Des avancées significatives dans la compréhension du fonctionnement des bassins versants



ben_abbott.jpg

Une équipe internationale de chercheurs, dans laquelle on retrouve Benjamin Abbott, Tamara Kolbe, Anniet Laverman, Jean-Raynald de Dreuzy et Gilles Pinay des laboratoires ECOBIO et Géosciences Rennes de l’OSUR, propose une nouvelle approche du fonctionnement écohydrologique d’un bassin versant.

Une équipe internationale de chercheurs, dans laquelle on retrouve Benjamin Abbott, Tamara Kolbe, Anniet Laverman, Jean-Raynald de Dreuzy et Gilles Pinay des laboratoires ECOBIO et Géosciences Rennes de l’OSUR, propose une nouvelle approche du fonctionnement écohydrologique d’un bassin versant. Ces travaux sont publiés dans la revue Earth-Science Reviews en septembre 2016 sous le titre "Using multi-tracer inference to move beyond single-catchment ecohydrology".

Selon l’UNESCO « L’écohydrologie est une science intégrative dont l’objectif est de trouver des solutions aux questions concernant l’eau, les populations et l’environnement. Selon l’un des concepts de base de l’écohydrologie, la disponibilité de l’eau dans l’espace et dans le temps est étroitement liée aux processus écosystémiques ainsi qu’aux biens et aux services que fournit l’eau douce aux sociétés. C’est la raison pour laquelle l’accent est mis sur le cycle hydrologique et sur ses effets sur les processus écologiques et le bien-être des populations ».

L’écohydrologie est donc un domaine éminemment interdisciplinaire où l’on étudie les interactions entre l'eau et les écosystèmes, et notamment les rétroactions entre les processus écologiques et le cycle hydrologique. Dans un contexte de pression anthropique croissante, et dans le cas particulier d’un bassin versant, la protection ou la restauration des écosystèmes aquatiques exige une compréhension globale du fonctionnement hydrologique et biogéochimique à plusieurs échelles spatiales et temporelles.

Abbott ESR Juol2016


Modèle conceptuel d'un bassin versant montrant les trois questions fondamentales de l’écohydrologie : Où va l'eau ? Combien de temps y reste-t-elle ? Que se passe-t- il le long de son trajet ? Les lignes pointillées représentent des voies d'écoulement de l'eau dont la couleur indique la source et le degré de transformation biogéochimique des solutés transportés et des particules. La proportion du temps de résidence passé dans les points chauds biogéochimiques où les conditions sont favorables à un processus est définie comme le temps d'exposition qui détermine la capacité de rétention et de retrait du bassin dans le cadre HotDam

Les préoccupations centrales de l'écohydrologie peuvent se résumer en trois questions fondamentales : où va l'eau ? Combien de temps y reste-t-elle ? Que se passe-t-il le long de son trajet ? Répondre à ces questions à de multiples échelles spatiales et temporelles est indispensable pour quantifier les impacts humains sur les écosystèmes aquatiques et la résilience de ces systèmes, mais également pour évaluer l'efficacité des actions de restauration, et enfin, détecter les changements environnementaux. En dépit de la prolifération d'études spécifiques sur les bassins versants, du développement de modèles numériques, et la définition de cadres théoriques (dont beaucoup sont effectivement pointus et innovants), prédire les comportements biogéochimiques et hydrologiques restait jusqu’à présent extrêmement difficile, ce qui de fait empêchait le développement des lois ou tendances globales en écohydrologie.

Une des limites – et par conséquent un des défis scientifiques - pour la caractérisation du fonctionnement des bassins versants est que de nombreux processus hydrologiques et biogéochimiques ne sont pas directement observables en raison des longs délais des processus et des transferts (écoulements) ou leur inaccessibilité (par exemple la circulation des eaux souterraines ou l'altération chimique).

