Characterization of water transfers and interactions processes between hydrologic, hydrogeologic and cryospheric compartments of an Andean, semi-arid watershed, affected by a strong climatic variability (Elqui Valley – Chile)

Le nord du Chili est soumis à un contexte climatique aride à semi-aride présentant une variabilité saisonnière et inter-annuelle forte. Dans cette région les zones de haute altitude soutiennent les parties plus basses des bassins versants, mais la ressource en eau reste malgré tout limitée. Afin d'améliorer les méthodes de gestion de l'eau dans ces bassins versants, il est important de préciser le rôle des zones de haute altitude dans le soutien des parties basses, mais aussi de caractériser les modalités de transfert et d'interaction entre les compartiments constitutifs de l'hydrosystème. Ce travail porte sur la caractérisation du fonctionnement hydrologique du bassin versant de l'Elqui depuis la tête de bassin, située au cœur de la cordillère des Andes, jusqu'aux vallées de la zone inférieure situées entre 500 et 2000 mètres d'altitude. En tête de bassin, les processus d'interaction entre les compartiments cryosphériques, hydrologiques et hydrogéologiques, et leurs impacts sur le transfert des masses d'eau vers l'aval de la zone d'étude sont caractérisés. Le comportement hydrologique des sous bassins versant partiellement ou non‑englacés est également étudié. Dans la zone inférieure du bassin, l'étude porte principalement sur les processus d'interactions surface-souterrain en contexte semi‑aride et sur les impacts des forçages climatiques et anthropiques sur ces derniers. Cette étude s'appuie sur plus de 40 ans de données hydro-météorologiques disponibles sur la zone inférieure du bassin, complétés par des mesures hydrologiques sur la zone supérieure (> 2000 mètres d'altitude) et des prélèvements chimiques (majeurs et traces) et isotopiques (²D, 18O) sur la totalité de la zone d'étude, réalisés entre 2011 et 2013.Ces travaux ont montré que le modèle conceptuel de fonctionnement du bassin versant de l'Elqui généralement accepté était incomplet. Dans la zone supérieure, l'étude d'un bassin versant englacé a permis de montrer que le rôle de la cryosphère dépasse la fonction de production d'eau, avec certains compartiments stockant temporairement de l'eau en période humide et la libérant en période sèche. Ce processus permet d'amortir la variabilité temporelle des précipitations et du taux de fonte en altitude. Les analyses physico-chimiques réalisées dans le bassin versant ont également permis d'identifier des compartiments aquifères ignorés jusqu'à maintenant, comme les compartiments volcanique et plutonique. En améliorant les connaissances sur les processus d'interactions entre compartiments cryosphériques, hydrologiques et hydrogéologiques, les résultats de ce travail ont apporté des précisions sur le fonctionnement hydrologique de la zone de haute altitude. Cela a permis l'estimation des impacts potentiels de la variabilité climatique sur ces processus d'interactions et leurs conséquences sur la disponibilité et la qualité de la ressource. Dans la zone inférieure, la caractérisation des interactions surface-souterrain a montré qu'il existe un fort potentiel d'interaction entre le compartiment hydrologique et le compartiment alluvial, mais également entre le compartiment alluvial et le socle plutonique. L'étude des données hydrologiques et physico-chimiques a permis de caractériser le type d'échanges se déroulant entre les compartiments. Dans certains secteurs le processus dominant est la recharge du compartiment alluvial par le compartiment hydrologique, tandis que pour d'autres il existe une alternance entre période de drainage du compartiment alluvial par le compartiment hydrologique et période de recharge du compartiment alluvial. La réponse de ces processus face aux impacts des forçages climatiques et anthropiques contraindra la disponibilité et la qualité de la ressource dans les années à venir. Ainsi, les résultats apportés par ce travail permettront certainement de mieux anticiper les modifications futures du fonctionnement hydrologique des bassins versant montagneux en contexte semi-arides.The north Chile is affected by an arid to semi-arid climate, associated with a strong seasonal to inter-annual variability. In this region, while mountainous areas are supporting low areas, the availability of water resources remains limited. In order to improve the water management in these basins, it is necessary to precise how the high areas support the low areas, and to characterize water transfers and interaction processes between the constitutive compartments of the hydrosystem. This work concern the characterization of the hydrodynamic behavior of the Elqui watershed from the headwaters, in the Andes, to the valleys, ranging between 500 and 2000 m.a.s.l.In the headwaters, the interactions processes between cryospheric and hydrologic compartments and their impact on water transfers to the low areas are characterized. The behavior of unglacierized or partially glacierized watershed is also studied. In the low area of the watershed, the study mainly considers groundwater-surface water interactions under semi-arid context and the impact of the climatic variability on these processes. This study is based on more than 40 years of hydro-meteorological data available in the lower zone of the basin, completed by hydrological measurements in the upper zone (> 2000 m.a.s.l.) and chemical (majors and traces elements) and isotopic samples (²D, 18O) over the whole study area realized between 2011 and 2013.This work demonstrated that the conceptual model of the Elqui basin hydrological behavior, generally accepted, was incomplete. In the high area (> 2000 m.a.s.l.), the study of a glacierized watershed show that the function of the cryosphere overpass the water production with some compartments storing water during humid periods and draining their water content during dry periods. This process buffers the temporal variability of precipitations and melting rates in the high area. Physico-chemical analysis, allows to identify some ignored aquifer compartments, as the volcanic and plutonic compartments. The results of this study improve the knowledge about interactions processes between cryospheric, hydrologic and hydrogeologic compartments, which precise the hydrological functioning of the high area. The interpretation of the hydrological behavior of the high altitude area allows to better understand the way that it support the low area, and the way that climate variability may affects it.In the low area, results show that the groundwater-surface water interaction potential is good between alluvial and hydrological compartments, but also between the plutonic and the alluvial compartments. The study of hydro-meteorological and physico-chemical data allowed to characterize the type of exchanges that take place between groundwater and surface water. In some sectors the main process is the recharge of the alluvial compartment by the hydrological compartment, while in other sectors the processes show a seasonal variability with periods of alluvial compartment recharge and periods of hydrological compartment support. The answer of these processes face to climatic and anthropic forcing will constrain the evolution of the availability and quality of the water resources in the Elqui basin. Finally, the results of this study will certainly allow to better anticipate the future modifications of the semi-arid mountainous watershed hydrological functioning