Télédétection du manteau neigeux et modélisation de la contribution des eaux de fonte des neiges aux débits des oueds du haut atlas de Marrakech

· Introduction générale

La neige peut couvrir à chaque instant une surface d'environ 44% de la surface terrestre (Foster et Rango, 1982) et 53% de la surface de l'hémisphère Nord. On peut distinguer deux types d'évolution de la couverture neigeuse: une couverture permanente et une couverture saisonnière. Généralement les couvertures neigeuses saisonnières ne durent pas longtemps et commencent à fondre à partir de la fin du printemps jusqu'à l'été, alors que les couvertures neigeuses permanentes persistent plusieurs années. Ces dernières se trouvent principalement dans les régions Antarctiques et Groenland. Le volume d'eau stocké au dessus de la surface terrestre sous la forme de glace et de neige constitue environ 68% de l'eau douce de la planète (Shiklomanov, 1990).

Dans les zones arides et semi-arides, les précipitations en montagne sont souvent la principale source d'eau pour les populations vivant en aval. Les régions montagneuses jouent de ce fait un rôle primordial car elles permettent l'alimentation en eau des régions avoisinantes et contribuent d'une manière significative à la recharge des nappes souterraines et des barrages. C'est le cas du Maroc, qui se caractérise par de hautes altitudes de ses puissantes chaînes montagneuses. Ces dernières occupent le Nord et le centre du territoire marocain. La chaîne du Haut Atlas s'étend du sud-ouest au nord-est, et comporte plusieurs sommets de plus de 3500 m dont certains dépassent 4000 m. Son point culminant se situe au Jbel Toubkal à 4165 m. Le Moyen Atlas, plus au Nord, compte également des sommets dont l'altitude varie entre 2700m à 3300 m. A l'extrême nord du Maroc la chaîne du Rif, avec son versant nord plongeant dans la mer Méditerranée, culmine à 2456 m. L'Anti-Atlas, au sud du Haut Atlas, atteint des altitudes dépassant 2500m. Ces montagnes constituent un véritable château d'eau grâce à l'augmentation des précipitations sous l'effet de l'altitude. Une part importante de ces précipitions tombe sous forme de neige. A cet effet, une quantité d'eau douce reste stockée temporairement sous forme de neige avant d'être restituée à travers les écoulements de surface pendant la période de fonte.

Au Maroc, peu de recherches ont été menées sur l'importance de la neige dans le bilan hydrique des régions avoisinantes des montagnes. La première étude du manteau neigeux dans le Haut Atlas à commencé en 1989 avec le programme « Al Ghait : Morocco Winter Snowpack Augmentation Project », Programme de coopération entre le Royaume du Maroc et les Etats-Unis (Matthews, 1989). Dans ce cadre, Abidi (1989) a réalisé une modélisation des débits dans le bassin versant de Tillouguit (2544 km²) à l'aide du modèle SRM « Snowmelt Runoff Model ». Les surfaces de neiges utilisées à l'entrée de SRM sont issues de deux capteurs : Landsat Multispectral Scanner (MSS) et Advanced Very High Resolution Radiometer (NOAA/AVHRR). Dix ans plus tard, deux grands projets de recherche dans le secteur de la gestion des ressources en eau ont été initiés dans deux grands bassins versants du Haut Atlas. Le premier projet est intitulé GLOWA-IMPETUS, qui a débuté en 2000, il a pour but de développer des solutions pour les défis exceptionnels présentés par les conséquences régionales du changement écologique global pour les utilisateurs et les gestionnaires des ressources en eau dans deux bassins versants au Bénin et au Maroc ( http://www.impetus.uni-koeln.de). Le bassin marocain choisi par ce projet est le bassin versant de Drâa (28428 Km²), situé sur le versant sud du Haut Atlas autour de la ville d'Ouarzazate. Le second projet, SUDMED ( http://www.irrimed.org/sudmed/presentation/), lancé en 2002, s'est concentré dans le bassin versant de Tensift (20450 km²), situé sur le versant Nord du Haut Atlas, aux alentours de la ville de Marrakech. Il s'agit d'un programme de coopération Franco-marocain, qui a pour objectif de développer les méthodologies permettant d'intégrer les informations de terrain, les mesures satellites et les modèles physiques pour documenter, comprendre et prévoir l'évolution hydro-écologique du bassin versant du Tensift en vue d'une gestion durable (Chehbouni et al., 2003; Chehbouni et al., 2008). Le présent travail de recherche rentre dans le cadre de ce programme. Dans le cadre de ces deux projets, on note quelques études concernant le manteau neigeux. Il s'agit essentiellement de cartographier les surfaces de neige à l'aide des données de télédétection. Les images issus des capteurs SPOT VEGETATION, Landsat TM (Thematic Mapper) et MODIS on été utilisées (Hanich et al., 2003; Chaponnière et al.,2005 ; Schulz et De Jong, 2004; Leroux, 2006 ; Boudhar et al., 2007). Dans le cadre d'IMPETUS, des travaux sur la modélisation de la fonte des neiges (Schulz et De Jong ,2004) ont été effectués afin de quantifier la part de la sublimation dans la perte de l'eau de la neige dans les versants Sud à l'aide d'un modèle de bilan d'énergie. Ainsi, Boudhar et al., 2009 ont effectué une quantification des apports dus à la fonte des neiges dans cinq sous bassins versants du Haut Atlas de Marrakech.

