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UNIVERSITÉ DE BOURGOGNE FRANCHE-COMTÉ UFR Sciences Vie Terre Environnement Ecol

UNIVERSITÉ DE BOURGOGNE FRANCHE-COMTÉ UFR Sciences Vie Terre Environnement Ecole doctorale Environnement Santé THÈSE Pour obtenir le grade de Docteur de l'Université de Bourgogne Franche-Comté Discipline : Sciences de la Terre - Hydroclimatologie par Etienne BRULEBOIS - 2016 - Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs Devant le jury composé de : E. Sauquet, DR IRSTEA-CNRS UR Hydrologie-Hydraulique, Villeurbanne Rapporteur M. Vanclooster, Professeur UCL Earth & Life Institute, Louvain-la-Neuve Rapporteur J-M. Soubeyroux, Ingénieur MétéoFrance DSCC,Toulouse Examinateur J.M. Sanchez-Perez, DR CNRS-ECOLAB Toulouse Examinateur P. Amiotte-Suchet, Maître de conférence UB Biogéosciences, Dijon Directeur de thèse M. Ubertosi, Maître de conférence AgroSup Agroécologie Dijon Co-encadrante Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs 3 Couverture : Fosse Dionne à Tonnerre (89), Source de l'Ignon (21), Voûtes de la Colancelle (58) ,la Grosne (71) E. BRULEBOIS - 2016 Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs 4 Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs 5 Remerciements C'est avec un plaisir non boudé que je rédige ces quelques lignes de remerciements. Elles sont primordiales, car de nombreuses personnes m'ont accompagné et soutenu durant ces trois années de thèse. La première est bien-sûr mon directeur de thèse, Philippe Amiotte-Suchet. Merci pour la confiance que tu m'as accordée dès le début, lors de mon stage de M2, pour ta disponibilité, tes conseils et ta bienveillance tout au long de cette thèse. Je dois également remercier les différents membres du jury, pour avoir accepté d'évaluer mon travail. Merci donc à Eric Sauquet et Marnik Vanclooster, les deux rapporteurs, ainsi qu'à José-Miguel Sanchez Perez et Jean-Michel Soubeyroux, tous deux examinateurs. Ce travail est le fruit d'une collaboration avec des équipes de différentes disciplines, notamment dans le cadre du projet HYCCARE. Un grand merci aux climatologues du CRC : Thierry Castel et Yves Richard, pour votre disponibilité et votre contribution importante à ces travaux. Merci Aurélien, pour le boulot monstre que tu as abattu dans des conditions pas toujours faciles. Mais la roue a tourné, bonne route avec ta famille. Merci également aux Agrosupiens : Marjorie Ubertosi, Olivier et Jérémy, dont la contribution à l'implémentation de SWAT m'a été précieuse. Merci à Nicolas Le Moine pour l'expertise sur GR4J, et Marc Philippe pour celle sur les données hydrométriques. Merci également aux HYCCARiennes : Sandrine Petit, Marie-Hélène Vergotte, Elsa Martin, Anne-Cerise Tissot, Delphine de Fornel, et sans oublier Hélène Toussaint, pour votre gentillesse, votre implication, votre intérêt pour nos travaux. Les échanges ont toujours été constructifs au cours des nombreux comités scientifiques. Je n'aurais pas acquis les compétences techniques dans l'utilisation du modèle SWAT sans l'aide des membres d'Ecolab : un grand merci à José et Sabine, qui m'ont accueilli à deux reprises à Toulouse, et aux thésards/post-doc de l'équipe également : Léo (7-1 représente), Laurie, Youenn, Xiaoling, Antoine et les autres. Merci à Mathieu et Jessica, pour votre accueil durant ces séjours toulousains. Je tiens également à remercier les stagiaires : Damien, Lucile, Vincent, Yoann. D'une façon générale, merci à tous ceux qui ont porté un intérêt à ces travaux et apporté leur aide. Merci à mes parents sans qui ce manuscrit comprendrait nombre de coquilles. Merci à Aline et à Carmela, pour l'anglais des deux articles. E. BRULEBOIS - 2016 Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs 6 Un salut aux collègues thésards : Julien et Luca, qui m'ont fait découvrir ce qu'est un thésard en fin de thèse (j'ai gagné, j'ai pas dormi au labo !), Edouard et Christophe (les hipsters), le bureau des filles (Anthony, Jessica, Axelle, Elise), et les climato (Damien, Basile, Florian). Merci à Aurélie et Anne-Sab, qui ont su (admirablement) combler le vide laissé par le départ de mes premiers co-bureaux. Tout mon soutien pour les suivants : Salomé, Margot, Paul l'aristochat… Je suis obligé de citer également une personne qui m'a maintenu en perfusion de sucre (dinosaurus, cocottes, petit beurre, mr freeze, barres glacées…), merci Mathieu, je vais devoir me payer une cure grâce à toi. Merci aussi à tous les autres membres du labo : Olivier (première sortie spéléo dans un trou à 12% d'oxygène, pas banal !), Séb le chasseur d'ours (on retourne quand dans le tube ?), Thomas, Nico (les bières de Climb-Up me paraissent déjà loin!), Alain (pour les adresses IP). En fait, au vu de ces remerciements, je crois que j'aurais mieux fait de remercier le laboratoire dans son intégralité… Mais de nombreuses autres personnes m'ont distrait de ma thèse durant ces trois années. : Agathe et Amandine, et nos discussions philosophiques sur le sens de la vie, Thib le grand médecin, Greg-big-mollets ou **** de buffles, Flo (alias la cloque), Arnaud le grand guerrier, Pierrot le hippie , Pierre le beauf, Loïc le pêcheur… Je dois aussi citer mes nombreux ex- colocs, sans qui ma scolarité n'aurait pas eu la même saveur : Etienne (l'autre), Anthony, Panda, Dieu, le Sudiste et le mannequin/écrivain (même si vous ne payiez pas de loyer ^^). Merci Jacky aussi, tu nous as montré ce qu'on avait pas envie de devenir. Merci Marie (et tous les autres) de m'avoir entraîné sous terre, le p'tiot est autonome maintenant . Merci à mes parents pour leur soutien indéfectible. Cette dernière année, j'ai passé beaucoup de temps dans la belle-famille. Merci à eux de m'accueillir comme ils le font. Le meilleur pour la fin, merci Sarah de m'avoir accompagné et supporté ces derniers mois. Je t'aime. On sort ensemble ? Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs 7 Table des matières Introduction générale ............................................................................................................. 15 Partie A : Contexte et méthodologies ................................................................................... 19 Chapitre 1. Contexte de la thèse ......................................................................................................... 21 1. Le cycle hydrologique ................................................................................................................... 22 2. Le changement climatique ............................................................................................................ 27 3. Impacts observés du changement climatique sur la ressource en eau en France au XXème siècle ........................................................................................................................................................... 29 4. D'autres facteurs occultés par le changement climatique .............................................................. 34 5. Impacts futurs du changement climatique sur la ressource en eau ............................................... 37 6. La Bourgogne, un contexte fragile vis-à-vis de la ressource en eau ............................................. 