Combinaison d'études géophysiques, hydrologiques et géochimiques pour mieux caractériser, comprendre et modéliser le fonctionnement passé, actuel et futur de bassins versants. – HYDROCRIZSTO

Le projet sera articulé autour de 4 axes de travail scientifique et un axe d'animation et de diffusion de la recherche.
Axe 1 - Imagerie du sol et du sous-sol et suivi spatial et temporel des eaux de surface et des eaux profonde via la combinaison de plusieurs outils géophysiques. L'objectif est de construire une image 3D de la géomètrie du site et d'estimer les réserves en eau (stockage).
Axe 2 - Hydrologie de surface et de sub-surface et ressource en eau en combinant des approches géophyiques, géochimiques et de modélisation hydrologique.
Axe 3 - Interaction eau/sol/plantes. Des expérimentation en laboratoire et des études et des mesures de terrain vont permettre d'évaluer les flux de ces transferts mais aussi les mécanismes responsables de ceux ci.
Axe 4 - Impact du changement climatique sur le ressource en eau et la fertilité des sols. Le développement d'un modèle couplé biosphèrique/hydrologique et géochimique sera calibré grâce aux données et paramètres déjà obtenus, et notamment les longues série temporelles de plus de 30 ans. Ensuite les simulations futures sur les prochains siècle à partir des sorties des modèles climatiques permettront d'avoir des informations sur les éventuels scénarios.

WP1 : Des études géophysiques à plusieurs échelles ont été réalisées en 2017 afin d'améliorer l'imagerie du site. Une première campagne de mesures CSAMT a été réalisée en juillet 2017. En complément du réseau de répétition de mesures gravimétriques, un gravimètre absolu a été installé dans la zone sommitale au Nord pour le suivi des stocks en eau. D'autres travaux plus marginaux sont également en cours (en sismique, en diagraphie, et en géoradar) pour améliorer le suivi hydrogéophysique des zones de recharge.
WP2 :La modélisation du fonctionnement hydrologique a été poursuivie à deux échelles : l’échelle de la parcelle et l’échelle de l’ensemble du bassin-versant. A l’échelle de la parcelle, la recharge de la nappe a été estimée à l’aide d’un modèle 1D vertical. Le modèle a été calé sur les données de pressions mesurées sur le site à différentes profondeurs (Belfort et al., 2018).
Un modèle hydrologique quasi-2D (modèle intégré sur la verticale) a été développé sur le bassin-versant (doctorat de B. Jeannot). Les débits à l’exutoire ont pu être simulés de manière satisfaisante. La modélisation montre que ces débits sont peu sensibles aux hétérogénéités locales de conductivité hydraulique.
WP3 : La première série d’expérimentation en laboratoire des interactions sols/solutions a été réalisée sur deux profils de sol représentatifs avec des solutions d’acide chlorhydrique et oxalique sur une cinétique de 5 mois (6 profondeurs, trois répliquas). Les propriétés chimiques, isotopiques et minéralogiques des sols ont été caractérisées avant et après les expérimentations. Les premiers résultats montrent que les nutriments tels que Ca et Mg se comportent différemment et qu’en particulier la biodisponibilité du Ca échangeable n’est pas contrôlé par un simple échange avec les protons, comme c’est habituellement décrit, mais par des mécanisme plus complexes que nous allons décrypté grâce aux mesures isotopiques et à la modélisation.

WP1 : Une première intégration des données géophysiques issues du WP1 a été menée par N. Lesparre dans le cadre de son post-doctorat. Ces données permettent de préciser la géométrie de l’aquifère pour la modélisation hydrologique. Ce travail sera pousuivi par N. Lesparre, CR CNRS à compter du 1/10/2018.
Enfin, quelques résultats d'imagerie géophysique (WP1) ont pu être transféré aux groupes de travail sur l'hydrogéologie (WP2) et la modélisation hydrodynamique (WP4) grâce au Post-Doc de Nolwenn Despares au premier semestre 2018.
WP2 : Le modèle hydrologique a aussi été utilisé pour évaluer les temps de transfert d’une solution de sol à l’intérieur du bassin-versant. Ces données serviront à la modélisation géochimique développée dans le cadre du WP3.
WP3 : Des analyses NIRMS couplé à une approche en ACP a permis d’étudier la matière organique dans les sols en fonction du couvert végétal, du type de sol et de la profondeur. Les analyses isotopiques des solutions sont en cours.
Une nouvelle carte des sols à l’échelle du bassin versant est en cours de finalisation ainsi qu’un nouveau SIG. Les caractéristiques écologiques (flux et concentrations) à l’échelle du site (biomasse, litière, dégradation, prélèvement) est également en cours de finalisation avec des données sur déjà une saison complète. L’ensemble des mécanismes et des flux déterminés et/ou identifiés dans le WP3 va permettre de progresser dans la construction et la calibration des modélisations numériques.

