Une approche probabiliste pour comprendre l'influence des précipitations sur l'évolution du paysage

A Probabilistic Approach to Understanding the Influence of Rainfall on Landscape Evolution

• Auteur / Autrice : Eric Deal
• Direction : Jean Braun, Anne-Catherine Favre Pugin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 02/03/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Peter van der Beek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bodo Bookhagen, Niels Hovius, Taylor Perron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Lague, Kelin Whipple

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles hydrologiques

Affouillement (géomorphologie)

Sols -- Structure

Mots clés libres

Tectonique

Climat

Erosion

Himalaya

Rainfall

Erosion

Stochastic hydrology

Variability

Climate

Erosion Thresholds

Résumé

Dans cette thèse je travaille sur la relation entre la pluviosité et l’érosion fluviatile en utilisant une approche probabiliste. Je développe une méthodologie indépendante de la moyenne pour caractériser la variabilité de la pluviosité journalière.L’indépendance vis-à-vis de la moyenne permet une comparaison simpleetobjectivedelavariabilitédelapluviosité sous différents régimes climatiques. Elle semontre également utile pour intégrer le concept de variabilité de la pluviosité dans lathéorie que je développe ensuite. J’applique cette approche à la chaine de montagnesHimalayenne en utilisant des données de pluviosité de hautes résolutions spatiale ettemporelle et trouve qu’il existe des variations significatives de la variabilité de la pluviositédans l’Himalaya. En prenant en compte la variabilité de la pluviosité en plusde la pluviosité moyenne, je trouve un lien entre pluviosité et érosion qui, d’un pointde vue géomorphologique, diffère, de façon significative, de celui déduit de la seulepluviosité moyenne.Ensuite, je développe une théorie d’érosion fluviatile du type ’puissance de flux‘ quicomprend une paramétrisation réaliste de la pluviosité et de l’hydrologie. Ceci estréalisé en intégrant un modèle hydrologique stochastique-mécaniste bien établi dansune formulation stochastique de la puissance de flux comprenant un seuil. La théoriehydrologique conduit à des expressions mathématiques pour la distribution et la variabilitédu débit journalier en fonction des conditions climatiques qui sont valablespour la majorité des régimes de débit observés à la surface de la Terre. Les nouveauxparamètres qui en découlent ont une signification bien ancrée dans des théories climatiqueet hydrologique établies et se mesurent facilement. Cette approche nous permetde prédire comment le taux d’érosion fluviatile répond à des changements du forçageclimatique. Je trouve ainsi que les processus hydrologiques peuvent avoir une influencesignificative sur l’efficacité érosive d’un forçage climatique donné. Cette approchepeut également être utilisée comme fondement de nouveaux modèles d’évolution desreliefs qui prennent en compte des conditions aux limites climatique et hydrologique.Une des principales conséquences d’intégrer l’hydrologie dans le modèle de puissancede flux est de révéler le double effet de la moyenne et de la variabilité du forçage climatiquesur la réponse écohydrologique. Une corrélation négative existe entre la moyenneet la variabilité qui restreint grandement les réponses possibles d’un bassin versant àdes changements climatiques. L’approche théorique que j’ai développée décrit égalementles relations qui relient la variabilité journalière à plusieurs paramètres écohydroclimatiques.Je trouve ainsi que l’index d’aridité, le temps de réponse du bassin versant,et l’épaisseur effective de sol sont les contrôles les plus importants sur la variabilité dudébit. Ceci a d’importantes conséquences pour le rôle que jouent l’hydrologie et lavégétation sur l’évolution des reliefs.Finalement, je démontre que l’influence de la variabilité journalière du forçage climatiquesur le taux d’érosion des rivières est principalement déterminée par l’existence et la valeur de seuils d’érosion. Je démontre que, quelques soient les détails du processus d’érosion considéré, c’est le rapport entre la valeur du seuil et la valeur moyenne du forçage climatique qui détermine si la variabilité compte ou pas, et dans quel sens.Parmi de nombreuses autres applications, ces découvertes contribuent à l’élaborationd’un nouveau cadre permettant de comprendre et prédire la réponse de la surface dela Terre à des changements de la moyenne et de la variabilité de la pluviosité et du débit des rivières. La généralité de ces découvertes a d’importantes implications pour le reste des travaux présentés dans la thèse, ainsi que pour les travaux antécédents sur le rôle de la variabilité de la pluviosité et du débit sur l’efficacité érosive des rivières.

In this thesis, we address the problem of how climate drives landscape evolution. Specifically, we work on the relationship between rainfall and fluvial erosion using a probabilistic approach. First we develop a mean-independent methodology to characterize the variability of daily rainfall. The mean-independent nature allows for simple, objective comparison of rainfall variability in climatically different regions. It also proves useful for integrating the concept of rainfall variability into theory. We apply this method over the Himalayan orogen using high spatial and temporal resolution rainfall data sets and find significant variations in rainfall variability over the Himalayan orogen. By taking into account variability of rainfall in addition to mean rainfall rate, we find a pattern of rainfall that, from a geomorphological perspective, is significantly different from mean rainfall rate alone. Next we develop of theory of stream power fluvial erosion that allows for realistically parameterized rainfall and hydrology. This is accomplished by integrating an established stochastic-mechanistic model of hydrology into a threshold-stochastic formulation of stream power. The hydrological theory provides equations for the daily streamflow distribution and variability as a function of climatic boundary conditions that are applicable across most of the observed range of streamflow regimes on Earth. The new parameters introduced are rooted firmly in established climatic and hydrological theory and are easily measured. This framework allows us to predict how fluvial erosion rates respond to changes in realistic rainfall forcing. We find that hydrological processes can have a significant influence on how erosive a particular climatic forcing will be. This framework can be used as a foundation for landscape evolution models that have realistic climatic and hydrological boundary conditions. One of the main strengths of integrating hydrology into the stream power model is to reveal the dependence of both streamflow mean and variability on the climatic forcing and ecohydrological response. This negative correlation of the mean and variability vastly restricts the likely responses of a river basin to changing climate. Our theoretical framework also describes the scaling daily variability with several other ecohydroclimatic parameters. We find that the aridity index, the basin response time, and the effective soil depth are the most important controls on discharge variability. This has important implications for the role of hydrology and vegetation in landscape evolution. Finally, we demonstrate that the way the Earth's surface responds to short-term climatic forcing variability is primarily determined by the existence and magnitude of erosional thresholds. We show that, irrespective of the nature of the erosional process, it is the ratio between the threshold magnitude and the mean magnitude of climatic forcing that determines whether variability matters or not and in which way. Among many other implications, our findings help provide a general framework to understand and predict the response of the Earth's surface to changes in mean and variability of rainfall and river discharge. The generality of this finding has important implications for the other work in this thesis, as well as previous work on role of rainfall and discharge variability on fluvial erosion.