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Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration. / In West Africa, millions of people rely on water resources exposed to the monsoon variability. In this context, the aim of this thesis is to better understand hydrological processes in bedrock areas, and more particularly to estimate the role of lateral redistribution of soil water by the interactions between underground reservoirs, vegetation and atmosphere, using hydrogeological prospection and modeling at field and catena scale. This work is supported by the experimental device implemented in the small Ara catchment in the framework of the AMMA-CATCH observatory. The use of the ParFlow-CLM model allows the simulation of transfers in the saturated and the vadose zone by solving the Richards equation in 3D. The model was forced using observed atmospheric forcing at the surface. We first identify influential parameters for vertical water transfers. Then a spatial characterization of these parameters is carried out. The 1D version of the Parflow-CLM model is assessed using observed data. We show that the model provides relevant times series of the surface energy balance and of soil water distribution as compared to the observations. The impact of the spatial variability of the hydraulic parameters at the field scale (<1 ha) is studied. Finally, the bedrock geometry and the spatial distribution of vegetation are taken into account in the modelling. This allows the identification of horizontal subsurface lateral fluxes, which generate wet and dry patterns, which are related to the spatial distribution of evapotranspiration.

Im Landschaftszustand und in der Landschaftsentwicklung kommen funktionale Beziehungen zwischen dem naturbedingten Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt einerseits und den Auswirkungen der Landnutzung andererseits zum Ausdruck. Gegenwärtig verändert der globale Anstieg der bodennahen Temperaturen vielerorts den landschaftlichen Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt, wobei besonders in Trockengebieten zu erwarten ist, dass dieser Trend in Verbindung mit einer unangepassten Landnutzung das Regenerationsvermögen der Vegetation einschränkt und zur Zerstörung der Bodendecke führt.<br /> <br /> Für die Mongolei und für benachbarte Gebiete Asiens sind in Szenarien zur globalen Erwärmung hohe Werte des Temperaturanstiegs prognostiziert worden. Eine globale Einschätzung der anthropogen induzierten Bodendegradation hat diese Region als stark oder extrem stark betroffen eingestuft. Vor diesem Hintergrund wurde im Uvs-Nuur-Becken, das im Nordwesten der Mongolei und damit in einer der trockensten Regionen des Landes gelegen ist, untersucht, wie sich der globale Temperaturanstieg auf der lokalen und regionalen Ebene widerspiegelt und wie der Landschaftshaushalt dabei verändert wird.<br /> <br /> Die Auswirkungen des sommerlichen Witterungsverlaufes auf den Landschaftszustand sind 1997 bis 1999 an einem Transsekt erfasst worden, das sich zwischen dem Kharkhiraa-Gebirge am Westrand des Beckens und dem See Uvs Nuur im Beckeninneren von den Polsterfluren und Matten der alpinen Stufe über die Gebirgswaldsteppe, die Trockensteppe bis zur Halbwüste erstreckt. An neun Messpunkten wurden witterungsklimatische Daten in Verbindung mit Merkmalen der Vegetation, des Bodens und der Bodenfeuchte aufgenommen. Die im Sommer 1998 gewonnenen Messwerte wurden mit Hilfe einer Clusteranalyse gebündelt und verdichtet. Auf dieser Grundlage konnten landschaftliche Zustandsformen inhaltlich gekennzeichnet, zeitlich eingeordnet und durch Zeit-Verhaltens-Modelle (Stacks) abgebildet werden. Aus den Zeit-Verhaltens-Modellen wird ersichtlich, dass man Zustandsformen, in denen die Hitze und die Trockenheit des Sommers 1998 besonders stark zum Ausdruck kommen, an allen Messpunkten beobachten kann, nimmt man die Station auf dem fast 3.000 m hohen Gipfel des Khukh Uul sowie die grundwasserbeeinflusste Station in unmittelbarer Seenähe aus. In ihrer extremen Form sind Trockenperioden jedoch nur im Beckeninneren und am Fuß der Randgebirge, also in der Halbwüste, in der Trockensteppe und in der Wiesensteppe aufgetreten. Im Bergwald sowie im Bereich der alpinen Matten und Polsterfluren fehlen sie.<br /> <br /> Am stärksten sind die grundwasserfreien Bereiche der Halbwüste von der Hitze und Niederschlagsarmut des Sommers 1998 betroffen. An vier Fünfteln der Tage des Beobachtungszeitraumes herrscht an diesem Messpunkt extreme Trockenheit. Es fällt entweder gar kein Niederschlag oder nur so wenig, dass der seit dem Frühjahr erschöpfte Bodenwasservorrat nicht aufgefüllt wird. Das Verhältnis zwischen Niederschlag und potenzieller Verdunstung liegt hier bei 1:12.