1. Beaulieu, E., Lucas, Y., Viville, D., Chabaux, F., Ackerer, P., Goddéris, Y., Pierret, M-C. 2016. Hydrological and vegetation response to climate change in a forested mountainous catchment. Model. Earth. Syst. Environ. 2 :191.
2. Belfort B., Toloni I., Ackerer P., Cotel S., Viville D. Lehamnn F., 2018. Vadose Zone Modeling in a Small Forested Catchment: Impact of Water Pressure Head Sampling Frequency on 1D-Model Calibration. Geosciences, 8(2), 72; doi.org/10.3390/geosciences8020072
3. Younes A., Zaouali J., Fahs M., Slama F., Grunberger O., Mara T. Bayesian soil parameter estimation: results of percolation-drainage vs infiltration laboratory experiments, submitted to Journal of Hydrology (2018).
4. Pierret M.C., Cotel S., Ackerer P., Beaulieu E., Benarioumlil S., Boucher M., Boutin R., Chabaux F., Dambrine E., Delay F., Fourtet C., Friedmann P., Fritz B., Gangloff S., Girard J.F., Legtchenko A., Viville D., Weill S. and Probst A., in revision, The Strengbach Catchment: a multidisciplinary environmental sentry for 30 years. Vadose Zone Journal
5. Weill, S., Delay, F., Pan, Y., & Ackerer, P. (2017). A low-dimensional subsurface model for saturated and unsaturated flow processes: ability to address heterogeneity. Computational Geosciences, 21(2), 301-314.

L’environnement est soumis à de nombreuses perturbations naturelles ou anthropiques. Comprendre comment il va réagir à court, moyen et long terme en réponse à ces modifications est un enjeu mondial crucial pour gérer et protéger les ressources naturelles. Ce projet s’inscrit dans ce grand défi en se focalisant sur l’avenir des ressources en eau et en sols dans les zones de moyenne montagne. En effet, dans ces régions, la population est alimentée uniquement par les sources de montagne et les forêts constituent souvent une activité économique importante. Or, l’augmentation de la température liée au changement climatique peut entrainer des variations de la recharge et donc de la ressource en eau. De la même manière, la fertilité minérale des sols forestiers est impactée par la sylviculture, la nature des sols et le climat. L’objectif du projet est d’estimer l’évolution de la ressource en eau et de la composition minérale des eaux et des sols jusqu’à la fin de ce siècle.
Nous proposons une méthodologie basée sur : i) un couplage et une combinaison d’outils et d’approches géophysiques, géochimiques et hydrologiques associant modélisations à base physique et observations pour simuler le transport d’eau et de solutés, ii) une application et une calibration de ces modèles sur le Bassin Versant du Strengbach, un environnement granitique et forestiers de 80ha situé dans le massif vosgiens. Ce bassin est le site de l’Observatoire Hydro-Géochimique de l’Environnement (OHGE) où sont suivis en continu des paramètres météorologiques, hydrologiques et géochimiques depuis 1986, ce qui en fait un des sites granitiques équipés les plus anciens dans le monde.
Cette démarche scientifique et ces méthodologies devraient être applicables et adaptables dans d'autres environnements climatiques, écologiques et géologiques.

Ce projet bénéficie d’un parc d’équipements importants en géophysiques acquis grâce à un EQUIPEX (CRITEX : Parc national d'équipements innovants pour l'étude spatiale et temporelle de la Zone Critique des Bassins Versants).
HYDROCRIZSTO s’articulera autour de 4 tâches de travail.
1. Imagerie 3D et monitoring des eaux profondes. La combinaison de plusieurs méthodes géophysiques permettra de construire une structure géométrique 3D des différentes couches lithologiques de surface et en profondeur. Un monitoring temporel par hydro-gravimètrie et RMP permettra de mieux comprendre les caractéristiques hydrologiques.
2. Hydrologie de surface/subsurface et ressource en eau. Les approches géophysiques et géochimiques couplées à une modélisation biosphérique et hydrologique permettront d’améliorer nos connaissances du fonctionnement hydrologique à l’échelle du bassin versant (stock d’eau, chemin de l’eau…)
3. Interactions eau/minéraux/végétation. Les traceurs chimiques et isotopiques, les données minéralogiques et écologiques et des expériences en laboratoire permettront de mieux identifier et comprendre les interactions eaux/roches et de modéliser la signature géochimique des solutions de sol, de deux sources localisées dans le bassin-versant et du ruisseau à l’exutoire.
4. Impact du changement climatique sur les ressources en eau et la fertilité minérale des sols. Les modèles couplés obtenus par WP2 et WP3 seront utilisés pour estimer l'évolution des ressources en eau et la composition minérale du sol jusqu'en 2100.
Les tâches 1, 2 et 3 fonctionnent en synergie avec des allers/retours successifs jusqu’à obtenir une bonne adéquation entre les résultats numériques et les données de terrain.

Le consortium est constitué de 7 instituts de recherche multidisciplinaires, 1 chercheur étranger, 1 bureau d'études privé, un département universitaire dédié à la vulgarisation scientifique et l'ONF. La plupart des équipes impliquées dans ce projet ont déjà travaillé ensemble sur le bassin versant de Strengbach, mais jamais à ce niveau d’interdisciplinarité.