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Y-a-t-il une "dérive hydrologique" en Auvergne?

De Wikibardig

Analyse de chroniques hydrologiques longues (50 ans et plus)

L’évolution à la baisse ou à la hausse des débits des cours d’eau sur le long terme est une question d’actualité dans le contexte des changements climatiques en cours et à venir : cette évolution, qui inclut celle de l’abondance des étiages et de la gravité des crues est en effet de première importance, puisqu’elle conditionne les activités humaines, via la disponibilité plus ou moins grande de la ressource en eau et l’exposition plus ou moins prononcée aux risques d’inondations.

Cette question n’est pourtant pas nouvelle, puisque le grand hydrologue Maurice Pardé l’a abordée brièvement dans sa thèse sur le régime du Rhône en 1925 et a conclu à une stabilité globale des débits du fleuve (aux fluctuations interannuelles près) en étudiant des chroniques de débits et hauteurs de longue durée, couvrant près d’un siècle entre le début du 19ème siècle et le début du 20ème.

Par le travail qui est présenté juste après, nous n’avons donc fait que modestement reprendre une démarche analogue à l’échelle de l’Auvergne, afin de détecter d’éventuelles tendances hydrologiques ainsi que leur caractère significatif ou non.

Sommaire

Contexte et objectifs

En 2007, le Service de l'Eau et du Milieu Aquatique (SEMA) de la DIRection Régionale de l'ENvironnement (DIREN) d'Auvergne, en charge de l'hydrométrie et du suivi du débit des cours d'eau de la région, a cru constater sur les quelques années les plus récentes une baisse marquée du débit de trois petits affluents de rive gauche du Haut-Allier : la Seuge, la Desges et la Cronce.

Afin d'éclaircir la situation, et plus généralement de statuer sur l'existence d'une « dérive hydrologique » (ie. une évolution marquée des débits et bilans hydrologiques des principaux bassins versants de la région dans les dernières décennies), la DIREN Auvergne – SEMA a commandé une étude dans ce sens au Laboratoire Régional de Clermont-Ferrand du CETE de Lyon.
Cette étude a été conduite en deux volets successifs :

  • un premier volet, mené en 2008-2009 et portant sur l'étude de 11 stations hydrométriques contrôlant des surfaces de 65 à 800 km² et réparties sur les principaux bassins versants affluents de la Dordogne (Dordogne, Maronne, Cère) et de l'Allier (Langouyrou, Seuge, Desges, Cronce, Alagnon, Couze Pavin, Dore et Sioule) ;
  • un deuxième volet, mené en 2010-2011 et portant sur trois bassins affluents de la Loire (Lignon du Velay, Dunières, Ance du Nord) ainsi que sur la Tiretaine (petite rivière qui traverse Clermont-Ferrand)

Elle s'inscrit dans une démarche proche de celle de la thèse menée en 2006 par Benjamin Renard (Détection et prise en compte d'éventuels impacts du changement climatique sur les extrêmes hydrologiques en France, INP Grenoble, 2006), certains bassins-versants considérés dans cette thèse ayant été également examinés dans l'étude que nous avons menée pour la DIREN Auvergne.

Choix des bassins-versants

Le choix des bassins-versants étudiés et des chroniques considérées dans l'ensemble formé par les deux volets de l’étude a répondu à trois critères motivés par :

  1. La nécessité de trouver des bassins-versants représentatifs des différents contextes hydroclimatiques et géologiques auvergnats ;
  2. L’obligation de trouver des bassins pour lesquels les variations climatiques sont le facteur prépondérant de l’évolution du débit, c’est-à-dire des bassins peu ou pas influencés par l’homme ;
  3. Le besoin de disposer de chroniques suffisamment longues à la fois sur les débits et les variables climatiques (température, pluviométrie) pour pouvoir dissocier les tendances sur le long terme des simples fluctuations passagères.

La justification de ces critères et surtout l’analyse critique de leur satisfaction sont commentés dans les paragraphes qui suivent.

Trouver des bassins-versants représentatifs des différents contextes hydroclimatiques et géologiques de la région Auvergne

Carte 1: Contexte climatique du Massif Central (d'après la thèse de F. Jubertie, "Les excès climatiques dans le Massif Central", 2006)

Comme on peut le voir sur la Carte 1 ci-contre (à droite), extraite de la thèse de F. Jubertie ("Les excès climatiques dans le Massif Central", 2006), le climat et l'hydrologie du Massif Central et de l'Auvergne en particulier s'organisent en trois groupes hydroclimatiques principaux :

  • Océanique ;
  • Méditerranéen cévenol ;
  • Continental d'abri.


