Bilan hydrologique du bassin versant de la Massa
Transcription
Bilan hydrologique du bassin versant de la Massa
fydmUm in Mountainous Regions. I - Hydrological Measurements; the Water Cycle Proceedings of two Lausanne Symposia, August 1990). IAHS Publ. no. 193,1990. Bilan hydrologique du bassin versant de la Massa et bilan de masse des glaciers d'Aletsch (Alpes bernoises, Suisse) M.AELLEN & M.FUNK Section de glaciologie, Laboratoires de recherches hydrauliques, hydrologiques et glaciologlques (VAW), Ecole polytechnique fédérale, ETH Zentrum, CH-8092 Zurich, Switzerland ABSTRACT Grosser Aletschgletscher (87 km ) is the most important glacier within the Massa river basin (195 km ) and in the Alps. Its mass balance is computed usually as total or mean value for the whole glacierized part (128 km ) of the river basin, using a fundamentally simple hydrological model applied in a time scale of monthly values for hydrological years (1.10.-30.9.) since 1922. The model, applied in a scale of daily values, provides insight into variability of seasonal water storage in a glacierized high mountain basin of the Swiss Alps in the 56 years from 1931 to 1987. Based on topographical surveys covering the basin as a whole in 1926/27 and 1957, volume change of Aletsch glaciers was determined to calibrate the hydrological balance model. Yearly glaciological measurements are carried out on stake networks in the firn area since 1942 and in the ablation area since 1950 on Grosser Aletschgletscher only. Despite an uneven distribution of the samples in time and in space, the glaciers mass balance is computed from these data by means of a deterministic mathematical model based on the distributive functions of both, glacier surface in 1957 and measured annual mass balance values, versus altitude. Results of a first attempt with a linear concept are presented for 30 hydrological years (1951-1980) in comparison with the results of the hydrological model. INTRODUCTION Dans cet article nous présentons avec deux méthodes différentes le bilan de masse des glaciers d'Aletsch, soit de la part englacée du bassin versant de la Massa. Ce bilan est déterminé habituellement en établissant le bilan hydrologique du bassin (Kasser, 1954). Dans le premier chapitre, le modèle hydrologique est présenté avec les résultats obtenus pour la période 1931-1987. Dans le second chapitre, le modèle glaciologique est présenté avec les résultats obtenus pour la période 1950-1980. Cette étude fait partie du programme d'observations à long terme, commun aux VAW et à la Commission des glaciers de l'Académie suisse des sciences naturelles (ASSN), destiné à saisir l'état actuel et les variations des glaciers suisses par des levés annuels. Le bassin versant de la Massa, situé sur le versant sud (interne) du massif de la Jungfrau et dans la région culminante des chaînes septentrionales des Alpes suisses, s'étend sur une surface F de 195 km , dont les deux tiers sont recouverts par les glaciers d'Aletsch. Le 89 90 M.Aellen&M.Funk Grand glacier d'Aletsch (87 km ) est le plus important d'entre eux et le plus grand glacier des Alpes. L'étude concernant le bilan hydrologique du bassin versant se fonde sur les observations pluviométriques sur trois stations voisines (situées en dehors du bassin) et sur les mesures du débit de la Massa. L'étude concernant le bilan glaciaire se fonde sur les mesures glaciologiques effectuées sur le Grand glacier d'Aletsch. Les sites de mesure sur le glacier et les stations citées dans ses environs sont indiquées dans la figure 1. Les observations pluviométriques sont effectuées par le Service météorologique national, depuis 1894 à