Analysis of the hydrological cycle under Sudanian climate in Benin : towards a coupled modelling of lateral and vertical processes

Dans un contexte de changement climatique dont les projections régionales sont incertaines, de forte variabilité inter-annuelle du cycle hydrologique, de forte croissance démographique et de changement d'occupation des sols, les questions relatives au cycle hydrologique et à la ressource en eau actuels et à venir sont cruciales. Dans un tel contexte, ce travail de thèse approfondit la connaissance du fonctionnement hydrologique du bassin versant de l'Ouémé supérieur (situé en climat soudanien au Bénin), en considérant l'ensemble des termes et des processus du cycle hydrologique.Dans un premier temps, le fonctionnement hydrologique de l'Ouémé supérieur est analysé à l'échelle d'un versant grâce au modèle Hydrus 2D. Cette analyse de processus s'appuie sur un ensemble complet de mesures (précipitations, évapotranspiration, humidité du sol, niveau piézométrique, débit en rivière) obtenues dans le cadre de l'observatoire hydrométéorologique AMMA-CATCH. Les simulations montrent que la forêt ripisylve vidange la nappe profonde et la déconnecte ainsi du réseau hydrographique. L'apport d'eau de la nappe profonde permet une transpiration de la forêt ripisylve toute l'année, y compris en saison sèche. Les écoulements en rivière ne sont pas produits uniquement par exfiltration d'écoulements latéraux de subsurface non saturés, les bas-fonds jouent probablement un rôle.À méso-échelle, nous cherchons à quantifier l'impact de la variabilité spatiale de la conductivité hydraulique à saturation sur le bilan hydrologique et l'évapotranspiration. Le modèle numérique utilisé est nTopAMMA, formalisme dérivé de TopMODEL. À partir de mesures de terrain, nous avons mis en évidence que la variabilité spatiale de la conductivité hydraulique à saturation est corrélée à l'occupation du sol du bassin d'étude. La prise en compte de cette variabilité spatiale dans le modèle nTopAMMA montre que l'état hydrique et l'évapotranspiration simulés localement par le modèle dépendent aux trois-quarts de la topographie et pour un quart de la conductivité hydraulique à saturation.Adoptant une approche ascendante, nous confrontons la représentation élaborée à l'échelle du versant à la modélisation hydrologique à méso-échelle. Nous analysons les processus et flux verticaux du modèle nTopAMMA. L'amélioration de la modélisation du cycle hydrologique de l'Ouémé supérieur par le modèle nTopAMMA nécessite (i) la prise en compte des hétérogénéités du bassin versant, (ii) la modification du formalisme de l'évapotranspiration, (iii) la diversification des sources de prélèvements évapotranspiratoires et (iv) l'intégration de la nappe d'altérites.Understanding how the hydrological cycle and water resources availability evolve in the current context of global change (which encompass climate, environmental and population changes) is a critical issue, particularly in West Africa, where at regional scale, strong interannual and seasonal variabilities overlap with highly uncertain climate predictions. Within this framework, this work aims at improving our knowledge of the behavior of the Upper Oueme catchment in Benin (Sudanian climate), with an analysis of all the hydrological processes and terms of the terrestrial hydrological cycle.First, the hillslope scale is considered by using the Hydrus 2D software and field observations from the hydrometeorological observing system AMMA-CATCH: rainfall, actual evapotranspiration, soil moisture, groundwater level and river runoff. The principal result of this analysis is that the riparian forest transpiration depletes the deep groundwater and disconnects it from the river network. Water supply by the deep groundwater enables the riparian forest transpiration all year long and particularly during the dry season. Seepage of unsaturated subsurface lateral flows contributes to river runoff, but the "bas-fonds" seem to be other important contributors.Then, at mesoscale, we quantify the impact of the spatial variability of hydraulic conductivity on the simulated water balance, with focus on the evapotranspiration term. The numerical model nTopAMMA, especially derived from the TopMODEL hydrological model for the Upper Oueme catchment, is used here. Measurements from a specific field mission evidence the correlation between the hydraulic conductivity spatial variability and the land use one. By taking into account this variability, the simulation results show that evapotranspiration and water storage simulated on the Upper Oueme catchment at local (pixel) scale depend essentially on the topography (75 %) and to a lesser extent on the hydraulic conductivity (25 %).Finally, a bottom-up approach is adopted to analyse the hydrological modelling results at mesoscale, taking advantage of the modelling results at the hillslope scale. Vertical processes and fluxes simulated by nTopAMMA are analyzed. It is shown that an improvement of the Upper Oueme hydrological cycle modelling, with nTopAMMA, requires: (i) the consideration of the catchment heterogeneities, (ii) the modification of the evapotranspiration module, (iii) the diversification of the evapotranspiration sources and (iv) the integration of the deep groundwater reservoir