Ces derniers sont liés à la fois aux deux influences dominantes océanique (flux à composante Ouest) et méditerranéenne (flux à composante Sud), et à l'agencement des principaux massifs (Cévennes, Margeride, Cantal, Sancy, Livradois-Forez), lequel engendre des surexpositions aux perturbations pluvieuses de l'une ou l'autre origine (Cévennes, façades Ouest des massifs du Sancy, du Cantal et dans une moindre mesure du Forez) ou au contraire des effets d'abris (massifs intérieurs tels que la Margeride ou le Livradois, Limagnes, bassin d'Ambert).
Au sein de ces trois principaux faciès climatiques qui jouent essentiellement sur les quantités de précipitations reçues et leur répartition dans l'année, il existe également des nuances entre les différents massifs et secteurs de la région, qui dépendent du relief (influence nivale plus ou moins marquée en fonction de l'altitude, pente) et de la géologie (abondance plus ou moins marquée des débits d'étiages [1], intensité des crues...)
Le choix des bassins-versants à étudier a donc été mené de façon à couvrir l'ensemble de ces nuances tout en gardant des surfaces drainées suffisamment faibles (au plus quelques centaines de km² : de 35 km² pour la Tiretaine à 800 km² pour la Dore à Giroux) pour que le faciès climatique puisse y être considéré comme homogène (cf cartes 2 et 3 ci-après).

Carte 2: Bassins versants et postes pluviométriques considérés dans le premier volet de l'étude (2008-2009)
Carte 3: Bassins versants et postes pluviométriques considérés dans le deuxième volet de l'étude (2010-2011)


Se limiter à des bassins-versants à l'hydrologie non ou très peu influencée par les aménagements anthropiques

Ce critère est indispensable pour pouvoir identifier clairement puis étudier les variations de débit dues aux seuls facteurs climatiques. En effet, ces dernières peuvent être perturbées à des degrés divers par les aménagements et prélèvements d'origine anthropique, allant de la simple redistribution des volumes écoulés au cours de l'année (stockage/restitution de débits par un ou plusieurs barrages) à la soustraction d'une part plus ou moins grande du débit (prises d'eau pour l'alimentation en eau potable, l'irrigation, le fonctionnement de centrales hydroélectriques).
Cette exigence a notamment exclu de l'analyse :

  • l'axe Allier à l'aval de Langogne : influence des barrages de Naussac, puis des Fades à l’aval de la Sioule et prélèvements pour l'irrigation estivale non négligeables à partir de Brioude ;
  • la Loire : transferts d'eau importants par turbinage vers le bassin de l'Ardèche via le complexe hydroélectrique de Montpezat (barrages de La Palisse et du Gage) ;
  • la Sioule à l'aval du barrage des Fades ;
  • la Dordogne à l’aval du barrage de Bort-les-Orgues.

L'étude a donc porté plutôt sur des secteurs de tête de bassin versant réputés exempts de tout aménagement hydraulique ou prélèvement significatif. Les seules exceptions sont le Lignon du Velay au niveau du barrage de Lavalette (hydroélectricité et prélèvements pour l'alimentation en eau potable de Saint-Etienne) et de la Tiretaine à Orcines (prélèvements d'eau potable sur les sources de la rivière pour l'agglomération de Clermont-Ferrand) mais pour ces bassins, on a pu disposer de données « naturelles reconstituées » journalières et mensuelles calculées par EDF via la Banque Hydro (Lignon) ou bien des valeurs des débits prélevés sur les sources fournies par la ville de Clermont-Ferrand, permettant de « renaturaliser » les débits journaliers et mensuels observés à la station de jaugeage (Tiretaine à Orcines [Moulin Penny]).