Grindelwald (situé au nord) et depuis 1900 à Fiesch (au sud-est) et Kippel (à l'ouest). En 1974, la station de Kippel a été déplacée dans le village voisin Ried. Les débits de la Massa sont enregistrés par le Service hydrologique national depuis 1922 à la station limnigraphique de Massaboden, déplacée en 1964 à la nouvelle station de Blatten sur Naters. Les mesures glaciologiques ont commencé en 1918 sur une seule balise d'accumulation installée au Jungfraujoch. Depuis 1942 elles sont effectuées par les VAW. Le nombre de balises a été augmenté jusqu'à 20 dans la zone d'accumulation et jusqu'à 50 (en général alignées sur l'axe médian) dans la zone d'ablation. Les sites de mesure les plus importants sont indiqués dans la figure 1 (un site comprend une ou plusieurs balises). Le nombre ainsi que les coordonnées des balises sur les sites 5-12 ont fortement varié dans la période considérée. 7° 50' E O 1040 m Grindelwaid Légende : O station piuviométrique "V station limnigraphique ® réseau de balises bassin de la Massa giaciers d'Aietsch 46°25" N — ORied , 1480 m Kippel O 1376 m Massaboden 687 m FIG. 1 Bassin versant de la Massa et glaciers d'Aletsch: Situation géographique. 91 Bilan hydrologique du bassin versant de la Massa L'Office fédéral de la topographie a restitué la topographie de la région d'Aletsch en 1926/27, dans le cadre des relevés pour la "Carte nationale de la Suisse" (1:50'000, feuille 264, Jungfrau), et en 1957, pour une carte spéciale "Aletschgletscher" (1:10'000, feuilles l-4b) couvrant le bassin versant de la Massa (Kasser & Rothlisberger, 1966). Des relevés partiels ont été effectués en 1947, 1973 et 1986. BILAN HYDROLOGIQUE DU BASSIN DE LA MASSA Ce bilan est établi à l'échelle mensuelle pour les années hydrologiques à partir de 1921/22. Il est calculé à l'aide de valeurs reconstruites pour les années avant 1931, les observations pluviométriques et limnigraphiques étant incomplètes. Le modèle utilisé a été étalonné au moyen de la méthode géodésique sur la base des levés topographiques de 1926/27 et 1947 (Kasser, 1954) ainsi que 1957 (Kasser, 1967). Dans cette étude, nous avons appliqué ce modèle pour calculer les bilans journaliers du 1er octobre 1931 au 30 septembre 1987. Modèle hydrologique Le modèle adopté pour établir le bilan hydrologique du bassin de la Massa est défini par l'équation fondamentale qui décrit l'équilibre entre les apports et les pertes en eau: P + D + E + dS = 0 (1) Les quatre termes de cette equation sont: P précipitations liquides ou solides D débits écoulés E evaporation ou condensation (admise invariable) dS variation des réserves en eau. Les caractéristiques de ces termes sont décrites par Kasser (1954). Résultats Dans le cadre de cette étude, la quantité dS a été calculée pour chaque jour au moyen de l'équation (1). Pour établir le bilan hydrologique annuel du bassin de la Massa, elle a été cumulée sur les années hydrologiques (1er octobre-30 septembre) de la période 1931-1987. Le bilan de masse annuel b des glaciers d'Aletsch est calculé en réduisant la grandeur dS sur la surface englacée G du bassin: b h " dS I (2) La variation annuelle de G est déterminée sur la base des levés topographiques de 1926/27, 1957 et 1973 (Kasser & Aellen, 1967). Les valeurs annuelles des termes P, D, et dS de l'équation (1) sont présentées pour les années hydrologiques 1932-1987 dans la figure 2 et dans le tableau 1, dans lequel la surface englacée G et le bilan de masse b, calculé selon l'équation (2) sont également mentionnés. Les variations journalières, cumulées sur une année hydrologique, sont présentées par des données statistiques (valeur moyenne, écarts- 92 