Hydro-glaciological behaviour of the Arve catchment in the French Alps : climate variability and consequences on water resources availability

La réduction du volume des glaciers et la fusion printanière plus précoce de la neige causée par le réchauffement climatique provoquent des variations du cycle hydrologique à la fois pour les têtes de bassin versant, mais aussi pour les zones situées plus à l’aval. Afin de prédire correctement l’amplitude des changements possibles futurs et d’envisager une gestion adaptée, une bonne connaissance de l’interaction entre les glaciers, le climat et les écoulements hydriques est nécessaire. L’objectif de cette étude est d’évaluer l’effet de la variabilité climatique sur le fonctionnement hydro-glaciologique et ses conséquences sur la disponibilité de l’eau du bassin versant de l’Arve (Alpes françaises) depuis 1960. Ce bassin s’étend sur une surface de 1958 km2 et est composé de cinq bassins versants emboités (Arveyron d’Argentière, Arveyron de la Mer de Glace, Arve au Pont des Favrands, à Sallanches and au Bout du Monde), tous influencés par la fusion glaciaire et nivale mais dans différentes proportions étant donnée la large gamme d’extension de couverture glaciaire s’étalant de 5 á 53%. Ce travail est basé sur des longs jeux de données glaciologiques, météorologiques, hydrologiques et de couverture de neige qui sont issues soit de mesures ponctuelles dans l’espace soit de données obtenues par télédétection.L’analyse des tendances a été réalisée sur des données hydrologiques et météorologiques des cinq bassins versants emboités. Pour cela, le cycle saisonnier du débit est ajusté en utilisant une fonction mathématique de type “modèle à pic asymétrique”. Les changements observés des débits ont été reliés aux variables météorologiques ainsi que à l’évolution de la couverture glaciaire. Les résultats indiquent un comportement contrasté entre les bassins versants selon les taux d’englacements, avec une tendance croissante des valeurs de débit dans les bassins versants fortement englacés (couverture de glacier >30%) et une décroissante pour les moins englacés. La sensibilité du cycle hydrologique au changement climatique futur a été évaluée. Pour le milieu du 21e siècle, on prévoit que le volume annuel écoulé serait réduit de 16% pour l’Arveyron d’Argentière et de 31% pour l’Arveyron de la Mer de Glace. Pour la période estivale, la quantification détaillée de chaque terme de l’équation du bilan hydrologique, ainsi que leurs incertitudes, sur les bassins versants de l’Arveyron d’Argentière et de l’Arveyron de la Mer de Glace-Leschaux a permis de souligner l’importance des transferts d’eau souterraine pour représenter et prédire le comportement hydro-glaciologique d’un bassin versant donné. Deux model d’écoulement distribués de type degré-jour couples à un modèle de routage hydrologique à réservoir linéaire ont était utilisé sur le bassin versant de l’Arveyron d’Argentière sur la période 1960–2009. La calibration est effectuée autant sur la base des données de débit qu’avec une approche multicritère avec les données de débit, de couverture neigeuse et du bilan de masse annuel, à pas de temps journalier. Les résultats montrent l’aptitude d’utiliser un modèle classique degré-jour pour simuler le comportement hydro-glaciologique et la production d’eau sous-glaciaire d’un bassin versant fortement glaciaire. Pour la période 1960–2004, une valeur de Kling Gupta Efficiency de 0.85 entre le débit simulé et observe à était obtenu. La calibration multicritère semble réduire les incertitudes des simulations.Glacier recession and the anticipation of spring snow melt driven by a warming climate could lead to changes in the hydrological cycle affecting not only the headwater catchments but also the areas downstream. In order to correctly predict the magnitude of future possible changes and to consider appropriate strategies of water management, a good understanding of the interaction between glaciers, climate and hydrology is needed. The aim of this study is to assess the effect of climate variability on the hydro-glaciological behaviour and its consequence on water availability in the Arve River catchment (French Alps) since 1960. It covers 1958 km2 and is composed by five nested catchments (Arveyron d’Argentière, Arveyron de la Mer de Glace, Arve at Pont des Favrands, Arve at Sallanches and Arve at Bout du Monde), all influenced by glacier and snow melt but characterized by various percentages of glacier cover ranging from 5 to 53%. This research is based on a long dataset of in situ or remote sensing glaciological, meteorological, hydrological and snow cover area data.Trend analyses are performed on the hydrological and meteorological data at all the considered sites. The seasonal cycle of each catchment is fitted using a mathematical function, namely the asymmetric peak model, and changes in the discharge are related to observed changes in the meteorological variables and the glaciers’ evolution. Results point out a contrasting behaviour among the catchments characterized by different glacier covers, showing an increasing trend on the discharge values in highly glacierized catchments (with a glacier cover >30%) and a decrease in the low glacierized ones. The sensitivity of the seasonal cycle to the future climate is evaluated. In the mid-21st century the annual runoff would be reduced by 16% for Arveyron d’Argentière and 31% for Arveyron de la Mer de Glace. Over the summer season, a detailed quantification of each term of the hydrological balance equation, as well as their uncertainties, on the Argentière and Mer de Glace-Leschaux drainage basins allows to underline the importance of considering the groundwater transfers to represent and predict the hydro-glaciological behaviour of a considered catchment. Two different distributed temperature index melt models coupled with a linear reservoir discharge model are used on the Arveron d’Argentière catchment over the 1960–2009 period. The calibration is carried out against discharge only and with a multi- criteria approach considering the discharge, the snow cover area and the glacier-wide annual mass balance values at daily time step. Results demonstrate the suitability of the use of a classical degree day model in simulating the hydro-glaciological behaviour and the subglacial water production of a highly glacierized catchment. A KGE of 0.85 is obtained between the observed and simulate discharge values over the 1960–2004 period. The use of a multi-criteria approach seems to reduce the simulation uncertainties