Caractérisation des interactions entre flux souterrains et superficiels dans un bassin andin en fonction de la variabilité spatio-temporelle du climat

Characterization of the interactions between subterranean and superficial fluxes within an Andean catchment as a function of the spatio- temporal variability of climate

¹ Université Montpellier 2 - UMR HydroSciences Montpellier, Place E. Bataillon, 34395 Montpellier Cedex 5, France
e-mail : herve.jourde@um2.fr
² CNRS - UMR HydroSciences Montpellier, Place E. Bataillon, 34395 Montpellier Cedex 5, France
³ CEAZA, Colina El Pino, Universidad La Serena, La Serena, Chile
⁴ Departamiento Ingeniería de Minas Universidad La Serena, La Serena, Chile

Résumé

Dans la région semi-aride du Norte Chico (Chili), la variabilité climatique induit une grande variabilité des ressources hydriques superficielles et souterraines. En prenant pour exemple le bassin amont de l’Elqui, nous montrons que, durant les évènements LNSO, les valeurs élevées du coefficient d’écoulement s’expliquent par une contribution des eaux souterraines aux écoulements de surface ; durant les années ENSO, les valeurs plus faibles du coefficient d’écoulement et la dynamique des variations piézométrique indiquent une recharge importante du compartiment souterrain. Sur la période 1977–2008 trois dynamiques d’interaction entre compartiments souterrains et superficiels sont identifiées durant les années hydrologiques caractérisées par un indice pluviométrique élevé : (i) l’augmentation logarithmique du niveau piézométrique, qui illustre une recharge rapide qui s’atténue ensuite, précède celle du débit du cours d’eau ; (ii) l’augmentation exponentielle du niveau piézométrique, qui montre une intensification progressive de la recharge en fonction du temps, succède à celle du débit ; (iii) l’augmentation du niveau piézométrique et du débit sont concomitants. Les dynamiques (i) et (ii) sont observées pendant des évènements ENSO, quand les précipitations sont distribuées sur de larges périodes ; les dynamiques (iii) sont observées pendant des années neutres, quand les précipitations de forte intensité surviennent sur une période de temps très courte. L’analyse de ces dynamiques et des coefficients d’écoulement montre que lorsque les précipitations moyennes annuelles sont inférieures à 70 mm, l’équilibre relatif entre recharge du compartiment souterrain et ruissellement est rompu, ce qui peut engendrer de forts stress hydriques ; ce seuil pourrait être utilisé en tant qu’indicateur. Enfin, la variabilité spatiale des coefficients d’écoulement met en évidence une plus grande contribution du compartiment souterrain dans les bassins à forte composante granitique, ce qui semble indiquer une recharge en pied de versant depuis l’horizon altéritique développé dans les granites.

Abstract

In the semi-arid region of Norte Chico (Chile), climate variability, mainly controlled by ENSO and LNSO events, generates a high variability of both surface water and groundwater fluxes. Taking the upper Elqui catchment as an example, this study found that, during LNSO events, the abnormally high values of the runoff coefficient may be the consequence of a groundwater contribution to surface water flow. During ENSO events, however, the lower values of the runoff coefficient and the dynamics of the water table level highlight the recharge of the subsurface compartment. For the hydrological years characterized by a high pluviometric index during the 1977–2008 period, three dynamics of interaction between groundwater and surface water are identified : (i) the water table increases before the river discharge, and its logarithmic increase highlights a rapid recharge related to the concomitance of snowmelt and rainfall events ; (ii) the water table increases after the river discharge and its exponential increase shows a progressive intensification of the recharge over time ; and (iii) the water table and the river discharge increase are concomitant. Dynamics (i) and (ii) are observed during the ENSO events, when precipitation occurs over a long time period ; dynamic (iii) is observed during the neutral years, when high intensity precipitations occur over short periods. The analysis of these dynamics and runoff coefficients shows that when the mean annual precipitation is less than 70 mm, the relative equilibrium between runoff and recharge processes is broken, which may generate a high hydrological deficit ; this threshold could thus be used as a warning for drought. Finally, the spatial variability of runoff coefficients shows a larger contribution of the subsurface compartment in catchment with a larger proportion of granites, suggesting a mountain front recharge from the alterites in the granitic watershed.