Proposition d`un sujet de thèse

Proposition d’un sujet de thèse
Modélisation hydrogéochimique des grands bassins fluviaux : implications à court et
moyen terme des perturbations d’origine anthropique.
Encadrement : D. LABAT (LMTG)
Les flux de transfert hydrologiques et géochimiques des continents vers les océans sont
particulièrement sensibles aux perturbations d’origine anthropique, incluant le
changement climatique global et les changements d’occupation des sols. En particulier,
des travaux récents ont montré l’extrême sensibilité des processus d’altération
chimique des surfaces continentales à l’activité humaine pour des grands bassins
versants. A titre d’exemple, la concentration en ions HCO3- à l’exutoire du Mississippi a
augmenté de 40 % sur les dernières 40 années (Raymond et al., 2008). Cette sensibilité
pressentie de l’altération continentale aux courtes échelles de temps est d’ailleurs
illustrée par la prise en compte pour la première fois d’un flux net de consommation de
CO2 atmosphérique par l’altération dans le dernier rapport IPCC.
Aujourd’hui, nous sommes dans l’incapacité de prédire le changement des flux
géochimiques déchargé à l’océan en réponse aux perturbations anthropiques, mais on
pressent qu’il sera non négligeable.
Les processus d’altération sont très fortement dépendants des transferts d’eau à
grande échelle. Or ceux-ci apparaissent également très réactifs aux perturbations
d’origine anthropiques (Labat et al., 2004). Afin de répondre à cette problématique, il
est donc nécessaire de proposer des modèles performants incluant à la fois les
processus inhérents au cycle de l’eau (atmosphérique, océanique et continental) mais
aussi les processus découlant de l’altération des roches continentales.
En effet, l’altération des minéraux et son couplage avec la végétation constituent des
puits de carbone importants du système « Terre » et contrôle partiellement l’évolution
du climat. Cependant, peu de modèles prennent en compte cette composante et les
transferts hydriques sont souvent trop grossièrement estimés alors qu’ils constituent
un des facteurs prépondérant des taux d’altération.
Plusieurs modèles ont tenté de prendre en compte cette composante comme par
exemple le modèle GEM-CO2. En général, le taux d’altération est alors estimé sur la base
de lois simples reliant altération et ruissellement à l’échelle des grands bassins.
Néanmoins, l’altération continentale ne peut pas être réduite à une simple dépendance au
ruissellement.
Le modèle WiTCh (Weathering at The Catchment scale) développé au sein du LMTG
simule les processus de dissolution des minéraux primaires ainsi que les processus de
précipitations des minéraux secondaires, les échanges de cations entre les solutions de
sol et la matière organique. Son application à de petits bassins versants au pas mensuel a
été fructueuse mais son application à l’échelle continentale est en voie de
développement. En effet, à cette échelle, il est nécessaire de coupler Witch à un modèle
de cycle de l’eau et du carbone dans la végétation capable de le renseigner sur les flux
hydriques dans le sol et sur les pressions partielles de CO2 dans les sols suite à l’activité
biologique.
Aussi, notre choix s’est porté sur le modèle LPJ (Lund Postdam Jena Dynamic Global
Vegetation Model, 17). Ce modèle de biome est capable de représenter la dynamique de
la végétation et donc l’évapotranspiration, les échanges de carbone sol/atmosphère ainsi
que les flux d’eau associés. LPJ a d’ores et déjà été validé pour la partie végétation à
l’échelle des grands bassins dans le cadre de l’IPCC mais demeure perfectible en terme
de simulation des flux hydriques notamment.
Ainsi, deux travaux de Master 2 ont permis de proposer un premier modèle en cascade
bio hydro géochimique à l’échelle continentale appliqué dans un premier temps avec
succès à l’Orénoque dans le cadre de l’ANR TCCYFlam. Cette version préliminaire est
basée sur l’implémentation d’un module hydrologique dérivé de VIC 3L.
Dans le cadre de ce modèle, le sol est divisé en trois unités correspondant aux trois
horizons classiquement différenciés par la pédogenèse et identifiés dans WITCH :
 l’horizon A, superficiel, riche en matière organique où se produisent la
transformation de la litière et la minéralisation du carbone d’origine végétale,
 l’horizon B, siège des processus de lixiviation ou d’accumulation,
 l’horizon C, en contact avec la roche mère et constitué par les premières formes
de l’altération de la roche.
Dans chaque zone, les équations de conservation de la masse ainsi que les équations de
transport sont résolues numériquement. Appliqué au bassin de l’Orénoque, ce modèle a
permis une amélioration sensible de la qualité de la simulation des débits mensuels.
Cependant, dans le cadre de la thèse, et en collaboration avec l’IMFT, ce modèle vertical
devra être couplé avec un module de transfert dans le réseau hydrographique basé sur
le modèle MARINE. Nous disposerons alors d’un modèle hydrologique CHM (Continental
Hydrological Model) simulant correctement à la fois le transfert hydrique dans les sols
et donc l’évolution des contenus en eau dans le sol mais aussi le transfert dans le réseau
hydrographique.
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d’implémenter cette amélioration dans
le modèle global « LPJ- CHM-Witch » afin de simuler d’une part les débits
mensuels mais aussi les flux mensuels en cations majeurs tels que Ca, Mg, K et Na
sur les dernières décennies pour la plupart des grands bassins fluviaux.
Dans une deuxième partie, après avoir validé le modèle « LPJ- CHM-Witch » sur
les données existantes, nous nous baserons sur les projections du GIEC afin de
proposer des scénarios sur les changements hydrologiques et les changements dans
la composition chimique des eaux continentales à moyen terme dus au
réchauffement climatique.
Collaboration avec l’IMFT (D. Dartus et H. Roux) et l’équipe Environnements et Climats
Anciens (Y. Goddéris)
Cette thèse sera financée par une bourse ministérielle à partir de
Septembre 2008 avec possibilité de monitorat. Les candidats peuvent demander des
précisions ou bien envoyer CV, notes de M2 et lettre de motivation à l'adresse mail
suivante: [email protected]
Laboratoire des Mécanismes et Transferts en Géologie (LMTG)
UMR CNRS-IRD-UPS 5563, 14 Avenue Edouard Belin 31400 Toulouse FRANCE