Impact of forest cover evolution on the hydrological behavior of watersheds
Impact de l'évolution du couvert forestier sur le comportement hydrologique des bassins versants
Résumé
This thesis pursues three objectives :to understand the historical roots of the current debate on the hydrological role of forests; to assess the ability of current hydrological tools to detect changes in the hydrological behavior of watersheds; to study the link between hydrological non-stationarity and forest cover evolution in the Massif Central highlands. We reach our first objective through an historical study, in which we focus on the debate between foresters and engineers during the 19th century in France. We interpret this debate using the results of modern hydrology, especially the experimental results that American foresters obtained in the 20th century. Then, we assess the possibilities offered by hydrological models to detect watershed behavior changes : we conduct a sensitivity study, to assess rainfall-runoff model sensitivity to input data (rainfall and PE). Then, we present a series of statistical tests, which aims to identify trends in the hydrological behavior of watersheds. These tests are validated on well-known case studies. Last, we apply these tests to a sample of 63 watersheds in the Massif Central highlands. There appears to be a non-negligible proportion of non-stationary watersheds. Having obtained indicators of forest cover evolution on a sub-sample of 34 watersheds, we look for a possible link with hydrological behavior changes, which would confirm the results obtained on small experimental watersheds. Statistical analysis does not show any significant link, and we conclude that in our study area and at the scale that we investigated (watershed areas between 5 and 90 km²), a gradual evolution of forest cover has no detectable impact on watershed behavior. We show, however, that large non-stationarities only occur in those watersheds with limited forest cover, which leads us to hypothesize that forest may have a buffering role in hydrological changes, even though we could not identify these changes.
Cette thèse poursuit trois objectifs principaux : comprendre l'origine du débat actuel sur le rôle hydrologique des forêts; évaluer la capacité des outils dont nous disposons à détecter des changements dans le comportement hydrologique des bassins versants; étudier le lien possible entre non stationnarité hydrologique et évolution forestière dans le Massif central. Le premier objectif est atteint par une étude historique, où nous nous intéressons en particulier au débat engagé entre forestiers et ingénieurs, qui s'étend sur la totalité du 19ème siècle. Nous interprétons ce débat au travers des résultats expérimentaux obtenus tout au long du vingtième siècle, notamment par les forestiers américains. Nous menons ensuite une réflexion concernant les possibilités offertes par les outils hydrologiques pour détecter les changements du comportement des bassins versants. Cette réflexion s'appuie sur une étude de la sensibilité des modèles pluie-débit à leurs données d'entrée (pluie et ETP). Nous mettons ensuite au point une série de tests de détection de tendances au sein du comportement hydrologique des bassins, que nous validons sur des cas d'écoles issus de la littérature hydrologique. Enfin, nous appliquons ces tests à un échantillon de 63 bassins versants du Massif central, et nous mettons alors en évidence une très forte proportion de bassins versants non-stationnaires. Ayant obtenu des indicateurs d'évolution du couvert forestier pour un sous-échantillon de 34 bassins versants, nous avons recherché un lien avec l'évolution des comportements hydrologiques. Mais l'analyse statistique ne fait apparaître aucun lien significatif, et nous concluons que pour notre zone d'étude et à l'échelle à laquelle nous avons travaillé (bassin de 5 à 90 km²), une évolution graduelle du couvert forestier n'a pas de conséquence détectable sur le comportement hydrologique des bassins versants. Nous montrons cependant que l'occurrence de fortes non-stationnarités est restreinte aux bassins versants peu boisés, ce qui pourrait laisser penser que la forêt a un rôle tampon sur des changements dont l'origine n'a pu être déterminée.