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Les isotopes stables de la molécule d'eau, l'oxygène-18 (18O) et le deutérium (2H), représentent, en raison de leurs teneurs saisonnières dans les précipitations, qui dépendent de la température, de l'altitude et de la masse d'air, un traceur naturel qui fournit des informations importantes pour de nombreuses questions de gestion de l'eau (par exemple [1]). La connaissance du signal isotopique dans la zone d'étude concernée constitue une base essentielle pour de telles études.
Pour déterminer la répartition spatiale des teneurs isotopiques dans les précipitations, ce que l'on appelle les «isoscapes»1, on utilise généralement des approches empiriques ou de régression multiple à partir de différentes variables topographiques ou météorologiques/climatiques. En aval, on procède souvent à une interpolation spatiale des résidus2 par des méthodes géostatistiques. Sur la base de valeurs moyennes à long terme, différentes approches ont été développées et testées à l'échelle mondiale [2-4], mais aussi à une échelle plus locale, par exemple dans la région alpine, y compris la Suisse [5]. Les études hydrologiques nécessitent souvent des données sur une base mensuelle. En Suisse, des méthodes plus ou moins détaillées ont été utilisées à cet effet, adaptées aux zones d'étude et aux questions concernées (p. ex. [5-8]). L'étude [9] a adopté une approche légèrement différente en régionalisant les caractéristiques de la dynamique saisonnière (fonction sinus) en Suisse. Des évaluations ou des modèles existent dans les pays voisins, par exemple en Italie [10], en Autriche [11], en Allemagne [12] ou, à plus petite échelle, en Corse [13]. Les travaux les plus récents intègrent également des méthodes d'intelligence artificielle, comme le «Machine Learning» [14, 15]. Ils couvrent certes le territoire suisse, mais travaillent à une échelle spatiale plus grande.
Dans le présent travail, des isoscapes à haute résolution spatiale de l'oxygène-18 et du deutérium dans les précipitations sont établis et validés sur une base mensuelle pour la Suisse. Après un contrôle exhaustif des données, un modèle d'interpolation basé sur une régression multiple est développé et testé en intégrant progressivement différentes grandeurs d'influence (variables). L'objectif est en outre d'identifier, à partir des analyses spatiales, des différences régionales dans le signal isotopique et, le cas échéant, d'en déduire des recommandations pour une densification du réseau de mesure. Enfin, quelques applications possibles des isoscape pour une estimation rapide des caractéristiques hydrogéologiques des stations de mesure ou de leurs bassins versants sont présentées.
1 Un isoscape est une représentation cartographique de la distribution des isotopes. Le terme est dérivé de l'anglais «isotope landscape» (paysage isotopique).2 Grandeurs calculées qui mesurent la distance verticale entre le point d'observation et la droite de régression estimée.
La zone du modèle (Fig. 1) a été choisie légèrement plus grande que la Suisse afin d'inclure les stations de mesure des pays voisins. Cela permet de représenter de manière plus réaliste les valeurs isotopiques dans les régions frontalières de la Suisse et de faire ressortir plus clairement les éventuelles relations nord-sud ou ouest-est.
Les valeurs mesurées des rapports isotopiques dans les précipitations dans les stations suisses proviennent du réseau d'observation des isotopes de la Suisse, le module ISOT de l'Observation nationale des eaux souterraines NAQUA [16, 17]. En dehors de la Suisse, on a utilisé des stations de mesure d'Allemagne, d'Autriche et de France, qui proviennent du réseau d'observation global (GNIP) ou de réseaux locaux (voir Fig. 1). Dans un premier temps, les données mensuelles ont été soumises à un examen visuel, en présentant l'évolution des données des stations voisines et en analysant les écarts remarquables. La période des données utilisées s'étend de 2007 à 2020.
Le modèle numérique d'altitude utilisé est le MNT25 suisse, qui est essentiellement dérivé des informations altimétriques de la carte nationale au 1:25 000 [18]. Lors de l'intégration des variables météorologiques/climatologiques, la disponibilité de données surfaciques avec une résolution spatiale appropriée est une condition préalable. C'est par exemple le cas pour les précipitations (somme mensuelle) et la température de l'air (moyenne mensuelle ainsi que minima et maxima mensuels). Les données ont été mises à disposition par MétéoSuisse sous forme de grilles mensuelles avec une largeur de cellule de 1 km.