L'alimentation en eau de la ville de Marrakech et des périmètres irrigués de la plaine du Haouz se fait exclusivement à partir du château d'eau atlasique. En période estivale notamment, une large part de la recharge des barrages et des nappes souterraines situées en aval est issue de la fonte des neiges à la fin du printemps. Sous l'effet conjugué de l'augmentation de la demande en eau (due à l'expansion des périmètres irrigués, à la démographie et au développement du tourisme) et la réduction des ressources (sécheresse passagère et/ou liée aux changements environnementaux), les ressources en eau connaissent une forte exploitation. Devant cette situation, la gestion durable de ces ressources est une priorité pour les autorités de la région et du pays. C'est dans cet objectif général de la caractérisation des ressources hydriques de la région de Tensift que nous avons entrepris cette thèse. Ce travail s'est déroulé au sein du centre de recherche sur l'eau en milieu aride et semi aride (CREMAS^1(*)) à la FST de Marrakech en collaboration avec le CESBIO^2(*) à Toulouse dans le cadre du projet de recherche franco-marocain SUDMED. Ce projet a été lancé en 2002 en collaboration avec le CESBIO et l'UCAM^3(*) avec l'appui des organismes régionaux chargés de la gestion des ressources hydro-agricoles dans le bassin de Tensift (ORMVAH^4(*) et ABHT^5(*)). Ainsi que le support du PAI (Programme d'Action Intégrée du Comite Mixte Interuniversitaire Franco-Marocain, `Volubilis' MA/06/148).

Parallèlement à la rationalisation de la gestion de l'eau pour l'irrigation, qui consomme à elle seule 85% des ressources en eau mobilisables dans le bassin, une meilleure caractérisation des ressources en eau disponibles en amont est nécessaire. Pour cela, il est important d'étudier les différents processus du manteau neigeux du Haut Atlas afin de quantifier le stock de neige existant et de prévoir les volumes d'eau qui seront disponibles lors de la fonte.

L'objectif de cette thèse est de comprendre la dynamique spatio-temporelle du manteau neigeux en utilisant les données issues de la télédétection, analyser les processus de l'accumulation et de la fonte des neiges dans le Haut Atlas à l'aide des mesures in-situ, modéliser ces processus à l'échelle spatiale (bassin versant), dans le but de prédire la contribution de la fonte des neiges au débit des oueds du Haut Atlas de Marrakech.

Pour atteindre cet objectif, nous avons suivi une approche méthodologique basée sur la combinaison des données expérimentales estimées in situ manuellement ou à l'aide des stations météorologiques, et des données satellitaires. Ces données ont été ensuite assimilées dans un modèle hydrologique afin d'estimer l'apport des eaux de fonte aux débits ( Figure ý0). Les axes de recherche sur lesquels s'appuie ce travail sont:

i- Mesures de terrain : La première étape consistait en la mise en place d'un protocole expérimental limité au sous bassin versant de Rheraya, sous bassin montagneux pilote du projet SUDMED. Le réseau de mesures météorologiques présent dans la zone a été renforcé par l'installation des stations climatiques. Ces dernières enregistrent automatiquement les différents paramètres climatiques à des pas de temps plus courts (30 min). A l'incertitude sur le forçage climatique s'ajoute une large incertitude sur les débits observés : avec un seul jaugeage par mois en moyenne, il est très difficile de suivre l'évolution des barèmes lors de la divagation des oueds après un épisode de pluie particulièrement violent. Afin d'améliorer la précision de la relation pluie-débit, mais aussi de la partition pluie/neige, les mesures hydrométéorologiques (et nivologiques) ainsi que la mesure des débits ont été renforcés pour une année hydrologique test (sept. 2007- août. 2008). Au cours de cette saison, nous avons aussi procédé à des mesures des densités et des hauteurs du manteau neigeux dans le plateau d'Oukaimden.

