Modélisation de l'eau, de l'énergie et du temps de séjour dans une zone critique subalpine

Mountain critical zone hydrology, ecology, geomorphology and atmospheric processes are intricate and occur at very fine temporal and spatial scales. This study builds a data based critical zone model for a small hydrological units close to "Col du Lautaret", a mountain critical zone observatory, to address various water resource issues at hyper-resolution. The study of this small subalpine catchment (15.28 ha) shows that the surface-atmosphere feedback is impacted by slope and aspect, even at meter scales. In such snow-dominated catchment the spatial pattern of snow accumulation, wind transport and melting are all terrain dependant. Precipitation distribution, including snow transport by the wind, is the most important imposed spatial variability to capture the spatial snow distribution. Shortwave radiation spatial distribution impacts less the melting patterns in our mainly East facing catchment but accounts for capturing the average melting rate and evapotranspiration. Finally, wind speed spatial distribution does not produce a significant impact on its own but adds to enhance the melting pattern when combined with other forcings. The first 5m subsurface layer control the generation of runoff with a strong surface-subsurface coupling. Oversimplified subsurface lithology composed of 2 horizons, one permeable (sandy-Loam) and one impermeable (Flysch base rock) are not able to represent either the event or seasonal runoff dynamics and base Flow. To capture the runoff cycle, variable hydraulic conductivity of the subsurface is necessary, separating the active 5m hydraulic horizons in 2 layers with lateral variability. In mountain critical zone, subsurface flows are significant and could not be modeled using a constant hydraulic conductivity. The subsurface flows not only contribute to runoff but also sustain the vegetation in dry periods. It has been shown that the snowmelt percolates to the subsurface and later in summer is used by vegetation for evapotranspiration. Decrease of snow covered period in the future will shift the vegetation period and then the entire water cycle along the year, enhancing evapotranspiration with longer vegetation period and drying subsurface. Residence time for both source from snow and rain decrease. Whatever exports from catchment in the form of snow or rain is younger, which means that changes in the snowmelt regime make the ecosystem less resilient to drought periods.L'hydrologie, l'écologie, la géomorphologie et les processus atmosphériques de la zone critique en montagne sont complexes et concernent des échelles temporelles et spatiales très fines. Cette étude a permit de construire un modèle hyper-résolu de la zone critique basé sur des données de terrain pour une petite unité hydrologique proche du "Col du Lautaret", un observatoire de la zone critique en moyenne montagne, afin d'aborder diverses questions relatives aux ressources en eau. L'étude de ce petit bassin versant subalpin (15,28 ha) montre que les rétroactions entre la surface et l'atmosphère sont influencées par la pente et l'orientation du terrain, jusqu'à l'échelle du mètre. Dans ce bassin versant dominé par un régime d'hydrologie nivale, la distribution spatiale de l'accumulation de neige, le transport par le vent et la fonte dépendent tous de la topographie. La distribution des précipitations, y compris le transport de la neige par le vent, est la variabilité spatiale imposée la plus importante pour permettre la simulation de la distribution spatiale de la neige. La distribution spatiale du rayonnement à courtes longueur d'ondes a moins d'impact sur les modèles de fonte dans notre bassin versant principalement orienté vers l'est, mais elle permet de mieux représenter le taux de fonte moyen et l'évapotranspiration. Enfin, la distribution spatiale de la vitesse du vent a peu d'impact mais contribue à améliorer le modèle de fonte lorsqu'elle est combinée avec les autres forçages. Les cinq premiers mètres de la subsurface contrôlent la génération du ruissellement avec un fort couplage surface-subsurface. Une lithologie de subsurface simplifiée, composée de deux horizons, l'un perméable (sableux-limoneux) et l'autre imperméable (roche de base Flysch), n'est pas en mesure de représenter la dynamique du ruissellement événementiel ou saisonnier et le débit de base. Pour capturer le cycle de ruissellement, une conductivité hydraulique variable de la subsurface est nécessaire, séparant les horizons hydrauliques actifs (5 premiers mètres) en 2 couches avec une variabilité latérale. Dans la zone critique de montagne, les écoulements souterrains sont importants et ne peuvent être modélisés en utilisant une conductivité hydraulique constante. Les écoulements de subsurface contribuent non seulement au ruissellement mais soutiennent également la végétation pendant les périodes sèches. Il a été démontré que la fonte des neiges s'infiltre dans la subsurface et, plus tard en été, est utilisée par la végétation pour l'évapotranspiration. La diminution de la période d'enneigement à l'avenir modifiera la période de croissance de la végétation, puis l'ensemble du cycle de l'eau tout au long de l'année, en augmentant l'évapotranspiration avec une période de végétation plus longue et un assèchement de la subsurface. Le temps de séjour de l'eau provenant de la neige et de la pluie diminuera. Ce qui est exporté du bassin versant sous forme de neige ou de pluie sera plus jeune, ce qui signifie que les changements dans le régime de fonte des neiges renderont l'écosystème moins résilient aux périodes de sécheresse