La base de l'interpolation est une régression multiple avec les variables topographiques (altitude du lac - ELE ; latitude - LAT ; longitude - LON) et les variables météorologiques/climatologiques disponibles (MVi) selon la formule suivante:
Les coefficients de l'équation (a, b, m₁, ..., mn, d) sont déterminés pour chaque mois à partir des données de mesure. Les résidus de la régression sont interpolés à l'aide de la méthode géostatistique «Ordinary Kriging»3 [19]. Pour les grilles de résultats, la grille issue de la régression et la grille des résidus sont additionnées.
3 Par krigeage, on entend une procédure géostatistique de prévision et d'interpolation, qui permet d'interpoler ou d'approcher une variable localisée dans l'espace à des endroits où elle n'a pas été mesurée, par des valeurs de mesure environnantes.
Les différentes variables sont incluses progressivement et l'interpolation est testée par validation croisée. Lors de la validation croisée, la valeur mesurée d'une station est omise lors de l'interpolation et la valeur calculée à cet endroit est comparée à la valeur mesurée. Ce processus est répété pour tous les mois et toutes les stations et les écarts sont émis par exemple sous forme de valeurs absolues moyennes (Mean Absolute Error - MAE).
Un aspect essentiel du présent modèle est la mise en œuvre d'un contrôle automatisé des données afin d'éviter les artefacts dans les modèles spatiaux dus à des erreurs de données ou de mesure. La vérification des données est basée sur l'excès de deutérium [20]. Dans la mesure où l'excès de deutérium (d) à une station au cours d'un mois ne tombe pas dans la plage 0 < ; d < ; 25‰, les données ne sont pas utilisées. Aux latitudes moyennes, les valeurs en dehors de cette plage indiquent des erreurs de données ou d'échantillonnage. Un autre contrôle concerne la somme mensuelle des précipitations. Si la valeur est inférieure à 0,5 mm, les mesures isotopiques ne sont pas considérées comme significatives en raison des effets possibles de l'évaporation et de la difficulté de gérer de petits volumes, et sont donc exclues du calcul.
Selon les données disponibles, une grille de calcul avec un maillage de 500 m est choisie. C'est un compromis entre le MNT disponible en haute résolution (25 m), les distances typiques entre les stations et la résolution des données de grille météorologiques/climatologiques utilisées (1 km).
Après avoir testé les différentes combinaisons de variables, la variante qui a été retenue est celle qui tient compte des variables topographiques en même temps que des précipitations mensuelles totales. La figure 2 compare les hydrogrammes d'oxygène-18 mesurés dans quatre stations suisses choisies à titre d'exemple avec les hydrogrammes calculés sans tenir compte de la station en question durant la période 2010-2013. Alors que la dynamique mensuelle a été très bien rendue à la station de Bâle, mais aussi à celles de Grimsel et de Pontresina, situées en altitude, des écarts plus importants ont été constatés à la station de Locarno. Dans toute la Suisse, les précisions et les erreurs d'interpolation présentaient parfois des différences régionales. Les stations du Jura et du Plateau (comme on peut le voir sur la Fig. 2, par exemple Bâle, mais aussi Berne, Buchs-Suhr, etc.) Les données de ces stations sont bien corrélées entre elles, c'est pourquoi la disparition d'une station peut être compensée par les stations voisines. Cela permet de conclure à une qualité élevée entre les stations. Les erreurs les plus élevées ont été relevées dans les Alpes et sur le versant sud des Alpes, où les stations sont plus éloignées les unes des autres. Dans cette région, on observe en outre une plus grande variabilité spatiale des conditions climatiques (par ex. effets d'ombre en cas d'afflux de sud), ce qui a un effet négatif sur la qualité de l'interpolation. Cela concerne la zone autour des stations de Grächen-St. Niklaus, Locarno et Pontresina. En faisant la moyenne de toutes les stations et de tous les mois sur la période 2007-2020, on obtient des erreurs moyennes (MAE) de 1,31‰ pour l'oxygène-18 et de 10,6‰ pour le deutérium. Des analyses d'erreurs plus détaillées sont disponibles dans [21, 22] et [23].