Autrement dit, notre compréhension de nombreux processus dépend étroitement de la façon dont un intermédiaire, un paramètre observable (tel qu'un traceur ou un proxy, i.e. un indicateur), est associé au phénomène observé. Ainsi, depuis que la science se penche sur ce sujet, et probablement aussi depuis l'apparition de l'Homo sapiens assoiffé !, des injections ou des traceurs d'origine naturelle ont été utilisées comme des indicateurs des processus hydrologiques, écologiques et biogéochimiques. Les progrès méthodologiques en écologie, en biogéochimie, en hydrologie, et aussi dans d'autres domaines, y compris la médecine et de l'industrie, ont considérablement augmenté le nombre de traceurs à notre disposition. Parallèlement, les progrès théoriques et informatiques ont amélioré notre capacité à interpréter ces données chimiques et hydrométriques pour en déduire le fonctionnement des bassins versants et en quantifier l'incertitude.

Les approches multi-traceurs ont ainsi été développés pour étudier les fonctionnements écohydrologiques et biogéochimiques inaccessibles avec des méthodes simples. Les méthodes multi-traceurs fournissent des outils pour répondre aux trois questions fondamentales en écohydrologie : (1) identifier spatialement les voies d'écoulement spécifiques, (2) déterminer le temps de séjour de l'eau, et (3) quantifier et localiser les transformations biogéochimiques.

Alors que la multiplicité des traceurs appliqués dans les différentes disciplines offre de nombreuses possibilités, ils représentent néanmoins un défi logistique et technologique pour les chercheurs qui tentent d'identifier des méthodes optimales pour tester leurs hypothèses, des défis aussi pour les gestionnaires afin d'évaluer le fonctionnement des écosystèmes. Bien que des techniques convergentes aient réduit la distance méthodologique entre les approches hydrologiques, biogéochimiques et écologiques, la plupart des travaux reste confiner à leur discipline spécifique, particulièrement en ce qui concerne les cadres théoriques. En outre, l'excitation qui résulte de ce qui peut être mesuré éclipse parfois notre capacité à se concentrer sur la compréhension générale du système ou de tester des cadres théoriques pour aller au-delà de la simple description de l'hétérogénéité spécifique d'un site.

Plusieurs articles et ouvrages avaient déjà présenté l'utilisation de traceurs pour quantifier les processus hydrologiques, en particulier les échanges entre eaux de surface et eaux souterraines. Dans cet article paru dans ESR, les auteurs approfondissent ce travail en montrant comment les traceurs et les combinaisons de traceurs (proxies croisés) peuvent mettre en lumière le fonctionnement écologique, biogéochimique et hydrologique à des échelles multiples afin de tester et corroborer la théorie écohydrologique générale et améliorer la gestion et la restauration des écosystèmes. Au fil de cet article, les auteurs s'appuient sur deux cadres théoriques interdisciplinaires proposés par Carolyn Oldham en 2013 et Gilles Pinay en 2015, théorie qui combine le concept écologique des "points chauds" et des "moments chauds" avec le nombre généralisé de Damköhler (la proportion du temps de résidence où les conditions sont favorables à un processus biogéochimique) dans ce que l'on appelle le cadre de HotDam. Une brève perspective historique est également proposée sur le développement de la théorie de l'écohydrologie. Les auteurs y décrivent comment le croisement des proxies peut être utilisé pour mieux contraindre les voies d'écoulement, les temps de séjour, et les transformations biogéochimiques. Enfin, ils présentent la façon dont les méthodes de traceurs écologiques et hydrologiques peuvent être appliquées pour générer et tester des hypothèses sur la dynamique écohydrologique à différentes échelles.

Référence :

Benjamin W. Abbott, Viktor Baranov, Clara Mendoza-Lera, Myrto Nikolakopoulou, Astrid Harjung, Tamara Kolbe, Mukundh N. Balasubramanian, Timothy N. Vaessen, Francesco Ciocca, Audrey Campeau, Marcus B. Wallin, Paul Romeijn, Marta Antonelli, José Gonçalves, Thibault Datry, Anniet M. Laverman, Jean-Raynald de Dreuzy, David M. Hannah, Stefan Krause, Carolyn Oldham, Gilles Pinay, Using multi-tracer inference to move beyond single-catchment ecohydrology, Earth-Science Reviews, Volume 160, September 2016, Pages 19-42, ISSN 0012-8252, http://dx.doi.org/10.1016/j.earscirev.2016.06.014.



Contacts OSUR :

Ben Abbott

Alain-Hervé Le Gall (multiCOM)
?