L’eau’gique #14 : L’hydrologie est dans une impasse, et pour en sortir nous devons la dissoudre !

Ceci est l’histoire d’un champ disciplinaire qui, à l’instar de beaucoup d’autres, a subi de plein fouet l’explosion incroyable des capacités numériques et technologiques. Ironie du sort, l’hydrologie a littéralement été inondée par la multiplication ubuesque des données environnementales et par la puissance de calcul toujours croissante des outils informatiques. Tandis que l’acquisition de données a été propulsée par les innovations technologiques sur les capteurs, leur déploiement, ainsi que la transmission et le stockage des mesures, l’avènement des serveurs de calculs très haute performance a permis de simuler des processus physiques complexes avec un niveau de discrétisation spatio-temporel phénoménal.

On pourrait croire que ces avancées « disruptives » ont contribué à une évolution fulgurante des connaissances sur les systèmes hydrologiques, et donc à un pouvoir sans précédant de prédiction des phénomènes hydrologiques, si crucial dans le contexte de transformations globales profondes que nous vivons (changement climatique, explosion démographique, crise énergétique, sanitaire, etc.). On pourrait croire qu’elles ont apporté un niveau de sécurité hydrique inédit, tant sur la gestion des milieux aquatiques que sur la prévention et l’adaptation aux risques hydrologiques, grâce à cet ahurissant potentiel de caractérisation des hydrosystèmes.

Il n’en est rien. Avec les super pouvoirs que leur a octroyé la technologie, les hydrologues se sont pris pour des dieux, mais la réalité les a maintenant rattrapés et ils ont dû redescendre sur Terre pour se rendre à l’évidence : nous n’y sommes pas. Le comportement des systèmes hydrologiques et les lois universelles qui expliquent les processus d’écoulement et de transport nous échappent encore largement. La raison en est simple : les hydrologues ont mis les gaz en direction du mauvais horizon, de la mauvaise problématique, du mauvais dessein, pendant trop longtemps.

Pour comprendre ce qui s’est passé, il faut se replonger dans la courte histoire de la discipline (50 à 60 ans, au plus) et retracer les différents courants qui l’ont façonnée. Il sera ainsi possible de mettre en lumière pourquoi nous sommes aujourd’hui à côté de la plaque, mais aussi et surtout, comment nous pouvons changer les choses pour avancer dans une direction plus vertueuse, plus efficace et plus utile à la société. Pour ce faire, je me repose sur l’excellente synthèse de Murugesu Sivapalan, une éminence scientifique dans le domaine (Sivapalan, 2018). Cependant, l’opinion générale véhiculée dans ce billet m’appartient et n’engage que moi.

Autour des années 70, l’hydrologie émergeait à peine en tant que discipline à part entière et elle était alors centrée exclusivement sur des problèmes d’ingénierie. Quel est l’intervalle moyen entre deux crues de telle ou telle intensité ? Lorsqu’il pleut sur mon bassin versant, quel volume d’eau va ruisseler et quelle quantité va s’infiltrer ? Quel sera la forme de l’hydrogramme de crue ? Telles étaient les trois principales questions auxquelles on s’attachait (c’est encore le cas aujourd’hui pour la plupart des problèmes d’ingénierie courants). Les formulations de ces problèmes restaient largement empiriques, c’est-à-dire construites à partir de régressions statistiques de données pluie-débit. Ces méthodes convenaient amplement pour répondre aux enjeux pratiques comme la protection contre les inondations, mais elles ne pouvaient pas rendre compte des mécanismes plus complexes à l’origine de la diffusion des polluants dans les rivières, ou encore expliquer l’extraordinaire diversité des réponses hydrologiques d’un bassin face aux forçages climatiques, dans le temps et dans l’espace.

A cette même époque, les théories de physique et plus particulièrement de mécanique des fluides étaient déjà très abouties et largement disponibles, puisque d’illustres savants étaient passés par là depuis longtemps (Newton, Saint-Venant, Richards, etc.). Le seul problème de ces théories, c’est qu’elles sont valides seulement à petite échelle, dans un laboratoire ou tout du moins, à une échelle où les conditions physiques sont stables et homogènes (chenaux, canaux, tuyaux, surface libres, petits volumes de matériel poreux, etc.). Ces conditions n’ont donc rien à voir avec l’extravagante hétérogénéité d’un paysage, soumis à des pluies erratiques. Tant de propriétés peuvent varier d’un endroit à l’autre, au gré du changement de composition et de structure des sols et des roches, de la topographie, de l’occupation des sols… Même s’il était possible théoriquement de découper le problème physique en petit morceaux, à la fois dans le temps et dans l’espace, il n’y avait dans les années 70 pas suffisamment de données pour décrire les propriétés de chaque morceau de bassin, et il n’y avait pas la capacité de calcul numérique suffisante pour qu’il soit intéressant de mettre l’approche mécaniste en œuvre.