M.Aellen&M.Funk TABLEAU 1 Bassin de la tfessa - Bilans hydrologiques annuels 1931/32-1986/87: Composantes P (précipitations), D (débits), E (evaporation) et dS (-variation des réserves en eau), surface englacée G (en km ) et bilan de nasse glaciaire b. ; hauteur des lames d'eau (en irai). Armée P D E dS G 1932 1933 1934 1935 1936 1937 1938 1939 1940 1941 1942 1943 1944 1945 1946 1947 1948 1949 1950 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 2076 1965 2345 2240 2039 2162 1891 1918 1847 1868 2614 2603 2595 2660 2273 3297 1936 2531 2784 2274 2413 2258 1992 1880 1833 1817 2389 2370 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 -713 -510 -927 -343 364 -262 -167 -156 573 105 -1128 -1134 -1257 -197 -118 -1698 375 -1289 -917 43 -542 -294 -34 321 203 -75 -493 -775 136.9 136.8 136.6 136.6 136.4 135.1 135.8 135.5 135.1 134.7 134.7 134.2 133.8 133.6 133.4 132.9 132.8 132.6 132.5 132.2 131.8 131.2 131.1 130.3 130.2 129.8 129.7 129.7 1573 1665 1628 2107 2663 2110 1934 1972 2630 2183 16% 1679 1548 2673 2365 1809 2521 1452 2077 2527 2081 2174 2168 2411 2246 1952 2106 1805 \ -1014 -725 -1321 -489 519 -374 -239 -224 825 151 -1630 -1644 -1829 -287 -172 -2487 549 -1892 -1347 63 -800 -436 -50 479 303 -112 -740 -1163 Année P 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 2217 2037 1986 2210 1597 2598 2345 2381 2303 2198 2229 1840 1685 1964 1941 2296 1603 2842 2896 2173 2844 2970 2718 2396 2315 2192 2349 2418 D E 1828 2017 2115 2156 2307 1667 1771 2019 1699 1826 2141 2133 1665 2143 1728 1785 1900 1745 1593 1927 1716 2014 2369 2160 1657 1945 2239 2171 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 dS 179 -190 -339 -156 -920 721 364 152 394 162 -122 -503 -190 -389 3 301 -507 887 1093 36 918 746 139 26 448 37 -100 37 G \ 129.6 268 129.6 -285 129.5 -509 129.5 -234 129.4 -1384 129.2 1036 129.0 549 129.0 229 128.9 594 128.9 244 128.8 -184 128.7 -760 128.7 -287 128.6 -589 128.5 4 128.4 456 128.4 -768 128.4 1345 128.3 1659 128.2 54 128.2 1394 128.1 1133 128.1 211 127.9 39 127.7 682 127.6 56 127.6 -152 127.5 56 types et valeurs extrêmes) calculées sur les 56 années observées dans la figure 3. Les précipitations sont présentées pour chacune des trois stations dans la figure 3a, qui montre une tendance croissante des quantités précipitées en direction du versant nord des Alpes, principalement dans la deuxième moitié de l'année hydrologique. Les débits sont présentés sous forme de l'indice du bassin (débits mesurés répartis sur la surface entière F du bassin versant) dans la figure 3b, qui montre le régime typique des bassins englacés (débits faibles et peu variables en hiver, forts et très variables en été). La variation saisonnière des réserves en eau résultant de l'équation (1), présentée dans la figure 3c, montre une variabilité bien plus forte que les précipitations et les débits. Le bilan déficitaire de l'année normale correspond à la tendence générale de décrue glaciaire durant ces 56 années observées. Les bilans hydrologiques annuels sont résumés par la statistique du tableau 2. Les valeurs moyennes sont présentées dans la figure 4, Bilan hydrologique du bassin versant de la Massa 93 p 3000 2000 [mm] 1000 1950 [mm] I 2000 dS 1000 [mm] 0 '• : AA I , A , A |^\ VA/V ;* u l rl fH w 1940 1950 1960 1970 1980 [Année] FIG. 2 Bassin de la Massa - Bilans hydrologiques 1931-1987 Variations annuelles de P (précipitations), D (débits) et dS (variation des réserves en eau), en hauteur d'eau (mm). PG : / i / -s / jf / / jS y' s-/y//f •fé^r^^ 0 100 200 300 0 100 200 300 ^y^T . . , , fj 0 100 200 300 [jours] dS [mm]1000- 0 ^£r -1000 100 200 300 [jours] 100 200 300 [jours] FIG. 3 Bassin de la Massa - Bilan hydrologique 1931-1987: Valeurs statistiques (moyennes, écarts-types et extrêmes) journalières cumulées sur l'année hydrologique, en hauteur d'eau (mm) des précipitations mesurées à Fiesch (pp)j Kippel/Ried (P ) et Grindelwald (P ) , des débits (D) et de la variation des réserves en eau (dS). 