Understanding and characterizing the intermittency of the river network in Africa : methodological developments and hydrological applications
Compréhension et caractérisation de l'intermittence du réseau hydrographique en Afrique : développements méthodologiques et applications hydrologiques
Résumé
Intermittent rivers are rivers that stop flowing at some point in space and time. However, the understanding of the spatio-temporal variability of intermittent rivers as well as their precise location in the hydrographic network remains limited due to a lack of data (hydrometric, hydrographic, etc..). These difficulties are accentuated in data-limited regions such as Africa and this thesis aims to develop methodological approaches that rely on Random Forest models and statistical analyses to characterize the spatial distribution of intermittent rivers and to better understand the controlling factors of intermittency in Africa in order to overcome the observation gaps. Firstly, this thesis focused on the regional scale in Burkina Faso where 49 stream gauging stations with at least four years of data over the period 1955-1985 were examined. The mean number of months with zero flow per year ((Ndry) ̅) was used as a predictor to define four increasing classes of flow intermittency namely: permanent (0-1 months with zero flow), weakly intermittent (2-4), highly intermittent (5-7), ephemeral (8-12). A principal component analysis (PCA) performed on 49 gauging stations showed that, although the Strahler order and the average annual precipitation influence the geographical distribution of the different intermittency classes in Burkina Faso, the average permeability and the upstream catchment area mainly explain this distribution. This study suggests that the seasonality of precipitation in Burkina Faso also makes streamflow seasonal regardless of mean annual precipitation unless hydrogeological processes are involved, notably through the contribution of aquifers to baseflow during low-flow periods. The Random Forest model estimated that 88% of the total length of the rivers in Burkina Faso are intermittent compared to 98% in the national reference hydrographic databases (IGB-BNDT). Secondly, at the African scale, 1125 gauging stations with at least 4 years of data are examined over the period 1958-1991. Several Random Forest models were trained to relate the classes of intermittency observed at the gauging stations to the characteristic values of the key environmental variables identified (15). This model calibration identified, in order of importance, the aridity index (P/ETP), upstream catchment area, and mean annual potential evapotranspiration as the most important controlling factors of intermittency at the continental scale in Africa. This is further confirmed by the fact that the majority of gauges stations classified as intermittent in the sample analyzed have mean annual potential evapotranspiration values that are higher than the mean annual precipitation (i.e, aridity index < 1). This study predicts that in Africa 44% of the river length is permanent while 56% is intermittent (9% weakly intermittent, 31% highly intermittent, 16% ephemeral). The model predictions generally capture the spatial distribution of intermittency in the national reference hydrographic database of South Africa, Benin, Madagascar, and Mali somewhat less so in Burkina Faso. Finally, this thesis focused on the difficulties of global and continental river networks to reproduce the spatial variability of the observed drainage density in the national reference hydrographic database of different countries in Africa. A simple method for extracting streams from DEM (Digital Elevation Model) with a spatially variable contributing area (Amin) was developed.
Les cours d’eau intermittents sont des cours d’eau qui cessent de couler à un moment donné dans l’espace et le temps. Cependant, la compréhension de la variabilité spatio-temporelle des cours d’eau intermittents ainsi que leur localisation précise dans le réseau hydrographique reste limitée en raison d’un manque de données (hydrométriques, hydrographiques, etc.…). Ces difficultés sont accentuées dans les régions à données limitées comme l’Afrique et cette thèse vise principalement à développer des approches méthodologiques qui s'appuient sur des modèles de forêts aléatoires (Random Forest) ainsi que des analyses statistiques pour caractériser la distribution spatiale des cours d’eau intermittents et mieux appréhender les mécanismes de contrôle de l’intermittence en Afrique afin de pallier les lacunes d’observations. D’abord, cette thèse s’est focalisée à l’échelle régionale au Burkina Faso où 49 stations de jaugeage des cours d’eau avec au minimum quatre ans de données sur la période 1955-1985 ont été examinées. Le nombre moyen de mois à débit nul par an ((Ndry) ̅) a été utilisé pour définir quatre classes croissantes d'intermittence du débit à savoir : permanent (0-1 mois à débit nul), faiblement intermittent (2-4), fortement intermittent (5-7), éphémère (8-12). Une analyse en composante principale (ACP) réalisée sur les 49 stations de jaugeages a montré que, bien que l’ordre de Strahler et la précipitation moyenne annuelle influencent la répartition géographique des différentes classes d’intermittence au Burkina Faso, la perméabilité moyenne et la surface amont des bassins versants expliquent principalement cette répartition. Cette étude suggère que la saisonnalité de la précipitation au Burkina Faso rend également saisonnier l’écoulement des cours d’eau à moins que les processus hydrogéologiques ne soient impliqués, notamment à travers la contribution des aquifères au débit de base pendant les périodes d’étiage. L’approche de prédiction par Random Forest a permis d’estimer sur le réseau hydrographique LCS que 83% de la longueur totale des cours d’eau au Burkina Faso sont intermittents contre 98% dans le réseau hydrographique nationale de référence (IGB-BNDT). Ensuite, à l’échelle de l’Afrique, 1125 stations de jaugeage avec au moins 4 ans de données sont examinées sur la période 1958-1991. Plusieurs modèles Random Forest ont été entrainés à relier les classes d’intermittence observée au droit des stations de jaugeage aux valeurs caractéristiques de 15 variables environnementales clés identifiées. L’indice d’aridité (P/ETP), la surface amont des bassins versants et l’évapotranspiration potentielle moyenne annuelle ont été identifiés comme les facteurs de contrôle les plus importants de l’intermittence à l’échelle continentale de l’Afrique. Cela se confirme d’autant plus que la majorité des stations classées intermittentes dans l’échantillon analysé ont des valeurs d’évapotranspiration potentielle moyenne annuelle qui sont supérieures à la précipitation moyenne annuelle (c.-à-d. indice d’aridité < 1). Cette étude prédit sur le réseau hydrographique LCS qu’en Afrique 44 % en longueur des cours d’eau sont permanents tandis que 56 % sont intermittents (9 % faiblement intermittents, 31 % fortement intermittents, 16 % éphémères). Les prédictions du modèle capturent en général la distribution spatiale de l’intermittence dans les réseaux hydrographiques nationaux de référence de l’Afrique du Sud, du Bénin, de Madagascar, du Mali et un peu moins au Burkina Faso. Enfin, cette thèse s’est appesantie sur les difficultés des réseaux hydrographiques globaux et continentaux à reproduire la variabilité spatiale de la densité de drainage observée sur les réseaux hydrographiques nationaux de référence des différents pays en Afrique. Une méthode simple pour extraire les cours d’eau des MNT (Modèle Numérique de Terrain) à partir de surface contributive (Amin) variable spatialement a été développée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)