Toutefois, vous l’aurez compris, dans les décennies suivantes, la situation évolua très rapidement. La technologie informatique fit des bonds impressionnants, si bien qu’il fut bientôt possible de réaliser ce rêve fou : appliquer la physique newtonienne (mais plus généralement les lois fondamentales de la physique) à tous les bassins versants pour simuler les écoulements dans la plupart des compartiments hydrauliques (atmosphère, surface, rivière, sols, végétation, zone non saturée, aquifères). Avec la disponibilité grandissante de données topographiques haute résolution, d’informations extraites d’images satellites ou encore la synthèse de données du sous-sol, il fut possible de renseigner de plus en plus finement les propriétés de chaque « case » ou morceaux des bassins versants ainsi représentés. Alors pourquoi s’en priver ? Aujourd’hui, les modèles hydrologiques disposent parfois d’une résolution spatio-temporelle démente et discrétisent les équations des écoulements les plus fidèles à la physique newtonienne qui soient (voir par exemple https://www.parflow.org/).

Problème réglé ? Loin de là, car il faut l’avouer, ces simulateurs haute-résolution (ou modèles hyper-distribués à base physique dans le jargon) ne reproduisent guère mieux les observations (ex : débit de rivière ou niveau de nappe) que les modèles qui, à l’inverse, idéalisent à l’extrême les hydrosystèmes, gomment les hétérogénéités et ne reposent pas directement sur la physique newtonienne. En d’autres termes, pour certains hydrologues, utiliser l’approche mécaniste pour simuler les écoulements sur un bassin versant revient à arroser son potager avec un Canadair (pour rester dans la métaphore aquatique). En définitive et en dépit de la prouesse technique, ces modèles se retrouvent réduits à l’état de simples interpolateurs de variables. En outre, toute l’énergie dépensée dans leur développement a été relativement vaine, puisque l’attention a été focalisée sur une flopée de soucis d’ordre technique et conceptuel, au détriment de la recherche d’une théorie unificatrice pour expliquer l’ordre apparent dans la complexité et la diversité des réponses hydrologiques.

Face à cela, une poignée d’irréductibles hydrologues résistèrent encore et toujours à la montée des flots technologiques pour se concentrer sur une approche opposée, dans l’optique de mieux comprendre les signatures hydrologiques particulières et l’origine des non-linéarités observées (entre beaucoup d’autres choses, évidemment): au lieu d’adapter le système étudié au mode de résolution souhaité (approche newtonienne), on modifie astucieusement et itérativement le mode de résolution au système considéré, en partant du niveau 0 : la relation pluie-débit. Cela permet pas à pas de comprendre les principaux mécanismes qui façonnent la réponse hydrologique d’un bassin. Pour cela, il faut partir d’un modèle extrêmement simple (ex : réservoir à vidange exponentielle), pour le complexifier et le raffiner petit à petit, jusqu’à ce que les incréments ne permettent plus d’améliorer la capacité prédictive du modèle. C’est l’approche dite « fonctionnelle ». Toutefois comme rien n’est parfait, cette approche comporte aussi son lot d’inconvénients. Les deux plus grands sont, d’une part, qu’ils ne permettent pas de relier les observations aux lois physiques bien connues, et d’autre part, que la diversité des hydrosystèmes est désormais reflétée dans la diversité de structures de modèles constatable, ce qui empêche d’accéder à des lois hydrologiques plus universelles (bien que l’on puisse dessiner les principaux contours de ces lois).

Enfin, les deux approches (newtonienne et fonctionnelle) souffrent de plusieurs maux communs. Je ne vais pas les détailler ici. Je ne parlerai que de leur principale tare, qui est de loin la plus préoccupante pour nos capacités futures à anticiper les risques et dresser des plans d’adaptation pertinents dans un monde en transformation. En effet, dans ces approches, le bassin versant est vu comme un vulgaire récepteur de pluie, stockant et drainant l’eau vers un exutoire. La représentation de l’hydrosystème est donc celle d’un milieu figé, dans le temps comme dans l’espace, et qui n’a d’autre particularité que d’exporter de l’eau et de la matière vers un point de sortie, via des processus d’écoulement et de transport plus ou moins bien identifiés. Cette vision réductrice d’un bassin versant a eu son utilité et elle est encore aujourd’hui bien ancrée dans notre pratique de l’hydrologie (en recherche et en appliqué), mais tout indique qu’elle devient insatisfaisante pour relever les défis socio-environnementaux qui nous attendent. Elle nous mène à une impasse.

Pour comprendre pourquoi, et pour imaginer comment en sortir, il faut dissoudre l’hydrologie. Ceci fera l’objet d’un article à paraître prochainement ! (voir ici)

Référence

Sivapalan, M., 2018. From engineering hydrology to Earth system science: Milestones in the transformation of hydrologic science. Hydrol. Earth Syst. Sci. 22, 1665–1693. https://doi.org/10.5194/hess-22-1665-2018

Votre commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Photo Google

Vous commentez à l’aide de votre compte Google. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s

%d blogueurs aiment cette page :