94 M. Aellen & M. Funk qui montre clairement que l'ordre de grandeur de la valeur dS cherchée est d'un facteur 10 inférieur aux valeurs des précipitations P et des débits D. Ce facteur est cependant fortement variable d'une année à l'autre. En admettant que les erreurs commises sur P et D se situent dans l'ordre de grandeur de la valeur cherchée dS (moyenne), il faut reconnaître que les résultats présentés ici ont une signification plutôt relative qu'absolue. Une interprétation climatologique fondée sur les variations des valeurs dS calculées et des composantes P et D observées est concevable, tant à l'échelle annuelle de l'évolution saisonnière qu'à l'échelle multiannuelle des tendences à long terme, si l'on admet que toutes les erreurs commises avec cette méthode restent plus ou moins constantes d'une année à l'autre. TABLEAU 2 Bassin de la Massa - Bilans hydrologiques annuels 1931/32-1986/87: Données statistiques. Variable Moyenne Ecart-type Mininun (année) Maxinmi (année) P D dS G 2166 20% -140 131.0 -200 375.3 332.0 582.6 3.01 861.2 1452 1593 -1698 127.5 -2487 2970 3297 1093 136.9 1659 b h Précipitations (mu) Débits (mu) Variation des réserves (nm) Surface englacée (km ; Bilan de masse (nm) dS (1981) (1947) (1978) (1932) (1978) 140 E 210 D P (1949) (1978) (1947) (1987) (1947) 2096 2166 FIG. 4 Bassin de la Massa - Bilan hydrologique 1931-1987: Valeur moyenne des composantes P, D, E et dS, en hauteur d'eau (mm). BILAN DE MASSE DES GLACIERS D'ALETSCH Les données utilisées proviennent de l'axe médian du glacier (sites 1, 3, 5-12; v. fig. 1). Les valeurs mesurées ont été réduites à l'année hydrologique et classées par intervalles d'altitude (équidistants de 50 mètres). Modèle glaciologlque Le modèle adopté pour établir le bilan de masse des glaciers d'Aletsch (ou de la part englacée du bassin versant de la Massa), est défini par 95 Bilan hydrologique du bassin versant de la Massa le produit des vecteurs b et G qui décrivent les fonctions distributives par rapport à l'altitude des données de bilan b (accumulation ou ablation annuelles nettes) observées sur les balises et des données hypsométriques de la surface glaciaire G (tranches d'altitude équidistantes de 100 m) déterminées par les levés topographiques: B. = (B ) . = (b ) . (G ! . (3) J i J i J iJ Les cinq termes de l'équation sont: B bilan de masse total (en tonnes de glace ou en m d'eau) b bilan annuel net (hauteur d'eau, en m, cm ou mm) G surface glaciaire (en km ) i indice des classes d'altitude (tranches de 100 m) j indice des unités temporelles (années hydrologiques). Ce modèle a été décrit et discuté pour le cas du glacier de Gries par Aellen & Funk (1988) . Bilan moyen b g Répartie sur la surface englacée G, la quantité B est transformée en une valeur moyenne b (appelée bilan moyen net) pour l'ensemble des glaciers d'Aletsch: b\ = g - B | G («) qui s est comparable à la valeur b déterminée par le bilan hydrologique, En principe, le vecteur (b ) . de l'équation (3), comprenant les valeurs moyennes b . des tranches d'altitude H ., est à déterminer pour chaque année j'au moyen d'une régression linéaire des valeurs observées b. . et H .: i.J i.J b. . = c. + a. H, . (5) Les coefficients de régression c. et a. sont des paramètres caractéristiques pour chaque année j. La solution de l'équation (5) quand b. . = 0 permet d'estimer l'altitude H . de la ligne