Illustration 1: Débits journaliers "renaturalisés" de la Tiretaine à Orcines (Moulin Penny) 1927-2000 (graphe cumulatif présentant la part des débits résiduels et des prélèvements pour l'eau potable dans le débit naturel total)

Disposer de chroniques suffisamment longues à la fois sur les températures, pluies et débits

Le but étant de détecter d'éventuelles tendances de fond ou ruptures dans le climat et le fonctionnement hydrologique d'un bassin versant, il est indispensable de s'affranchir autant que possible d' « accidents » tels que la sécheresse de telle année ou de tel groupe d'année ou au contraire la fraîcheur des températures et l'abondance pluviométrique et hydrologique de tel autre groupe d'années. Ceci ne peut s'obtenir dans une certaine mesure qu'en disposant pour un même bassin des chroniques suffisamment longues (au moins 50 ans ici), à la fois:

  • pour le débit de la rivière à l’exutoire ;
  • pour une ou plusieurs stations de mesure situées sur ou dans le voisinage immédiat du bassin (soit dans un rayon de 15 km dans notre cas) en ce qui concerne les deux variables climatiques principales qui conditionnent l'hydrologie, à savoir la pluie et la température.

Il importe également, autant que possible, que ces chroniques soient exemptes de lacunes trop nombreuses et ne comportent pas de facteurs de ruptures d'homogénéité tels que des déplacements de station : le déplacement d’un site de mesure, que ce soit pour la pluie, la température ou le débit, induit en effet immanquablement une modification des conditions de mesure et par conséquent une rupture ou une tendance « parasite » dans la série de données, qui se superposent au signal d’origine purement climatique et le brouillent.
Dans l'ensemble, l’objectif de disposer de chroniques homogènes et avec le minimum de lacunes sur une durée d’au moins 50 ans a pu être tenu pour les débits, hormis pour la Desges et la Cronce (chroniques de débit ne commençant qu'en 1970 et comportant de nombreuses lacunes), et dans une moindre mesure sur la Maronne à Sainte-Eulalie (chronique commençant en 1934 mais déplacement de la station en 1996) et sur la Sioule à Pontgibaud (chronique commençant en 1965).
Pour les pluies et les températures, bien que les chroniques longues (au moins 50 ans) et d'un seul tenant soient relativement rares, nous avons pu en trouver, pour chaque bassin considéré, au moins une pour les pluies comme pour les températures. Elles ont permis un recouvrement quasiment complet de la chronique de débit et, ainsi, de mettre directement en relation les variations climatiques et hydrologiques pour tous les bassins étudiés a minima sur les 50 à 60 dernières années (1957-2007 pour les sous-bassins de l'Allier et de la Dordogne, 1948-2011 pour les sous-bassins de la Loire en Auvergne (Lignon du Velay, Ance du Nord et Dunière), voire 1927-2006 pour la Tiretaine et ses sources).


Analyse des chroniques

Analyse visuelle des variations annuelles et des moyennes mensuelles

Une grande partie de l'analyse a consisté à visualiser et comparer des chroniques :

  • de valeurs annuelles ou glissantes sur 10 ans (pour une saison donnée ou pour l'ensemble de l'année hydrologique – du 1er septembre de l'année N-1 au 31 août de l'année N, pour s'affranchir des phénomènes de rétention et fonte nivale), telles que celles présentées pour la Tiretaine (Illustration 1) ou ci-dessous pour les températures en plusieurs endroits de la région Auvergne ;
  • de moyennes mensuelles (représentation habituelle du régime hydrologique ou pluviométrique moyen) sur plusieurs décennies successives pour détecter d'éventuelles tendances d'évolution des régimes hydrologique et pluviométrique.

Cette analyse visuelle, donc en partie subjective, a pu être ponctuellement complétée dans le cadre du premier volet de l'étude (2008-2009) par une analyse plus objective matérialisée par des tests statistiques confiés au Cemagref (aujourd'hui Irstea) de Lyon et portant aussi bien sur les précipitations que sur les débits (tests de détection de tendances ou de ruptures sur séries individuelles ou à échelle régionale identiques à ceux utilisés dans la thèse de Benjamin Renard (Détection et prise en compte d'éventuels impacts du changement climatique sur les extrêmes hydrologiques en France, INP Grenoble, 2006).

Illustration 2: Températures moyennes annuelles 1958-2007 (années hydrologiques) de 6 postes auvergnats

Mise en relation des variations climatiques (pluies+températures) et hydrologiques (débit)

L'analyse séparée, essentiellement visuelle, des chroniques a permis d'en saisir individuellement les principales tendances (ou absences de tendance...) sans permette à ce stade de relier les éventuelles tendances détectées sur les pluies et les températures à celles constaté sur les écoulements.
Un premier niveau d'analyse comparant les régimes pluviométriques et hydrologiques de plusieurs décennies successives a permis de relier qualitativement les variations constatées sur les pluies à celles observées sur les débits, à la fois en termes de quantité et de répartition saisonnière.
Un deuxième niveau d’analyse a consisté à relier directement la température et les précipitations aux débits via l'équation du bilan hydrologique.
En effet, sur une période donnée (année, décennie...) et en l'absence de pertes au profit de bassins voisins ou au contraire de résurgences provenant de bassins limitrophes, ce bilan hydrologique peut s'écrire :

