Modélisation hydrologique de bassins emboîtés du Nakanbé au Burkina Faso dans un contexte de changement global

Climate and environmental changes have led some Sahelian rivers watersheds in West Africa to a paradoxical behavior: runoff coefficients have increased despite rainfall deficit (1970-1990) and re-greening (1990 to present). The lack of reliable data on the monitoring of environmental dynamics in West Africa has limited application of Newtonian models to understand this paradoxical hydrological behavior. This thesis aims to better understand the hydrological behavior of the Sahelian watersheds despite the context of insufficient data. The methodology adopted consisted first of an analysis of hydro-climatic and environmental variability to observe the changes undergone by the watersheds. Secondly, Budyko type model based on Darwinian approach was employed to quantify the isolated and combined contributions of climate and environmental changes to variations in surface runoff, and to establish the climate-environment coevolution relationship at the watershed scale. Finally, this climate-environment coevolution relationship allowed coupling a Budyko type model and SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model to take into account the environmental dynamics in the simulation of runoff. The developed methodology was applied to seven nested watersheds (38 - 21,178 km2) located in the Sahelian part of the Nakanbé River watershed (a tributary of the Volta River in Burkina Faso) over the period 1965-2018. The results of variability analysis confirmed that the Nakanbé nested watersheds at Wayen experienced both Sahelian hydrological paradoxes and the study period was divided into one baseline period (1965-1977) and three impact periods: 1978-1994, 1995-2006, and 2007-2018. The impact studies showed that environmental degradation was the main driver of the first hydrological paradox, while climate-environment interaction became dominant during the second Sahelian hydrological paradox. The coevolution study showed the existence of a reciprocal cause-effect relationship between climate and environment in the Nakanbé watersheds and indicated that Fu Budyko-type model parameter appears to be a good indicator of the spatio-temporal variability of soil water holding capacity. Considération of changes in soil water holding capacity in hydrological modeling by coupling Darwinian (Budyko of Fu) and Newtonian (SWAT) models has improved the runoff simulation in the nested watersheds of the Nakanbé River.Keywords: Climate and environmental changes, Climate-environment coevolution, Budyko conceptual framework, SWAT model, Nakanbé nested watersheds, SahelLes changements environnemental et climatique ont conduit certains hydrosystèmes sahéliens de l’Afrique de l’Ouest à un comportement paradoxal : augmentation des coefficients d’écoulements malgré le déficit pluviométrique (1970-1990) et le reverdissement (1990 à nos jours). Le manque de données fiables de suivi de la dynamique environnementale en Afrique de l’Ouest a limité l’utilisation de modèles newtoniens pour appréhender ce comportement hydrologique paradoxal. L’objectif de cette thèse est donc de parvenir à une compréhension fine du comportement hydrologique des bassins versants du Sahel malgré le contexte d’insuffisance de données. La méthodologie adoptée a consisté premièrement en une analyse de la variabilité hydro-climatique et environnementale pour constater les changements subis par les bassins versants. Deuxièmement, l’application de modèle darwinien de type Budyko a permis de quantifier les contributions isolées et combinées des changements climatique et environnemental aux variations des écoulements, et d’établir la relation de coévolution climat-environnement à l’échelle de bassin versant. Enfin, cette relation de coévolution climat-environnement a été utilisée à travers le couplage d’un modèle de type Budyko au modèle hydrologique SWAT (Soil and Water Assessment Tool) pour prendre en compte la dynamique environnementale dans la simulation des écoulements. La partie sahélienne du bassin versant du fleuve Nakanbé (un affluent de la Volta au Burkina Faso) constituée de sept bassins emboîtés (38 – 21 178 km2) a été utilisée comme cadre d’application de la méthodologie développée sur la période 1965-2018. Les résultats des analyses de variabilité ont confirmé que les bassins emboîtés du Nakanbé à Wayen ont connu les deux paradoxes hydrologiques sahéliens et la période d’étude a été subdivisée en une période de base (1965-1977) et trois périodes d’impact : 1978-1994, 1995-2006 et 2007-2018. Les études d’impacts ont montré que la dégradation environnementale a été la principale cause du premier paradoxe hydrologique et que l’interaction climat-environnement est devenue prédominante au cours du deuxième paradoxe hydrologique sahélien. L’analyse de la coévolution a montré l’existence d’une relation de cause-effet entre le climat et l’environnement à l’échelle des bassins versants du Nakanbé et a indiqué que le paramètre du modèle Budyko de Fu est un indicateur de la variabilité spatio-temporelle de capacité de rétention en eau des sols. La prise en compte de l’évolution de la capacité de rétention en eau des sols dans la modélisation hydrologique au travers du couplage des modèles darwinen (Budyko de Fu) et newtonien (SWAT) a permis d’améliorer la simulation des écoulements des bassins versants du Nakanbé.Mots-clés : Changements climatique et environnemental, Coévolution climat-environnement, Cadre conceptuel de Budyko, Modèle SWAT, Bassins emboîtés du Nakanbé, Sahel