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Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 26 mai 2023 par Tom Müller, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.
Dans un contexte de changement climatique, les ressources en eau en hautes montagnes sont soumises à des changements rapides. La fonte rapide des glaciers, combinée à une accumulation réduite de neige et à une fonte plus précoce, conduit à une modification du régime d’écoulement avec un déplacement du débit de pointe vers les mois précédents et un débit réduit en été.
L’ampleur de ces changements a été étudiée de manière approfondie pour les grands bassins-versants alpins, car la disponibilité des ressources en eau est d’une importance capitale pour maintenir des conditions écologiques favorables (débit résiduel) et à des fins humaines telles que la production hydroélectrique, l’eau potable ou l’irrigation. Cependant, à une échelle plus locale, et plus particulièrement dans le cas des petits bassins versants alpins glaciaires, les modifications de l’approvisionnement en eau s’accompagnent de processus géomorphologiques importants. En particulier, la production et la libération de sédiments glaciaires et leur remaniement conduisent à la formation d’une série de structures proglaciaires dans lesquels l’eau, de différentes sources, peut s’infiltrer.
Alors que des études récentes ont reconnu son rôle dans le maintien de la disponibilité de l’eau, la dynamique des eaux souterraines dans de tels environnements est encore très peu étudiée. Il reste particulièrement difficile d’évaluer comment ces systèmes peuvent réagir au changement climatique, dû à une compréhension limitée des processus hydrogéologique internes à ces bassins versants.
Dans ce travail, sur la base d’un cas d’étude dans les Alpes suisse, le glacier d’Otemma, j’ai développé un cadre d’analyse intégré basé sur une panoplie de données de terrain et différentes modélisations afin obtenir des informations détaillées sur (i) la réponse hydrologique des marges proglacaires à l’échelle du bassin versant ; (ii) un modèle conceptuel détaillé de l’assemblage des différentes unités hydrogéologiques avec une évaluation des échelles de temps qui régissent l’approvisionnement en eau du débit de base ; (iii) une étude ciblée sur une structure clé peu étudiée jusqu’ici, (iv) une estimation des contributions saisonnières en eau de la pluie et de la fonte de la neige et de la glace et (v) un modèle conceptuel de la connectivité des eaux souterraines entre ces différentes structures.
Nous montrons que le fonctionnement des zones proglaciaires récemment déglacées est gouverné par de multiples structures hydrogéologiques, qui libèrent de l’eau à différentes échelles de temps et de saisons. Les reliefs superficiels très pentus transmettent principalement la pluie et l’eau de fonte de neige, en particulier au début de la saison de fonte et ont une décrue rapide de l’ordre de quelques jours. Au fur et à mesure que l’eau converge vers le fond de la vallée, nous observons une large diversité des sources d’eau, soit générées par un rapide écoulement de surface, soit par des exfiltration plus lentes dans la roche mère, ou soit par un écoulement souterrain dans les structures latérales. Les structures moins en pente semblent montrer un plus grand potentiel de stockage des eaux et pourraient permettre un débit résiduel à des échelles de temps saisonnières (semaines à mois).
A Otemma, c’est principalement le cas d’une petite plaine alluviale, qui recueille l’eau des pentes. Cependant, suite à une modélisation plus complexe, il apparait que ce stockage est relativement limité et que cette plaine offre une valeur avant tout écologique. Enfin, nous avons identifié qu’avec environ 75 mm de stockage en été, le plus grand aquifère à une échelle annuelle est situé dans la roche mère. Les résultats montrent que le débit de base en hiver est principalement dominé par la connexion d’un tel aquifère rocheux à un système sédimentaire sous-glaciaire qui libère lentement de l’eau en hiver et maintient un débit de base résiduel de l’ordre de 0.5 mm/j.
Dû au retrait rapide des glaciers, ces structures superficielles devraient prendre une plus grande ampleur, en particulier les zones de plaines alluviales. Nos projections montrent cependant un faible potentiel de stockage supplémentaire à l’échelle saisonnière de sorte que des conditions plus sèches sont attendues, en particulier à la fin de l’été, en raison d’une fonte des neiges plus précoce et d’une surface réduite disponible pour la fonte des glaces. Dans cette perspective, l’eau stockée dans la roche mère devrait permettre de maintenir un débit de base résiduel au cours de toute l’année, mais les mécanismes régissant sa recharge et son drainage restent plus incertains. En particulier, l’effet sur la recharge de l’interaction entre une fonte de neige plus précoce et le développement des sols est encore mal comprise.
En conclusion, nous avons montré que de multiples formes de structures proglaciaires stockent et transmettent l’eau à des échelles de temps variables allant de jours dans les pentes, à des semaines dans des dépôts glaciaires plus plats et à des mois dans le substratum rocheux. Chacun de ces processus peut présenter un intérêt pour les recherches futures et nous avons fourni ici un cadre détaillé pour comprendre et évaluer l’effet de ces structures dans d’autres bassins versants alpins.