P = E+D = E + ETR + ΔS

avec :

  • P = quantité de précipitations (en mm) ;
  • E = écoulement à l'exutoire du bassin (= volume écoulé par la rivière, converti en mm) ;
  • D = déficit d'écoulement (en mm) ;
  • ETR = évapotranspiration réelle (en mm) ;
  • ΔS = variation des niveaux des eaux souterraines du bassin (nappes phréatiques, converti en mm).

À l'échelle de plusieurs années, ou à l'échelle annuelle si la variation des niveaux des nappes du bassin-versant est très faible par rapport aux précipitations, à l'écoulement et à l'ETR, on peut négliger le terme ΔS et simplifier l’équation précédente du bilan hydrologique :

P = E+D = E + ETR soit D = ETR et E = P-ETR

Comme l'ETR peut être exprimée en fonction de la température et des précipitations (ETR=f(P,T)), via des formules semi-empiriques telles que celle de Turc ou de Coutagne utilisées dans l'étude, il devient alors possible de calculer directement un écoulement théorique, à l'échelle annuelle ou pluri-annuelle.
C'est précisément cette démarche qui a été appliquée à partir des postes pluviométriques et thermométriques supposés représentatifs (ie. situés à l'intérieur ou à moins de 15 km) de chaque bassin étudié, moyennant un coefficient correctif appliqué à la pluviométrie visant à obtenir par le calcul sur l'ensemble de la période étudiée la même lame d'eau écoulée moyenne annuelle que celle déduite directement des observations de débit.
Un exemple d'une telle comparaison de lames d'eau écoulées observées (déduites des débits) et calculées d'après la pluviométrie et les températures figure ci-après (Illustration 3) pour le bassin de la Dunières à Sainte-Sigolène [Vaubarlet] (43), pour un bassin d'une surface de 228 km².

Illustration 3: Comparaison des lames d'eau écoulées annuelles (année hydrologique) observées et calculées d'après la pluviométrie et la température sur le bassin de la Dunières à Sainte-Sigolène [Vaubarlet] (43) entre 1948 et 2011

Ce type de comparaison a permis de confirmer que les variations de débit observées étaient bien cohérentes avec les fluctuations climatiques.

Principaux résultats et tendances relevés

Tant l'analyse visuelle des chroniques que les quelques tests statistiques réalisés sur les pluies et débits révèlent finalement peu ou pas de tendances significatives.
À ses fluctuations interannuelles parfois importantes près, la pluviométrie est globalement stable sur les cinquante dernières années, tant pour son cumul que sa répartition saisonnière, même si sur ce dernier point semble se dessiner une très légère tendance à une diminution des pluies d'été (mai à septembre) et une tout aussi légère augmentation des pluies le reste de l'année (tendance non révélée de manière objective et tangible par les tests statistiques de stationnarité).

Pour les débits, on constate une baisse légère (surtout en été), plus significative que pour les pluies et plus particulièrement visible sur quelques stations. Cependant, pour ces dernières, l'accentuation de la tendance à la baisse par rapport à l'ensemble de l'échantillon tire en grande partie son origine de facteurs d'ordre hydrométrique (instabilité de la courbe de tarage sur la Desges à Chanteuges, déplacement de la station un peu plus en amont en 1996 pour la Maronne à Sainte-Eulalie...).

Les pluies étant globalement stables, comme on vient de le voir, cette baisse des débits doit être reliée à la hausse des températures (saut de 1 à 1,5 °C) constatée de manière claire depuis la fin des années 1980. En effet, de manière tout à fait logique, autant de pluie dans une ambiance plus chaude entraîne plus d'évaporation et moins d'écoulement.

En conclusion :

Les tendances déjà observées sur les pluies, les débits et les températures en Auvergne semblent révéler l'amorce des changements annoncés pour les décennies à venir en France (hors zone méditerranéenne) en lien avec le réchauffement climatique :

  • Des températures en hausse ;
  • Pas de tendance claire quant aux cumuls totaux de précipitations mais une répartition saisonnière modifiée avec davantage de pluie l'hiver et moins l'été ;
  • Des débits moyens orientés à la baisse (plus d'évaporation) et une tendance à l'accentuation des différences entre les hautes eaux d'hiver (stables ou en hausse) et les basses eaux estivales (en baisse).

