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Les Documents de travail Atelier 1 |
UN PROGRAMME DE RECHERCHE FEDERATEUR : LE PROGRAMME NATIONAL DE RECHERCHE EN HYDROLOGIE
Michel VAUCLIN(1) et Philippe ACKERER(2)
(1)
Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et
Environnement.
LTHE, UMR 5564 (CNRS, INPG, ORSTOM, UJF). BP 53, 38041 GRENOBLE
Cedex 9.
(2) Institut de Mécanique des Fluides, URA 854 (CNRS, ULP), 2
rue Boussingault, 67000 STRASBOURG
1. Contexte et enjeux
L’évolution démographique, l’éventualité de changements climatiques, l’accroissement des pollutions locales et diffuses résultant de différentes insouciances, l’occurrence récurrente de phénomènes paroxysmiques, la multiplicité des acteurs concernés par ses nombreux usages sont autant de sources de conflits majeurs centrés sur la maîtrise de l’eau.
Devant ce risque réel et crucial et la nécessité de fournir aux acteurs politiques et socio-économiques les bases scientifiques d’aide à la décision, il est apparu une prise de conscience croissante, à l’échelle mondiale, de l’ardente obligation, au plan de la recherche :
• de développer une approche intégrée (corollaire du concept de gestion intégrée), donc non compartimentale du cycle continental de l’eau incluant l’ensemble de ses composantes et des flux couplés associés (énergie, solutés, gaz, sédiments),
• de considérer le sol, milieu polyphasique hétérogène, comme un réacteur biogéochimique aux capacités limitées de rétention et de dégradation de substances polluantes, et comme une interface hydrauliquement active avec les eaux souterraines, la biosphère continentale et l’atmosphère.
2. Objectifs de l’action
Centrés sur l’étude des mécanismes de base, les travaux menés dans le cadre du Programme National de Recherche en Hydrologie (PNRH) visent à répondre à quelques questions fondamentales qui se posent à l’hydrologie.
• Comment circule l’eau dans les formations superficielles continentales, depuis les précipitations jusqu'à la mer ou l’océan ? A quelle vitesse ? Comment se répartissent les différents volumes d’eau dans les différents compartiments de l’hydrosystème (en surface, dans le sol, dans le sous-sol) ?
• Comment prédire l’impact de l’évolution des climats et des activités humaines sur l’alimentation des aquifères et les ressources en eau disponibles pour satisfaire les besoins domestiques, agricoles, industriels et énergétiques ?
• Quelles sont les conséquences d’une pollution de surface sur la qualité des sols et de l’eau des nappes ?
• Comment se prémunir des grandes catastrophes naturelles ?
Le PNRH est également destiné à structurer la Communauté Scientifique concernée par la thématique et à renforcer les interactions avec d’autres disciplines afin de mettre en oeuvre une approche interdisciplinaire et transmilieux du cycle hydrologique.
3. Description de l’action
3.1 Résumé
Les recherches menées au PNRH s’inscrivent dans les trois axes suivants :
Ces travaux sont menés aussi bien en France qu’à l’étranger (Bolivie, Niger,.Sénégal,...).
Le comité scientifique du PNRH est chargé d’évaluer les projets, de les soumettre à une expertise extérieure et de les harmoniser. Le PNRH organise également des ateliers thématiques à raison de deux à trois par an.
Le champ couvert par le Programme se caractérise par la conjonction de plusieurs niveaux de complexité tenant à la fois à la nature extrêmement variable des milieux traversés et ce, quelle que soit l’échelle d’espace, à leur non stationnarité temporelle sous les influences climatiques, biophysicochimiques et anthropiques. L’analyse de cette complexité se fonde sur des études menées à différentes échelles d’espace (de la plante ou l’arbre pour l’interception de la pluie aux débits drainés sur des surfaces de plusieurs km2 en passant par des images satellitaires par exemple) et de temps (de la seconde pour les échanges turbulents entre la surface et l’atmosphère, la minute pour les écoulements superficiels à l’année voire la décennie pour les eaux souterraines).
Elles nécessitent très souvent une durée d’observation longue (plusieurs années voire décennies) afin de s’affranchir des variabilités climatiques interannuelles. Compte tenu de cette multiplicité des échelles et de l’hétérogénéité du milieu, l’interprétation de ces observations nécessite des métrologies de haute technologie (satellites, radars, stations automatiques de mesure au sol, ...) et des méthodes mathématiques élaborées (agrégation, homogénéisation, analyse du signal) pour les changements d’échelle.
3.2 Dates
L’INSU a lancé en 1994 le Programme de Recherche en Hydrologie (PRH) qui, suscitant rapidement l’intérêt d’autres organismes de recherches (BRGM, CEMAGREF, INRA, METEO FRANCE, ORSTOM) est devenu, début 1997, un Programme National : le PNRH.
4. Résultats obtenus
Parmi les acquis récents, on peut citer :
.• la modélisation de plus en plus réaliste des interactions sol-végétation-atmosphère incluant le test de robustesse de différents schémas de surface par comparaison à des mesures continues de flux sur de longues périodes (1 à 3 ans) et ce, en présence et en l’absence d’effets orographiques.
• le développement de modèles hydrologiques à base physique et distribués prenant en compte les hétérogénéités spatiales du milieu, reconstituant le cheminement de l’eau depuis son arrivée sous forme de pluie, jusqu’à sa sortie à l’exutoire du bassin versant et intégrant des procédures stochastiques d’estimation des incertitudes sur les simulations en fonction de celles associées aux paramètres.
• l’établissement d’une méthode d’obtention des profils hydriques d’un sol à partir de l’inversion temps/espace d’un seul signal de réflectométrie temporelle et d’un modèle général et versatile reliant la permittivité électrique aux propriétés des différentes phases élémentaires constituant le milieu.
• le développement de techniques originales (sentinelles, état adjoint, points pilotes) pour estimer par approche inverse les paramètres hydrodynamiques et hydrodispersifs des sols non saturés et des aquifères, homogènes et hétérogènes, préalable indispensable à la modélisation des écoulements d’eau et du transport de substances chimiques.
La volonté du PNRH de coordonner les recherches s’est traduite par la mise en place de réseaux :
• de laboratoires mettant en commun leurs modèles physiques (colonnes, maquettes 2D, 3D) avec les environnements métrologiques associés, leurs bases de données et leurs codes numériques.
• de sites notamment dans le cadre du Service d’Observations Utilisé pour la Recherche en HYdrologie coordonné au plan national par le Groupement d’Intérêt Public multiorganismes " HydrOsystèmes Continentaux ".
• d’ateliers thématiques, largement ouverts sur la Communauté permettant la présentation et la confrontation des résultats les plus récents, renforçant les collaborations interdisciplinaires et contribuant à exprimer en problématique scientifique la demande sociétale dans un domaine où la nécessité criante d’une exploitation raisonnée des ressources en eau et en sols et la ferme volonté de préserver et améliorer notre environnement confèrent aux géosciences en général, et à l’hydrologie en particulier une incontestable actualité économique et politique.
4.2 Problèmes rencontrés
Le PNRH a mobilisé dans un laps de temps réduit un potentiel humain de l’ordre de 400 chercheurs appartenant à une centaine d’équipes différentes relevant des différents organismes de recherche (BRGM, CEMAGREF, INRA, METEO FRANCE, ORSTOM) auxquelles il convient d’ajouter une vingtaine d’équipes universitaires stricto sensu françaises et étrangères.
Le soutien à des projets de recherche menés dans des zones sensibles (Afrique, Amérique du Sud) hors du territoire national donne une ouverture internationale au programme.