Pour chaque mois, le modèle d'interpolation permet de générer une carte des teneurs isotopiques dans les précipitations (Isoscape). La figure 3 montre à titre d'exemple les modèles spatiaux de l'oxygène-18 en janvier 2013 (à gauche) et en octobre 2013 (à droite). C'est surtout la répartition en janvier 2013 qui montre la grande variabilité spatiale fréquente, qui suit dans ce cas la topographie. Mais on reconnaît également les valeurs nettement plus élevées, c'est-à-dire enrichies isotopiquement, au Tessin. Dans l'exemple d'octobre 2013, la répartition est plus homogène.
Le présent modèle permet d'extraire un hydrogramme mensuel des teneurs isotopiques des précipitations pour chaque point ou bassin versant en Suisse. Celle-ci peut être utilisée comme «fonction d'entrée» dans des études hydro(géo)logiques régionales. Afin de montrer les objectifs possibles de telles études, les données de mesure de 50 stations de mesure de puits de source et de puits de production durant la période 2007-2013 et les limites de leurs bassins versants sont utilisées. Les données proviennent de l'Observation nationale des eaux souterraines NAQUA. Deux exemples d'application sont présentés ci-dessous : Analyses ou évaluations de la situation des bassins versants correspondants ainsi que l'estimation des temps d'écoulement en procédant, par des approches simples, à une comparaison de la fonction d'entrée avec les données de mesure.
Dans le premier exemple, une comparaison des moyennes à long terme des valeurs d'oxygène 18 a été effectuée. Une telle comparaison peut fournir très rapidement des informations sur la situation des bassins versants ou l'origine des eaux. Lorsque le bassin versant est connu, comme c'est le cas pour les stations de mesure NAQUA, la comparaison peut en outre être considérée comme une étape supplémentaire de la validation du modèle d'interpolation.
Concrètement, des moyennes pondérées par les précipitations des grilles de résultats Isoscapes ont été établies sur les années 2007-2013. Les valeurs des pixels ont été moyennées à l'intérieur des limites des polygones des bassins versants. Ces valeurs moyennes ont été comparées aux données mesurées aux sources et aux puits de captage, moyennées sur la même période (Fig. 4). On constate que la plupart des valeurs sont centrées autour de la ligne 1:1, ce qui souligne la grande qualité de l'interpolation. L'écart absolu moyen par rapport aux valeurs mesurées est de 0,72‰ et est donc nettement inférieur aux erreurs correspondantes de la validation croisée.
Ce n'est que dans quelques cas isolés que les valeurs mesurées ne peuvent pas être représentées de manière adéquate par les isoscapes. Les sites de mesure dont les rapports isotopiques ont été estimés trop enrichis par le modèle (valeurs nettement supérieures à la ligne 1:1) sont mis en évidence en rouge. Pour ces stations de mesure, l'influence élevée de l'eau de rivière est prouvée. Dans ces cas, le polygone utilisé pour le bassin versant est trop petit pour extraire des valeurs des isoscapes ; il faudrait utiliser l'ensemble du bassin versant amont du fleuve (par ex. stations de mesure dans la vallée du Rhône et du Rhin). Les isoscapes donneraient ainsi des valeurs nettement plus faibles, c'est-à-dire appauvries, qui correspondraient mieux aux valeurs mesurées.
Les paires de valeurs nettement inférieures à la ligne 1:1 ne sont pas si fréquentes. Deux sites de mesure ont été mis en évidence en bleu. Tous deux se trouvent au Tessin, à la limite de la haute montagne. Outre les incertitudes liées aux limites des bassins versants, cet écart est probablement dû aux incertitudes liées aux isoscapes dans cette zone (voir chapitre «Modèles spatiaux - Isoscapes»). Dans cette zone, différentes régions climatiques se côtoient et les données isotopiques présentent des gradients élevés entre les stations disponibles.