Pour autant, comme le montrent les chroniques les plus longues dont on dispose, les événements extrêmes (crues et sécheresses) ne semblent pas marquer d’aggravation sensible. Pour les crues, on peut remarquer que sur l’Allier et sur la Loire, on n’a plus vécu depuis longtemps, même en décembre 2003 et novembre 2008, des crues comparables aux trois cataclysmes bien connus de 1846, 1856 et 1866. Pour les sécheresses et les étiages, les années 1976 et 2003[2] ont au plus égalé en intensité mais certainement pas en durée la grande sécheresse de la fin des années 1940 (1945-1949), qui a vu les débits de tous les cours d'eau français tomber à la moitié de leurs débits moyens habituels et la Dore, l'Allier et la Loire s'effondrer fin août 1949, la première à moins de 200 l/s à Giroux, le second à 5 m3/s au Bec d'Allier et la troisième à guère plus de 10 m3/s à Orléans.
Il ne faut pas non plus perdre de vue que, comme le montrent les tests statistiques qui ont été effectués dans le premier volet de l’étude sur les pluies et les débits, les évolutions statistiquement significatives de l’hydrologie auvergnate sont peu nombreuses. On ne peut donc écarter totalement le fait qu’elles soient l’expression de fluctuations passagères plus marquées par endroits dans un contexte de stabilité globale.
Tout ceci doit être relié au peu de recul d'un point de vue climatologique qu’offrent, malgré leur longueur, les chroniques considérées. 50 à 60 ans de données, parfois jusqu’à 80 ans, cela représente certes beaucoup d’années à l’échelle d’une vie humaine et on ne peut de toute façon pas faire beaucoup mieux sur une majorité de bassins versants français de la taille de ceux étudiés en Auvergne, mais cela reste hélas très peu de choses, quasiment un instantané, à l’échelle climatique. Seule la prolongation et l’analyse des chroniques hydrologiques dans les prochaines décennies seront donc en mesure de confirmer ou non les évolutions entrevues dans notre étude pour les rivières auvergnates.

Notes et références

Notes

  1. Opposition par exemple entre les formations volcaniques du Cantal imperméables et peu propices à la formation de réserves aquifères importantes et celles du massif du Sancy ou de la Chaîne des Puys, au comportement inverse, d'où pour la Cère à Vic/Cère (88 km²) issue du Cantal et la Dordogne à Saint-Sauves (87 km²) issue du Sancy, à pluviométrie moyenne annuelle égale en quantité (autour de 1700 à 2000 mm) et répartition saisonnière et à module égal (3,5 à 4m3/s), des étiages trois fois plus faibles pour la première que pour la seconde (QMNA5 d'environ 0,32 m3/s ou 3,6 l/s/km² pour la Cère contre 0,99 m3/s ou 11,4 l/s/km² pour la Dordogne).
  2. En 2003, l'Allier et la Loire ont bénéficié du soutien d'étiage respectivement depuis les barrages de Naussac et Villerest. Ce soutien à empêché les débits de tomber au-dessous de 19 m3/s pour l'Allier au Bec d'Allier et de 50 m3/s pour la Loire à Gien, près d'Orléans. Sans les lâchers d'eau depuis les deux barrages, le débit serait descendu pour chacun des deux cours d'eau à des valeurs comparables à celles d'août 1949.

Bibliographie

AUDOUY J-N : Dérive hydrologique en Auvergne – étude de 11 bassin-versants, CETE de Lyon – Laboratoire Régional de Clermont-Ferrand, affaire n°63/07/19579, Octobre 2009
AUDOUY J-N : Dérive hydrologique en Auvergne (complément) – Bassins de la Tiretaine et de la Loire auvergnate, CETE de Lyon – Département Laboratoire de Clermont-Ferrand, affaire n°63/08/20187, Octobre 2011
JUBERTIE F. : Les excès climatiques dans le Massif Central français : l'impact des temps forts pluviométriques et anémométriques en Auvergne, thèse de doctorat de géographie, Université Clermont-Ferrand 2, 2006
RENARD B. : Détection et prise en compte d'éventuels impacts du changement climatique sur les extrêmes hydrologiques en France, INP Grenoble, 2006


Le créateur de cet article est Jean-Nicolas Audouy
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