48 7. Objectifs de la thèse ...................................................................................................................... 51 Chapitre 2. Implémentation de la chaîne de modélisation............................................................... 53 1. Introduction ................................................................................................................................... 55 2. Choix préalables ............................................................................................................................ 55 3. Bases de données nécessaires aux modèles .................................................................................. 75 4. Méthodes de calibration et de validation des modèles hydrologiques ........................................ 104 Synthèse de la partie A ......................................................................................................... 111 Partie B : Test de la chaîne de modélisation hydroclimatique sur le temps présent ...... 113 Chapitre 3. Validation des modèles sur la période de référence ................................................... 115 1. Simulation des débits sur les 13 bassins versants par le modèle GR4J ....................................... 116 2. Simulation des débits sur 3 bassins versants par le modèle SWAT ............................................ 124 3. Simulation de la qualité de l'eau sur 3 bassins versants par le modèle SWAT ........................... 128 Chapitre 4. Robustesse des modèles hydrologiques en contexte de changement climatique ...... 133 1. Introduction ................................................................................................................................. 136 2. Materials and methods ................................................................................................................ 138 3. Results ......................................................................................................................................... 145 4. Discussion ................................................................................................................................... 150 5. Conclusion and perspectives ....................................................................................................... 152 6. Synthèse de l'article ..................................................................................................................... 153 E. BRULEBOIS - 2016 Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la ressource en eau en Bourgogne : aspects quantitatifs et qualitatifs 8 Chapitre 5. Sensibilité du modèle SWAT à la résolution de la base de données sol .................... 155 1. Introduction ................................................................................................................................. 156 2. Méthode d'agrégation de la base de données sol ......................................................................... 158 3. Implémentation et calibration des modèles à partir des trois bases de données.......................... 163 4. Résultats et discussion ................................................................................................................ 165 5. Conclusion .................................................................................................................................. 171 Synthèse de la partie B ......................................................................................................... 173 Partie C : Le changement climatique et ses impacts sur la ressource en eau en Bourgogne ............................................................................................................................. 175 Chapitre 6. Changement climatique observé en France et en Bourgogne ................................... 177 1. Introduction ................................................................................................................................. 181 2. Material and methods .................................................................................................................. 183 3. Results ......................................................................................................................................... 187 4. Discussion ................................................................................................................................... 194 5. Conclusion and perspectives ....................................................................................................... 197 6. Synthèse de l'article ..................................................................................................................... 198 7. Et en Bourgogne ? ....................................................................................................................... 200 Chapitre 7. Projection de la chaîne de modélisation hydroclimatique sur la période 1980-2100 ............................................................................................................................................................. 209 1. Evolution des paramètres hydroclimatiques ............................................................................... 210 2. Evolution des autres composantes du cycle hydrologique .......................................................... 225 3. Evolution de la qualité de l'eau ................................................................................................... 237 4. Synthèse et discussion ................................................................................................................. 243 Chapitre 8. Capacité du modèle SWAT à évaluer les impacts de changements de pratiques agricoles .............................................................................................................................................. 247 1. Introduction ................................................................................................................................. 248 2. Scénarios détaillés ....................................................................................................................... 249 3. Résultats des tests........................................................................................................................ 253 4. Conclusion .................................................................................................................................. 264 Synthèse de la partie C ......................................................................................................... 268 Discussion .............................................................................................................................. 271 Conclusion générale et perspectives ................................................................................... 275 Bibliographie ......................................................................................................................... 279 Annexes ................................................................................................................................. 297 Impacts du changement climatique sur la disponibilité de la uploads/Geographie/ these-etienne-brulebois.pdf