Vers une observation inter-disciplinaire des phénomènes naturels sur les bassins versants de montagne : Hydrogéologie à coût limité du bassin du Vorz (Massif de Belledonne, Isère)

par Thierry Barth

Thèse de doctorat en Sciences de la terre, de l'univers et de l'environnement

Sous la direction de Jean-Jacques Delannoy et de Georges-Marie Saulnier.

Le président du jury était Denis Dartus.

Le jury était composé de Jean-Jacques Delannoy, Georges-Marie Saulnier, Antonio Celso Dantas Antonino.

Les rapporteurs étaient Dominique Dumas, Anne Johannet.


  • Résumé

    Le 22 Août 2005 une crue intense s'est produite sur le bassin versant du Vorz, détruisant partiellement le hameau de la Gorge. Cet évènement a mis en évidence les difficultés à anticiper les conditions hydrométéorologiques en montagne où elles sont extrêmement variables spatialement et temporellement, et souvent faiblement instrumentées. De ce constat est né le projet de mettre en place un réseau d'instrumentation hydrométéorologique original sur le bassin versant du Vorz, afin d'y observer les phénomènes naturels et hydrologiques s'y produisant, de mieux les appréhender, et de construire les outils et méthodes nécessaires à leur modélisation. Après deux saisons de mesures, les premiers résultats ont montré que le réseau mis en place permet d'obtenir des informations à haute résolution spatiale et temporelle sur les processus hydrométéorologiques. Malgré son installation dans le milieu difficile de la montagne (accessibilité, froid, énergie,...), une très bonne fiabilité a pu être mise en avant, ainsi que des perspectives de transposition à d'autres bassins versants, et ce, pour un faible coût financier. L'originalité du réseau est de réaliser un multi-échantillonnage de nombreux paramètres hydrométéorologiques (pluviométrie, température, neige, insolation,...), avec des résolutions spatiales (10 à 50 mètres) et temporelles (horaire à moins) permettant d'envisager une modélisation hydrologique à différentes échelles, aussi bien pour la gestion des ressources en eau (long terme) que pour la prévention des crues (court terme). Les capteurs mis en place constituent un ensemble complémentaire et indissociable de divers instruments de mesure: iButtons (air et sol), totalisateurs, pluviomètres, appareils photographiques. La mise au point d'un capteur de mesure innovant de cartographie automatique de la couverture neigeuse (SnoDEC), à partir d'images photographiques classiques, prises à pas de temps régulier (5 à 7 images par jours) a été réalisée au cours de ce travail. Il permet de quantifier l'hérogénéité spatiale et temporelle des phénomènes d'enneigement sur le versant, prépondérants sur son hydrologie, au vue de la persistance nivale (5 à 10 mois). L'ensemble de ce dispositif permet de disposer d'une importante base de données, et de mettre en oeuvre différentes techniques d'interpolations des variables hydrométéorologiques sur l'ensemble du bassin versant. Ainsi, des cartographies précises du champ de température et de pluviométrie seront disponibles au pas de temps journalier. En outre, le capteur SnoDEC permettra d'analyser et quantifier l'hétérogénétité spatio-temporelle (altitude, exposition, vitesse de fonte,...) de la couverture nivale. A partir de ces données, on pourra mieux appréhender les mécanismes hydrologiques en jeu sur le site et dessiner les contours des modélisations futures. Dans le même temps, les données disponibles pourront être combinées afin de mettre en évidence des phénomènes difficilement mesurables (limite pluie/neige, inversion thermiques,...), qui serviront à l'avenir à contraindre de manière précise les modèles nivologiques et hydrologiques. Au travers des différents paramètres instrumentés, et grâce à l'utilisation de l'imagerie, ce réseau est capable de mesurer des variables relevant de nombreux champs disciplinaires (dynamique glaciaire, cyle végétatif,...). Il s'inscrit ainsi, par son approche interdisciplinaire, dans une volonté de mise en place d'un réseau de mesure à coût limité, destiné à l'ensemble des acteurs de l'étude et la recherche des milieux de la montagne.

  • Titre traduit

    Towards an interdisciplinary monitoring of natural phenomena in mountain catchments : Hydrometeorology at limited cost on the Vorz Catchment (Belledonne massif, Isère, France)


  • Résumé

    In August 2005, a intense flashflood occurs on the Vorz catchment affecting the village of Saint-Agnès. This event highlighed the difficulties to forecast the hydrometeorological conditions in mountain areas where they are extremely variable in space and time (spatially and temporally) and frequently poored monitored. From this observation a project was funded to implement an original meteorological monitoring system on the catchment, in order to observe the natural and hydrologic phenomena to better understand them and to build methods and tools for their modeling. After two years of monitoring, the first results showed that the network implement allows to obtain informations on hydrometeorological process at high spatial and temporal resolution. In spite of the installation in a harsh mountain environment (access, cold, energy,...) a very good reliability, and a lot of perspectives of transpositon on other catchments have been point up for low investment costs.The originality of the network is to achieved a multi-sampling on a lot of hydrometeorological parameters (rain, temprature, snow, insulation,...), with spatial (10 to 50 meters) and temporal (hourly or less) resolution to performed a hydrological modeling at different scale both for the water ressource management (long term) or flashflood prevention (short term). The Sensors use in the network constitute a complementary and indivisible set of monitoring system: iButtion (air and soil temperature), rain gauge, totalizer, cameras. The development of an innovative sensor for automatic cartography of the snow cover (SnoDEC) from terrestrail photographies was achived during this work. This sensor allows to quantify spatial and temporal heterogeneity of snow cover evolution on the catchment, with images taken at regular time steps (5 to 7 frames per day). This heterogenity is essential for understand and modelling the hydrology considering the strong snow persistence (5 to 10 months). The dense network set up on the catchment enable us to collect a large database and implement different interpolation techniques on hydrometeorological process on the catchment. Thus, accurate maps of temperatures and rain are created with a daily or hourly timestep. Furthermore, the SnoDEC sensor will permit to analyse and quantify the spatial and temporal heterogeneity (elevation, aspect, velocity of melting,...) of the snow cover. From the database, we will better understand the hydrological mechanisms occuring on the site, and we will build the first ideas and method for the future modelisation. In the same time, the available data will be combinate in order to highlight phenomena very difficult to measure (rain/snow limit, thermical inversion,...) and that will be use in the future to constraint accurately the snow and hydrologic models. Because of the different parameters monitored and the use of imagery, the network is able to measure variables from many field of study (glacier dynamic, vegetative cycle,...). Thereby, with its interdisciplinary approach the network think to implement a monitoring system at low cost in destination of the actors of study and research in mountain.


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