<br /> <br /> In der Halbwüste zeichnet sich eine fortschreitende Desertifikation ab, zumal hier eine nichtangepasste Weidenutzung dominiert, in der Ziegen eine immer größere Rolle spielen. Dies gilt insbesondere für Bereiche in Siedlungsnähe. Örtlich ist auch der Bestand der Trockensteppe gefährdet, die sich an die Halbwüste zum Beckenrand hin anschließt. Hier ist nicht nur die Viehdichte am höchsten, sondern hier werden auch die meisten unbefestigten Fahrwege wild angelegt und die Bodendecke damit zerstört. Dies kann im Endeffekt zu einem Übergreifen von Prozessen der Desertifikation führen.<br /> <br /> Aus methodischer Sicht zeigt sich, dass die Kennzeichnung landschaftlicher Zustandsformen durch Zeit-Verhaltens-Modelle die Ermittlung der Auswirkungen von Witterung und Klima auf den Landschaftszustand erleichtert, da sie deren Aussage konzentriert. Zur Interpretation der Ergebnisse ist jedoch ein Rückgriff auf die beschreibende Darstellung der Messwerte notwendig. Die im westlichen Uvs-Nuur-Becken und seinen Randgebirgen angewandte Verfahrensweise ermöglicht es, globale Aussagen zur globalen Erwärmung der Kontinente regional oder lokal zu überprüfen und zu untersetzen." / Landscape condition and landscape development express the functional relations between energy balance, water balance and material balance on the one hand and on the other hand they reflect the effects of land use. At present the global increase of near-surface air temperature changes the energy balance, water balance and material balance in many places. Especially in arid regions this trend and an inappropriate land use restrict the regeneration ability of vegetation and lead to the degradation of soil cover.<br /> <br /> Different scenarios for global warming prognosticate high values of increasing air temperature in Mongolia and its adjacent regions in Asia. A global estimation of anthropogenicly induced soil degradation classifies this region as strongly or extremely strong affected. Against this background a research was carried out in the Uvs Nuur Basin, placed in the northwest of Mongolia and therefore in one of the most arid regions of this country. The object of investigation was the reflection of the global increase of air temperature on a local and regional level and the resulting changes of landscape balance.<br /> <br /> From 1997 to 1999 the effects of changes in summer weather on the landscape condition were measured on a transect from the Kharkhiraa mountains at the western margin of the basin up to the lake Uvs at the centre of the basin. The transect included alpine mat, mountain steppe, dry steppe and semi desert. Climatic data was collected at 9 transect stations, in addition with characteristics of vegetation, soil and soil moisture. The data of summer 1998 was bundled and consolidated with a cluster analysis. On this basis forms of landscape condition could be evaluated in content, arranged chronologically and characterised by time performance models (stacks).<br /> <br /> The time performance models prove that forms of landscape condition marking the heat and the drought of summer 1998 can be found at every station of the transect except of the one on the summit of Khukh Uul at almost 3.000 m above sea level and another groundwater-influenced station at the bank of lake Uvs. However, extremely dry periods occur only from the centre of the basin up to the foothills, thus in the semi desert, the dry steppe and the short grass steppe. They do not occur in the mountain forest and in the alpine mat.<br /> <br /> Areas in the semi desert are most affected by drought and lack of precipitation during the summer 1998. Four fifths of the days in the measurement period are extremely droughty days. Either there is no precipitation at all or it is insufficient to fill up the soil water storage exhausted since spring-time. The relation of precipitation and potential evaporation averages out here at 1:12.<br /> <br /> A progressive desertification becomes apparent in the semi desert, particularly determined by an inappropriate land use in conjunction with an increasing goat-rearing in the area around the settlements. Partially this trend even affects the dry steppe in adjacency to the semi desert toward the margin of the basin. These areas are characterised not only by the highest stocking rate but also by the largest number of unofficial dirt roads thus leading to the denudation of the soil cover and finally to the spreading of desertification processes.<br /> <br /> From the methodical point of view it is obvious that the characterisation by time performance models facilitates the determination of weather and climate influence on landscape condition by summarising their information. However, the interpretation of the results has to be accomplished by a describing analysis of the measured data. The procedure applied in the western Uvs Nuur Basin and its adjacent mountains provides the opportunity to examine and substantiate the reports on global warming at regional or local level.