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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/280316786 Évaluation de l’impact de l’urbanisation sur la réponse hydrologique de 172 bassins versants américains Article in La Houille Blanche · July 2015 DOI: 10.1051/lhb/20150033 CITATIONS 4 READS 328 4 authors, including: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Changes of Andean glaciers View project AVuPUR View project Bahar Salavati SNCF 15 PUBLICATIONS 117 CITATIONS SEE PROFILE C. Furusho French National Institute for Agriculture, Food, and Environment (INRAE) 64 PUBLICATIONS 457 CITATIONS SEE PROFILE Pierre Ribstein Sorbonne Université 193 PUBLICATIONS 4,410 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Bahar Salavati on 24 July 2015. The user has requested enhancement of the downloaded file. La Houille Blanche, n° 3, 2015, p. 51-57 DOI 10.1051/lhb/20150033 51 DOI 10.1051/lhb/20150033 Évaluation de l’impact de l’urbanisation sur la réponse hydrologique de 172 bassins versants américains Bahar SALAVATI1, Ludovic OUDIN 1, Carina FURUSHO2, Pierre RIBSTEIN1 1. Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, CNRS, EPHE, UMR 7619 Metis, 4 place Jussieu, 75005 Paris, France. Bahar.salavati@upmc.fr 2. Irstea, 1 rue Pierre‑Gilles de Gennes CS 10030, 92761 Antony Cedex‑ France RÉSUMÉ. – L’anthropisation a de multiples impacts sur les réponses hydrologiques des bassins versants. Ces impacts sont difficiles à quantifier à l’échelle spatiale du bassin versant et les résultats de la littérature sur ce sujet sont assez disparates. L’objectif de cette étude est de faire le lien entre la proportion des surfaces urbaines actuelles (considérées comme moins perméables) et l’évolution des réponses hydrologiques des bassins versants. Ceci pose un important problème lié à la relation entre la variabilité du climat et celle de la réponse hydrologique des bassins. Pour ce faire, le modèle hydrologique GR4J a été utilisé. Cette étude est basée sur l’analyse de 104 bas­ sins versants urbains et 68 bassins non‑urbains aux États‑Unis. Le débit et la pluie journalière des bassins étudiés ont été collectés pour des périodes de 30 à 70 ans selon les bassins. Dans cette méthode, seul le jeu de paramètres du modèle change d’une période de 5 ans à l’autre et la totalité de la chronique de débit est reconstituée à chaque fois, ce qui permet de s’affranchir de la variabilité du climat entre les périodes de 5 ans. Les premiers résultats montrent que les caractéristiques hydrologiques analysées ne présentent pas de tendance significative pour une majorité de bassins versants urbains et que la proportion de bassins avec tendance significative est relativement similaire pour les bassins urbains et non‑urbains. Ces résultats doivent être analysés également en fonction de l’évolution historique de l’occupation de sol. Mots‑clés : Urbanisation, GR4J, modélisation hydrologique, occupation du sol, climat, non‑stationnarité des paramètres Urbanization impact assessment on catchments hydrological response over 172 watersheds in USA ABSTRACT. – Urbanization and people concentration are suspected to have multiple impacts on the catchments hydrological response. Hydrologically‑relevant metric of land‑use change and climate variability identification still remain an open scientific question. Besides, at the catchment‑scale, urbanization impacts on flow are not easy to quantify and previous studies results appear quite disparate when assessing these impacts. The objective of this study is to investigate potential changes in catchments hydrological responses for the current urban surfaces (considered as less permeable). To this aim, the GR4J model, a conceptual daily 4‑parameter hydrological model, was used to simu­ late discharge. In this study, 104 urban catchments and 68 non‑urban catchments in the United States were selected. Streamflow and rainfall data were collected with periods of 30 to 70 years. Ensemble of model parameter sets were calibrated for a sequence of 5 years sub‑periods and a simulation is performed with each set of parameters using the entire record period. Results showed that a majority of catchments did not present a significant trend over the record period for the hydrological properties analysed on the studied period for urban and non‑urban catchments. Key‑words: Urbanization, GR4J, hydrological model, land‑use, climate, non‑stationary parameters I.  INTRODUCTION I.1.  