer nécessaires au paramétrage de modèles de fonctionnement, démarche non prise en compte dans mes travaux actuellement.

A la lueur des conclusions tirées des travaux réalisés, diverses questions scientifiques apparaissent comme émergentes dans un contexte de changements climatiques et environnementaux, pour lesquels une gestion optimisée des ressources en eau s’avère fondamentale. Ces questionnements portent d’une part sur l’identification des composantes d’origine climatique dans les fluctuations hydrologiques et la quantification de leur contribution, et plus spécifiquement :

sur l’approfondissement de l’étude du déterminisme climatique dans les séries hydrologiques, que nos travaux n’ont jusqu’à présent qu’abordé. Ceci s’accompagne de la recherche et de l’utilisation des outils méthodologiques les plus adaptés dans l’objectif de la visualisation, la décomposition et l’interprétation physique des modes de variabilité caractéristiques des signaux hydrométéorologiques (e.g., décomposition en modes empiriques et transformée de Hilbert pour la détermination des variations fréquentielles instantanées) ;
sur l’impact des fluctuations climatiques sur la dynamique hydrologique à court terme : dans quelle mesure les réponses événementielles et leur évolution dans le temps sont-elles liées aux oscillations climatiques ? Le problème se pose ici du changement d’échelle dont la prise en compte constitue l’un des points les plus délicats à aborder dans les sciences naturelles. Nous avons toutefois montré, dans le cas du Mississippi ou dans celui des relations entre précipitations et NAO journalière dans le Nord de la France, qu’il était possible de mettre en relation différentes échelles temporelles de variation par des effets de modulation parfois fortement exprimés bien que non directement observables dans les séries hydrométéorologiques ;
sur la confrontation entre les approches stochastiques et celles présentées dans cette synthèse, lesquelles octroient une vision plus déterministe de la variabilité hydrologique. Une fois déterminés les modes caractéristiques de la variabilité hydrologique, comment doit-on comprendre et utiliser les résultats de l’analyse hydrologique dans un contexte de changements climatiques et environnementaux, et notamment interpréter les descripteurs classiquement utilisés pour caractériser la variabilité hydrologique .


Fig. 3 - Extrêmes et module annuels pour le débit de la Seine de 1950 à 2008 (3 panneaux supérieurs) et spectre en ondelettes continues du débit journalier de la Seine durant la même période. Les max annuels semblent assez clairement associés à l’accroissement de la variance du débit journalier aux échelles interannuelles 5-9 ans depuis la fin des années 80, tandis que les minima pourraient être associés à l’occurence d’une fluctuation à 17 ans. Ces 2 bandes d’énergie sont retrouvées quasiment à l’identique dans les fluctuations de la NAO. Figure issue de la soutenance d’HDR, modifiée d’après Massei et al. (2009).

Par exemple, il pourrait être pertinent de filtrer les modes de variabilité fortement structurés aux échelles interannuelles afin de traiter séparément la variabilité liée à la réactivité événementielle, etc. En outre, quoique les approches bayesiennes, de plus en plus développées récemment, fournissent manifestement des résultats tout à fait concluants dans la prise en compte de l’instationnarité des processus hydrologiques, leur aptitude à établir des liens quantitatifs précis entre les fluctuations hydrologiques, climatiques et les changements environnementaux reste limitée ;

sur la manière dont s’inscrivent les fluctuations climatiques et hydrologiques actuelles, observées au travers d’enregistrements historiques, au sein d’échelles de temps plus longues au travers de la comparaison avec des enregistrements paleoclimatiques ou paléohydrologiques. Dans ce sens, j’ai contribué, notamment par l’apport des techniques de traitement par ondelettes, à des études de la variabilité climatique dans la zone Atlantique (Debret et al., 2007 ; Debret et al., 2009). Lorsque c’est possible, l’analyse des résultats de modèles de projection de la variabilité hydrologique sous changement climatique (e.g., projet Rexhyss, collaboration A.Ducharne, UMR Sisyphe) semble également une démarche tout à fait pertinente.

Il apparaît d’autre part fondamental de considérer avec attention les effets de modulation des fluctuations climatiques imprimés par les hydrosystèmes en accord avec leurs propriétés physiques, comme nous avons pu en constater l’expression en Haute-Normandie (Thèse Slimani, 2009 ; Slimani et al., 2009 ; Mesquita, 2009) ou encore dans les systèmes géomorphologiques du Texas central (Thèse Mesquita, 2009). Les enjeux scientifiques en sont :

la compréhension de la variabilité des débits des rivières dans le cas de fortes interactions surface/souterrain, avec en ligne de mire les problématiques liées au risque hydrologique (génération des crues en contexte karstique, crues de nappe...) ;
l’incidence/le rôle des propriétés hydrogéologiques (porosité, perméabilité, hétérogénéïté des aquifères, karstification ou non) sur l’enregistrement et la dégradation des structures climatiques dans la dynamique hydrologique souterraine, et inversement, la manière dont le filtrage différentiel des composantes d’origine climatique peut renseigner sur les propriétés hydrogéologiques des aquifères (Fig.4) ;


fig. 4 - Mise en évidence d’un gradient hydraulique limite dans un système karstifié en Haute-Normandie, au-delà duquel la loi de Darcy est invalidée, probablement en raison de l’activation exarcerbée des écoulements en conduits (Thèse Mouhri, en cours). Ce gradient est dépassé à la faveur de fluctuations d’origine climatique de longueurs d’onde de l’ordre de 2 ans, 5-9 ans et 17 ans, caractéristiques de la NAO, reconstruites en rouge sur la chronique piézométrique (en noir), de sorte qu’en bas niveaux « climatiques », le débit de la source est linéairement lié au remplissage de la nappe de la Craie, contrairement au « hauts niveaux climatiques »..

la précision de l’impact des fluctuations climatiques sur la variabilité hydrologique en domaines karstiques, notamment en termes de modalités de la recharge et des circulations vers les exutoires. Ces systèmes hydrogéologiques complexes, caractérisés par des variations sur une large gamme d’échelles temporelles, représentent une ressource importante, quantitativement et surtout qualitativement sensible aux contraintes externes, et dont la gestion s’avère délicate ;
l’influence conjointe des fluctuations climatiques et de la réponse associée des hydrosystèmes complexes sur les transferts de matière et l’évolution de la qualité des eaux (voir par exemple les conditions d’occurence d’eaux de nature impropre à la consommation en fonction de la variabilité hydrologique des sources de Barton Springs, TX (Massei et al., 2007)).
Ces questions émergentes servent de base pour l’établissement de projets de recherche actuellement en cours de développement en collaboration, notamment avec des partenaires au niveau international (School of Geography, Earth and Environmental Sciences / Univ. Birmingham ; US Geological Survey / Central Region Integrated Science Program).