Points de bascule et changements de régime d’un système dynamique, une nouvelle approche en modélisation pour étudier l’éco-hydrologie au Sahel.

Le Sahel a subi une sécheresse persistante des années 1970 à 2000. On observe durant cette période une augmentation des écoulements de surface et une diminution de la couverture végétale pour de nombreux sites. Bien que la pluviométrie ait ré-augmenté depuis le début du siècle, le ruissellement ne s’est pas réajusté en conséquence. Le système éco-hydrologique a donc changé d’état et ne répond plus de la même façon à des forçages similaires. L’objectif de cette étude est de mieux comprendre ces changements d’état : leurs modalités (changements brusques ou graduels), les facteurs impliqués, ainsi que leur impact sur les compartiments du cycle de l’eau.

Pour cela, nous utilisons une approche par système dynamique : l’évolution du système (bassin versant) sous l’effet de forçages (le climat) est modélisé par un système d’équations différentielles ordinaires. Il s’agit d’une approche éprouvée en écologie théorique, mais encore peu utilisée en hydrologie. Elle permet de représenter les basculements entre régimes de fonctionnement et d’en étudier les causes et conséquences.

Le modèle développé représente la dynamique des couverts végétaux et du ruissellement sous l’effet des pluies. Il représente les processus de premier ordre et leurs rétroactions en climat sahélien.

Un premier cas d’étude a permis de tester le modèle sur un site de brousse tigrée dans le Gourma malien, pour lequel il existe des mesures depuis 1950 et où la pression anthropique est marginale. Ce site à évolué d’un état végétalisé et peu ruisselant avant la sécheresse à un état à très faible végétation et fort ruissellement actuellement. A partir du seul forçage pluviométrique, le modèle permet, après ajustement, de reproduire le changement de régime observé et de caractériser les points de bascule (date, causes). Ce cas d’étude confirme les potentialités de l’approche pour comprendre les instabilité du fonctionnement éco-hydrologique au Sahel. L’approche est ensuite confronté à d’autres cas d’étude pour vérifier son caractère générique.

Publications :

Tipping points in hydrology: observed regional regime shift and System Dynamics modeling.
Wendling V., Peugeot C., Grippa M., Kergoat L., Mougin E., Hiernaux P., Rouché N., Panthou G., Rajot J.-L., Pierre C., Mora O., Garcia-Mayor A., Ba A., Lawin E., Bouzou-Moussa I.
EGU General Assembly 2022, Vienne, Autriche, 23–27 Mai 2022, session Nonlinear Dynamics and Tipping Points in the Earth System.

Tipping points in continental hydrology : developing a system dynamics approach to represent the interfaces in the critical zone and built a decade-scale hydrologic model.
Wendling V., Peugeot C., Grippa M., Panthou G., Rajot J.-L., Mora O., Garcia-Mayor A., Lawin E., Bouzou-Moussa I., Ba A., Demarty G., Etchanchu J., Hector B., Galle S., Lebel T and the TipHyc Project
XIth Scientific Assembly of the International Association of Hydrological Sciences (IAHS 2022), Montpellier (France), 29 May – 3 June 2022., session Unsolved Problems in Hydrology: Overarching session.

Assessing hydrological regime shifts through system-dynamics modeling.
Wendling V., Peugeot C., Grippa M., Panthou G., Rajot J.-L., Mora O., Garcia-Mayor A., Lawin E., Bouzou-Moussa I., Ba A., and the collaborators of the TipHyc Project
First OZCAR TERENO International Conference, Strasbourg, France 5 – 7 October 2021. session Challenges in understanding CZ processes in Africa.

Drought induced regime shift and resilience of a Sahelian eco-hydrosystem
Wendling V., Peugeot C., Garcia-Mayor A., Hiernaux P., Mougin E., Walcker R., Grippa M., Kergoat L., Galle S., Lebel T.
Environmental Research Letters, (Août 2019).

Small scale eco-hydrological regime shifts and impacts on regional changes in the Sahel.
Wendling V., Peugeot C., Garcia-Mayor A., Hiernaux P., Mougin E., Walcker R., Grippa M., Kergoat L., Lebel T.
EGU General Assembly 2019, Wien 7-12 April 2019, session Climate tipping points, critical thresholds and ecosystem resilience.

Tipping points and regime shifts in dynamic systems : a new modeling approach to study Sahelian ecohydrology
Wendling V., Peugeot C., Garcia-Mayor A., Hiernaux P. Mougin E., Grippa M., Kergoat L., Lebel T.
AMMA-CATCH International conference. « Observatories of the Critical Zone in Africa: current issues and findings », Niamey, Niger, 12-14 November 2018