Le deuxième exemple présente une estimation rapidement réalisable du temps de séjour, c'est-à-dire du temps de transport des composants de l'eau stockés brièvement vers le puits de production ou la source. La méthodologie utilise la variation annuelle typique des données isotopiques sous nos latitudes. Les fonctions sinusoïdales sont adaptées à la fois aux données mensuelles des isoscapes et aux données mesurées aux stations de mesure des eaux souterraines. L'atténuation d'amplitude permet ensuite de déduire le temps de séjour (par exemple [24, 25]).
La figure 5 présente à titre d'exemple le résultat pour un bassin versant de 2,4 km2 d'un puits de captage (station de mesure NAQUA NTG43) situé dans les roches meubles de la vallée du Rhône. La comparaison de l'atténuation d'amplitude dans les eaux souterraines (0,8‰) avec celle dans les précipitations (5,8‰) a permis d'estimer le temps de séjour moyen à environ 14 mois (calcul selon [24] avec ajustement manuel de la fonction sinus).
Dans un autre exemple (non représenté ici), le temps de séjour moyen a été calculé à 8 mois pour un bassin versant de source karstique de 17 km² dans le Jura (station de mesure NAQUA NTQ03). Les deux exemples ont donné des estimations plausibles des temps de séjour. Cependant, plus l'amplitude des données des mesures des sources et des puits de captage diminue au cours de l'année, plus la fiabilité des affirmations sur le temps de séjour diminue. De même, de longues séries temporelles continues sont nécessaires pour obtenir un résultat fiable.
Dans le présent travail, un modèle d'interpolation a été développé, qui fournit des modèles spatiaux des rapports isotopiques dans les précipitations (isoscapes) à haute résolution spatiale (500 m) pour la Suisse. En intégrant les variables topographiques avec les précipitations mensuelles, une qualité élevée du modèle a été obtenue. Le modèle est conçu de manière flexible, de sorte que des stations ou des variables climatiques supplémentaires peuvent être intégrées si nécessaire. L'influence des conditions atmosphériques (régions climatiques) a été mise en évidence par la qualité variable du modèle selon les régions. On a pu en déduire la nécessité de densifier le réseau de stations (par exemple en Valais et au Tessin).
Comme application exemplaire et pour une validation supplémentaire des isoscapes calculés, on a utilisé les données de mesure d'un total de 50 sources et puits de captage sélectionnés dont le bassin versant est connu. Il s'est avéré que les rapports isotopiques des différentes eaux souterraines sont généralement bien représentés par les isoscapes. Des écarts sont constatés en particulier dans les vallées traversées par des rivières dont le bassin versant se trouve dans les Alpes et qui transportent le signal isotopique des Alpes loin dans les vallées. Une méthode simple d'estimation des temps de séjour ou des temps d'écoulement des eaux souterraines a en outre été présentée à titre d'exemple.
Les exemples présentés ici ne montrent toutefois qu'une partie des applications possibles. D'autres concernent la détermination basée sur un modèle des temps de séjour ou des distributions de temps de séjour (par ex. [26, 27]), la séparation de l'eau événementielle et de l'écoulement de base (par ex. [28]) ou la détermination de la recharge saisonnière de l'eau du sol ou de la rivière (par ex. [29, 30]). Ces dernières années, les données isotopiques ont également gagné en importance dans l'application de modèles hydrologiques et atmosphériques complexes.
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Le modèle actuel a été développé à partir des données de la période 2007-2020. Jusqu'à présent, les grilles mensuelles pour les années 2013 et 2020 peuvent être obtenues auprès de l'Office fédéral de l'environnement (OFEV). D'autres périodes sont actuellement en cours de calcul.
Ces travaux ont été commandés par l'Office fédéral de l'environnement de la Suisse (OFEV), division Hydrologie. Nous tenons à remercier en particulier Flavio Malaguerra et Ronald Kozel pour l'impulsion donnée au projet et pour leur soutien dans la réalisation des travaux. Nous remercions également MétéoSuisse pour les données météorologiques.
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