ii- Observation satellitaire : Au cours de cette étude, deux principales applications ont été réalisées à l'aide de l'imagerie satellitaire. La première est la cartographie de la couverture neigeuse et l'étude de sa dynamique spatio-temporelle à l'échelle du Haut Atlas de Marrakech. Cela a été fait en utilisant des séries d'images issues des capteurs SPOT VEGETATION et MODIS couvrant la période (de 1998 à 2006). La seconde application des données de télédétection est la spatialisation de la température de l'air avec des données d'infra rouge thermique de l'instrument Landsat ETM+. Cela a pour but de corriger l'effet de la faiblesse du réseau climatique pour spatialiser le modèle de fonte de la neige.

iii- Modélisation : Deux types de modèles ont été utilisés dans ce travail. Un modèle de fonte de neige, simple dit « degré jour » et un autre complexe à base physique « ISBA-ES ». Ils sont utilisés pour comprendre les processus d'ablation (fonte et sublimation) et d'accumulation des neiges. Ces modèles sont validés avec les données enregistrées par la station nivale d'Oukaimden et celles échantillonnées manuellement lors des compagnes de mesures. Le deuxième modèle testé dans ce travail est le modèle hydrologique SRM  (Snowmelt Runoff Model) qui utilise en entrée les données des surfaces de neige obtenues par la télédétection. Il est appliqué à l'échelle des cinq sous bassins versants atlasiques afin d'estimer la contribution du manteau neigeux aux débits des cours d'eau.

Ce mémoire est subdivisé en trois parties :

La première partie est consacrée à la présentation du contexte d'étude, des données et d'une synthèse bibliographique sur la modélisation hydrologique et la télédétection. Elle est composée de deux chapitres. Le chapitre I est réservé à une synthèse bibliographique sur la télédétection et la modélisation hydrologique. Dans le chapitre II  nous avons présenté la zone d'étude avec son contexte général, climatique et hydrologique. Nous avons également présenté et analysé les données hydrométéorologiques et satellitaires.

La deuxième partie est réservée aux travaux liés à l'utilisation de la télédétection pour la spatialisation des observations (Surface d'enneigement et température de l'air). On présente dans le chapitre III la méthodologie et les différentes analyses et traitement effectués pour suivre la dynamique spatio-temporelle du manteau neigeux dans le Haut Atlas de Marrakech. Pour cela, Les produits issus des deux capteurs VEGETATION et MODIS ont été utilisés. Dans le chapitre IV, on présente la méthodologie suivie pour spatialiser la température de l'air à l'aide des données infrarouge thermique Landsat ETM+ et les résultats obtenus.

La troisième partie est consacrée à la modélisation.

Les travaux de modélisation des processus de fonte des neiges à l'échelle locale, au niveau du site d'Oukaimden,  et spatiale, au niveau du sous bassin versant de Rheraya, sont présentés dans le chapitre V. Les deux modèles, simple « degré jour » et à base physique « ISBA-ES » sont utilisés. Le chapitre VI est réservé à l'étude de la contribution de la fonte des neiges aux débits des oueds des cinq sous bassins versants atlasiques à l'aide du modèle hydrologique de fonte « SRM ».

A la fin de ce mémoire, nous conclurons ce travail en proposant des perspectives.

Figure ý0: Synthèse de l'approche méthodologique utilisée dans ce travail pour étudier la neige dans le Haut Atlas de Marrakech. Les questions clés posées sont: Où sont les zones neigeuses? Qu'en est-il de ces propriétés locales dans le temps (densité, hauteur...) ? - Quelle quantité de neige ou de pluie en général est disponible? Les réponses de ces questions sont apportées à l'aide de la télédétection, des mesures climatologiques, hydrologiques et mesures sur le terrain et par la modélisation.

* 1 ^_ Centre de Recherche sur l'Eau en Milieu Aride et Semi Aride : Equipe associée à l'IRD

* 2 ^_ Centre d'Etudes Spatiales de la BIOsphère

* 3 ^_ Université Cadi Ayyad de Marrakech

* 4 ^_ Office Régional de Mise en Valeur Agricole du Haouz

* 5 ^_ Agence du Bassin Hydraulique du Tensift