Aléa hydrologique au Sahel : détection des tendances et attribution

par Catherine Wilcox

Projet de thèse en Océan, Atmosphère, Hydrologie

Sous la direction de Théo Vischel et de Gérémy Panthou.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Les régimes hydrologiques des cours d'eau possèdent une variabilité interne liée à l'interaction complexe de différents processus. Plusieurs facteurs externes contribuent également à faire varier le régime d'un hydrosystème, dont certains sur le long terme. Ils peuvent être naturels (variation du forçage atmosphérique : précipitation, température, rayonnement) ou liés aux activités humaines (le plus souvent la modification de l'usage et l'occupation du sol). Comprendre et quantifier la contribution des différents facteurs d'influence à l'évolution de l'aléa demeure une des grandes questions des sciences hydrologiques. Pourtant, contrairement aux sciences du climat, la problématique de l'attribution est encore mal appréhendée en hydrologie (Merz et al. 2012). Au Sahel, des modifications majeures du régime des hydrosystèmes ont été constatées au cours des dernières décennies. En dépit des conditions pluviométriques sèches qui prédominent depuis le début des années 1970, plusieurs études diagnostiques ont mis en évidence une augmentation du ruissellement (Descroix et al. 2009). Sur le fleuve Niger cette évolution s'est traduite par une accentuation du pic de la première crue du fleuve à Niamey (crue sahélienne). Le Niger a ainsi subi en 2010, 2012 et 2013, ses trois crues les plus fortes enregistrées causant des inondations préjudiciables pour les populations vivant en bordure du fleuve dans la région de Niamey. Ces modifications ont pour l'heure principalement été attribuées aux changements d'occupation du sol, le couvert végétal naturel ayant fortement diminué au Sahel au profit de sols nus ou cultivés (Descroix et al. 2012). Mais des études récentes amènent à reconsidérer le rôle de la pluie. Panthou et al. (2014) ont en effet mis en évidence une intensification du régime des précipitations sur le Sahel au cours des deux dernières décennies traduite en particulier par une augmentation de l'occurrence des pluies les plus extrêmes. Au Sahel où les processus hortoniens dominent, la distribution des intensités de pluie jouent un rôle majeur dans la génération du ruissellement (Vischel and Lebel 2007; Vischel et al. 2009). Malgré des tendances peu marquées de l'évolution des précipitations à l'échelle annuelle, l'intensification observée du régime de précipitation à l'échelle journalière pourrait donc avoir contribué aux évolutions hydrologiques et notamment aux crues récentes du fleuve Niger. La thèse a pour objectif de mieux évaluer le rôle relatif des différents facteurs naturels et anthropiques qui ont conduit à modifier le régime des hydrosystèmes sahéliens. On s'attachera à montrer l'évidence de lien ou de non-lien entre différents facteurs d'influence (en particulier la pluie et l'occupation du sol) et l'évolution du ruissellement, tout en évaluant le niveau de confiance de l'attribution. Les liens supposés devront être démontrés par (i) des analyses robustes (via des modèles statistiques) pour mieux détecter les tendances dans les variables hydrologiques et mettre en évidence d'éventuels liens entre ces tendances ; (ii) des analyses physiques (via des modèles hydrologiques) permettant d'attribuer quantitativement le rôle de chacun des facteurs d'influence dans la modification du régime hydrologique. Le protocole d'étude à mettre en place pourra s'inspirer des sciences du climat où la thématique de l'attribution est depuis plusieurs années au cœur des questionnements sur la contribution relative des facteurs naturels et anthropiques au réchauffement global. On envisagera notamment des approches ensemblistes, basées sur différents scénarios d'évolution du régime pluviométrique et d'occupation du sol que l'on intégrera dans des modèles hydrologiques et que l'on confrontera aux observations à disposition sur plusieurs hydrosystèmes sahéliens. Plusieurs outils méthodologiques seront donc développés et/ou implémentés durant la thèse. Ils concernent: - la modélisation statistique du régime de précipitation : développement d'un simulateur de pluie au pas de temps journalier intégrant une composante spécifique pour les pluies extrêmes, en local dans un premier temps (modèle mono-site) et en spatial ensuite (modèle multi-site) ; - la modélisation physique: implémentation de modèles hydrologiques représentant les processus responsables de la production et le transfert du ruissellement sur les hydrosystèmes sahéliens.

  • Titre traduit

    Hydrological hazard in the Sahel: trend detection and attribution


  • Résumé

    Hydrological regimes display intrinsic variability due to the complex interaction of several processes. Many external factors may also drive this variability, sometimes over the long term. They can be natural (e.g. atmospheric forcing as precipitation, temperature and radiation) or related to anthropogenic (e.g. modification of land use or land cover). Attributing the relative role of the external drivers in the modification of the hydrological hazard remains a major issue in hydrology. However the trend attribution problem is not yet adequately addressed in hydrology sciences especially in comparison with what is done in climate sciences (Merz et al. 2012). In the Sahel, the hydrological regime of rivers has significantly changed over the last decades. Despite the dry conditions that have predominated since the beginning of the 70s, several studies have noted an increase of runoff (Descroix et al. 2009). In the Niger River at Niamey, this has resulted in an accentuation of the first flood peak in the season (Sahelian flood peak). As a consequence, the Niger River experienced in 2010, 2012 and 2013 the three biggest flood ever recorder causing damages to riverside inhabitants in the region of Niamey. So far, these modifications have been mainly attributed to changes in land use/cover natural vegetation having been increasingly replaced by bare soils and crusted soil areas. But recent results lead us to reconsider the role of precipitation. Panthou et al. (2014) have recently shown an intensification of the rainfall regime in the Sahel over the last two decades characterized by an increase in the occurrence of the most intense rain events. In the region, the generation of runoff is almost exclusively due to infiltration excess runoff, making the intensity of precipitation a major driver of runoff production (Vischel, 2007; Vischel et al., 2009). As a consequence, although rainfall at annual scales does not display significant increasing trend, the intensification of the rainfall regime at daily scale might have contributed to the recent evolution of the runoff and more specifically to the recent floods of the Niger River. The PhD project aims at better assessing the relative role of both natural and anthropogenic factors that have contributed to the recent evolution of Sahelian hydrological hazard. It is expected to provide evidence of consistency or non-consistency between the flood regime evolution and the assumed drivers of change (mainly rainfall and land cover) and to assess the confidence of the attribution. The conclusions will have to be supported by (i) robust analyses (based on statistical models) to detect trends in the hydrological variable and to link them, (ii) physical analyses (based on hydrological models) to quantitatively assess the relative role of each driver of change. As climate scientists have long experience in the field of attribution, it is suggested to build upon methodologies similar to those in climate change attribution studies. Consideration will be given to stochastic ensemble systems providing rainfall and land use evolution scenarios that will be integrated into hydrological models and confronted to hydrological observations available over Sahelian hydrosystems. Numerical models development and/or implementation are thus expected for the project: - Statistical model of rainfall : a stochastic daily rainfall generator must be developed with a specific component for extreme rainfall. The model has to be implemented first locally (mono-site) then spatially (multi-site) ; - Physical models: hydrological models will be implemented to represent the processes responsible for the production and the transfer of runoff over the Sahelian hydrosystems.