Contexte Les ressources en eau étant essentielles pour la vie humaine, la population ne cesse de croître près des rivières. L’anthropisation des vallées et des versants est susceptible de modifier le régime d’écoulement ainsi que la qualité de l’eau [Roesner et Bledsoe, 2003 ; Kauffman et al., 2009]. Les impacts souvent cités de l’urbanisation sur la réponse hydrologique des bassins sont : la diminution du temps de réaction des bassins, la diminution de la recharge des nappes en raison de l’expansion des surfaces imperméables et des pompages des eaux souterraines, et enfin l’augmentation des débits de pointe lors de crues en raison de l’imperméa­ bilisation des versants [Shaw, 1994 ; Booth et al., 2002 ; Warburton et al., 2012 ; Braud et al., 2013]. Cependant, ces impacts restent difficiles à généraliser et les résultats de la littérature sont assez disparates lorsque l’on s’intéresse à l’échelle spatiale du bassin versant de quelques dizaines à quelques centaines de km². Ces résultats disparates mettent en évidence la variabilité des configurations de l’usage de l’eau dans la ville, mais peuvent provenir soit de la qua­ lification et de la quantification incertaine de l’urbanisa­ tion, soit des différences méthodologiques employées par les auteurs pour évaluer ces impacts. I.2.  Problématique et questions scientifiques associées Cette étude vise à quantifier le rôle de l’urbanisation sur la réponse du bassin versant en étudiant un large échantillon 52 DOI 10.1051/lhb/20150033 La Houille Blanche, n° 3, 2015, p. 51-57 de bassins versants, ceci dans le but de déterminer si des conclusions générales peuvent être énoncées sur les ques­ tions suivantes : 1. Dans quelle mesure le comportement des bassins versants est affecté par l’urbanisation ? 2. Comment qualifier l’urbanisation du point de vue de l’impact hydrologique ? 3. Comment différencier l’effet de l’urbanisation de celui de la variabilité climatique ? Le principal objectif de cette étude est de relier la propor­ tion des surfaces urbaines à l’évolution des réponses hydrolo­ giques de bassins versants. Ceci pose un important problème lié au lien ténu entre la variabilité du climat et celle de la réponse hydrologique des bassins. Pour pallier cette diffi­ culté, un modèle hydrologique est utilisé, permettant de syn­ thétiser le comportement dynamique du bassin versant d’une manière relativement insensible à la variabilité climatique. I.3.  Revue bibliographique Il ne semble pas y avoir de consensus sur l’impact de l’ur­ banisation sur les différents éléments de la réponse hydrolo­ gique à l’échelle des bassins versants. Par exemple plusieurs études ont montré que l’urbanisation diminue la recharge des nappes [Rose et Peters, 2001 ; Meyer et Wilson, 2002 ; Kauffman et al., 2009 ; Rozell, 2010], d’autres ont montré une augmentation des débits de base des rivières de bas­ sins urbanisés [Meyer et Wilson, 2002 ; Konrad et Booth, 2005]. Ces résultats disparates obtenus dans la littérature peuvent l’être soit parce que l’impact de l’urbanisation est très variable selon le cas d’étude, soit aussi en raison des différentes façons de quantifier l’urbanisation. Il existe deux moyens de quantifier l’urbanisation [Pomeroy, 2007] : idéalement, le taux de surface imperméa­ bilisée est utilisée [Schueler, 1994 ; Bosch et al., 2003] ou à défaut, la densité de population peut constituer une donnée alternative plus accessible pour étudier l’effet de l’urbanisa­ tion sur la réponse hydrologique des bassins versants [e.g. DeWalle et al., 2000]. II.  METHODOLOGIE II.1.  Données Pour étudier l’effet de l’urbanisation sur la réponse hydrologique, 172 bassins versants des États‑Unis ont été sélectionnés (Figure 1). Cet échantillon de bassins versants comprend des bassins versants urbains et non urbains, dans le cadre d’une approche comparative. Les données de débit ont été collectées auprès de l’USGS pour des périodes de 30 à 70 années. Les données jour­ nalières de 3450 stations pluviométriques des États‑Unis ont été collectées auprès de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) afin de calculer des pluies spatiales de bassins. Les bassins avec un temps de réaction inférieur à un jour ont été enlevés afin de pouvoir estimer des débits de pointe à partir des débits journaliers. Les cartes d’occupation de sol utilisées sont tirées de la National Land Cover Database (NLCD) pour l’année 2006. Cette base de données a été utilisée pour déterminer si un bassin est urbanisé ou non. Pour cela, nous avons défini un seuil sur le taux de surfaces urbaines par bassin. La valeur de ce seuil a été choisie à 10 %, ce choix étant justifié par les valeurs souvent retenues dans la littérature, typi­ quement entre 5 et 30 % [Schueler, 1994 ; Brun et Band, 2000 ; Department of Natural Resources, 2005 ; Yang et al., 2010]. En conséquence, 104 bassins urbanisés et 68 bassins non‑urbanisés ont été sélectionnés. II.2.  Méthodologie générale et modèle hydrologique Nous avons suivi deux méthodes pour analyser le compor­ tement d’un bassin versant en réponse à des conditions non stationnaires d’occupation de sol. La première méthode est tout à fait classique : elle consiste à utiliser les chroniques de débit observé et de déterminer l’évolution des caractéristiques hydrologiques en découpant la chronique totale en différentes sous‑périodes. Ensuite, uploads/Litterature/impact-2.pdf

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littérature bassins tendances versants caractéristiques hydrologique
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