d'équilibre: i.J e,j c. (6) o 4 = - Z1 e,j a. En admettant des gradients invariables (a = 0.5, a = 1.0 m/hm) correspondant à une approximation des gradients moyens observés pour les zones respectives d'accumulation et d'ablation, les valeurs moyennes b . sont estimées au moyen du modèle ainsi simplifié. H Surface englacée G :teur ( G ) , de l'équation (3) devrait être déterminé chaque année Le vect i l >v par des mensurations topographiques coûteuses. Tenant compt ÎS variations mensurations coûteuses. Tenant compte du fait de que les de topographiques surface sont relativement faibles (diminution 0.12 pourcent par an, en moyenne), les données hypsométriques du levé topographique en 1957 sont admises invariables. 96 M.Aellen&M.Funk Modèle hypsographlque Pour des valeurs données des gradients a et a , il est possible d'établir des courbes qui donnent une valeur probable du bilan annuel net b . en fonction de l'altitude H . de la ligne d'équilibre (Aellen & FttnK, 1988). Dans cette étude, le'Bilan annuel b . est déterminé pour chaque année à partir de la valeur H . obtenue Ses valeurs observées sur les balises selon les équations C57 et (6), Résultats Les résultats obtenus pour les 30 années hydrologiques 1 951-1980 au moyen du modèle hypsographlque sont présentées par l'ait itude H . de la ligne d'équilibre et le bilan annuel net b . dans le tableau'3, qui est résumé par une statistique dans le taoleau A. Les données de bilan collectées sur les balises situ ées sur 1'axe médian du Grand glacier d'Aletsch sont résumées dans la figure 5 pour les années hydrologiques 1951-1980. Dans la figure 5a, 1 es valeurs mesurées durant ces 30 années observées sont présentées pa r les valeurs statistiques (moyennes, écarts-types, extrêmes) calculée s sur b ., en fonction de la valeur moyenne de H .. La droite de régr ession eàt définie par les coefficients c = -2318.16, a = 0.784 avec une variance expliquée par le modèle de 92 pourcent. Les valeurs annu elles de 1 ' altitude H . de la ligne d'équilibre déterminées avec les équations (5) e, J a) b M y 500 ~ [cm] itlii \V \S 1F loyenno lypes * 1500 2000 2500 3000 valour 3600 [m] He b) H E i [Année] FIG. 5 Glaciers d'Aletsch - Bilan de masse annuel 1950/511979/80: Observations sur le réseau de balises Fig. 5a) Bilans mesurés b. . (valeurs statistiques, en cm) î i et altitude H. . (moyenne,'en m) des sites de mesure. Fig. 5b) Altitude H . (en m) de la ligne d'équilibre. e,j Bilan hydrologique du bassin versant de la Massa 97 et (6) à partir des valeurs mesurées (en épaisseur de glace, névé ou neige b' .) aux sites de mesures (H .) sont présentées dans la figure 5b. Elles sont comparées aux valeurs b . obtenues du bilan hydrologique dans la figure 6. La droite de régression est définie par les coefficients c = 2101.77, a = -0.729 avec une variance expliquée de 86 pourcent. Les résultats obtenus avec ce modèle correspondent assez bien aux résultats du modèle hydrologique. TABLEAU 3 Glaciers d'Aletsch - Bilans de masse annuels 1950/51-1979/80 (modèle hypscgraphique): Altitude observée H . (en m) de la ligne d'équilibre et bilan moyen modélisé b . (en cm). 8.J e,J Année 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1960 e,J g.J 2878 2949 2940 2867 2851 2851 2870 2985 3011 2833 20 -27 -20 28 38 38 26 -52 -71 36 Année 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 e,J g.J 2904 2966 2956 3024 2694 2893 2841 2792 2848 2882 3 -39 -32 -77 138 11 46 76 41 5 Année 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 e,J g.J 2980 2890 2998 2858 2807 2976 2711 2688 2988 2749 -50 13 -61 34 67 -46 128 143 -54 105 TABLEAU 4 Glaciers d'Aletsch - Bilans de masse annuels 1950/51-1979/80: Données statistiques. Variable Moyenne Ecart-type Minimum (armée) Maximm (année) H . Altitude ligne d'équilibre (m) b 6 '^ Bilan de masse (cm) g.J 2883 16 93.5 61.5 2688 -77 3024 143 (1978) (1964) (1964) (1978) ^s. • tcmj e • 100 - «\ • • 0 *%Ys « e " e 100 e \. , . « \. "•ej FIG. 6 Glaciers d'Aletsch - Bilan de masse aanuel 1950/511979/80: Bilan annuel b . (cm) du modèle hydrologique, en fonction de l'altitude H' J . (m) de la ligne d'équilibre du e 1 modèle glaciologique. M. Aellen & M. Funk 98 CONCLUSIONS Cette étude présente les résultats du bilan de masse obtenus pour le plus grand glacier des Alpes au moyen des deux méthodes classiques en glaciologie: la méthode hydrologique et la méthode glaciologique. Les modèles utilisés ont été crée bien avant l'ère des ordinateurs électroniques et sont par conséquent très simples. Néanmoins, la comparaison des résultats obtenus avec les deux méthodes indépendentes est encourageante. Même si l'incertitude quant aux valeurs absolues due aux erreurs de mesure et à la modélisation reste considérable, les deux séries des bilans de masse ont les mêmes tendances de variations annuelle et pluriannuelle. L'analyse statistique à l'échelle journalière des données hydrologiques montre des différences notables des quantités précipitées aux stations utilisées et révèle ainsi que le bassin versant de la Massa est exposé aux régimes climatiques méridional et septentrional régnant sur les versants sud et nord des Alpes. Une comparaison des résultats ici obtenus avec le bilan volumétrique basé sur les relevés topographique de 1957 et 1986 permettra d'éstimer la précision absolue des valeurs du bilan de masse calculées et le cas échéant, de modifier les paramètres du modèle hydrologique. Le modèle glaciologique peut être amélioré en considérant les variations annuelles des gradients ainsi qu'en tenant compte plus précisément de la variation non linéaire du bilan de masse avec l'altitude. REMERCIMENTS Depuis l'installation du réseau de balises sur le Grand glacier d'Aletsch (il y a 40 à 50 ans) par l'équipe des ingénieurs MM. Robert Haefeli, André Roch et Peter Kasser, un grand nombre de personnes a présidé ou assisté aux campagnes glaciologiques annuelles. L'une des plus fidèles parmi tous ces montagnards professionels ou amateurs, Mme Gret Muhlemann, a participé aux campagnes du Jungfraujoch pendant une vingtaine d'années. Nombreuses institutions ont subventionné ce projet mené par les VAW, telles que les Services nationaux météorologique, hydrologique ou de la topographie, la Commission des glaciers de l'ASSN, la Station scientifique du Jungfraujoch et autres, auxquelles les auteurs sont redevables pour toutes sortes d'appuis efficaces. REFERENCES Aellen, M. & Funk, M. (1988) Massenbilanz des Griesgletschers von 1961 bis 1986. Vergleich verschiedener Bestimmungsverfahren. Mitt. der VAW/ETH Zurich Nr. 94 . Festschrift Hans Rothlisberger, 9-50. Kasser, P. (1954) Sur le bilan hydrologique des bassins glaciaires avec application au Grand glacier d'Aletsch. Publication No. 39 AIHS, Assemblée générale de Rome, tome IV, 331-350. Kasser, P. (1967) Fluctuations of glaciers 1959-1965. A contribution to the International Hydrological Decade. IASH (ICSI) - UNESCO, 138 p., (Table 11, p. 70: Aletsch glaciers/Switzerland). Kasser, P. & Rothlisberger, H. (1966) Some problems of glacier mapping experienced with the 1:10 000 map of the Aletsch Glacier. Canadian Journal of Earth Sclencies, Vol. 3, Nr. 6, 799-809. Kasser, P. & Aellen, M. (1976) Die Gletscher der Schweizer Alpen 1971/72 und 1972/73. 93. und 94. Bericht. Publlkation der Gletscherkommission SNG, 122 S.