Analyse schneehydrologischer Prozesse und Schneekartierung im Einzugsgebiet des Oued M’Goun, Zentraler Hoher Atlas (Marokko)

Abstract

Die in der vorliegenden Arbeit gewählten Methoden zur Analyse der schneehydrologischen Prozesse und zur Schneekartierung im Einzugsgebiet des Oued M’Goun lieferten eine Fülle von Daten und Informationen über die Facetten der Schneebedeckung im Zentralen Hohen Atlas Marokkos. Der Ansatz, mittels eines dreigeteilten Methodenverbundes (Klimastationen, Satellitenbilder, Schneeschmelz-Abfluss-Modellierung) verschiedene Aspekte vom Schneefall über Ablationsprozesse bis zur Abflussgenerierung zu untersuchen, führte zu vertieften Einsichten zur Rolle des Schnees im Untersuchungsgebiet. So zeigten die Daten der automatischen Klimastationen und der MODIS-Satellitenbilder erstmalig für Standorte auf der Atlas-Südseite eine kontinuierliche Sequenz des Auf- und Abbaus der Schneedecke. Die an der Schneeablation beteiligten Prozesse der Sublimation und der Schmelze konnten über das kalibrierte physikalische Utah Energy Balance Model (UEB) identifiziert und anhand von Messdaten (Schmelz- und Sublimationsraten aus Schneeblechversuchen, Schneeoberflächen- und Schneedeckentemperatur) sowie von Beobachtungsdaten (Ausaperungsmuster und Büßerschnee auf Fotos) quantitativ und qualitativ verifiziert werden. Die so gewonnenen Einsichten unterstützten die Parametrisierung und Kalibrierung des konzeptionellen Schneeschmelz-Abflussmodells Snowmelt Runoff Model (SRM).<br /> Kleine Niederschlagsereignisse haben infolge von Verdunstung und Sublimation sehr geringe Wirksamkeit auf die Abflussganglinie. Zum Teil mehrwöchig andauernde Phasen der Sublimation führen zu einer Reduktion der Schneemassen in den höheren Zonen des Untersuchungsgebiets, so dass die Wirksamkeit der Schneeniederschläge ebenfalls reduziert ist. Dem Übergang von der punktuellen zu einer regionalen Schneebedeckung wurde große Aufmerksamkeit geschenkt. Über einen Vergleich punktueller Daten von Schneehöhe, Albedo und Bodentemperaturen mit terrestrischen und satellitengestützten Schneeklassifikationen unterschiedlicher räumlicher Auflösung konnten die Voraussetzungen für eine operationelle Erfassung der regionalen Schneeverbreitung geschaffen werden.

<strong>Analyses des processus hydrologiques de la neige et cartographie de la couverture de la neige dans le bassin du Oued M’Goun, Haut Atlas / Maroc</strong><br /> La neige en montagne est un facteur majeur pour la disponibilité de l’eau dans les régions de basse altitude voisines. Ca vaut en particulier pour des régions arides et semi-arides du monde. Autour de la Méditerranée, une partie majeure des ressources en eau potable est stockée sous forme de neige. Les montagnes comme le Haut Atlas au Maroc jouent un rôle très important parce qu’ils influencent la répartition des précipitations et peuvent conduire à une augmentation de précipitation solide et liquide. En outre ils alimentent les rivières montagneuses qui transportent la neige fondue en direction des régions prémontagneuses plus sèches. Au Maroc le caractère irrégulier de précipitation (pluie et neige) conduit aux grandes pertes par l’évaporation, ce qui conduit aux problèmes de gestion en eau potable. Grâce à la construction des barrages, la disponibilité en eau potable a pu être améliorée au Maroc. La plupart des barrages ne sont pas pour autant chargé à fond. La planification pour le barrage El Mansour Eddahbi à Ouarzazate a prévue un approvisionnement de l’agriculture au bassin versant du Drâa de 250 Mio. m3 par an. Les calculs étaient faits à la base des précipitations des années soixante qui étaient plus élevées que pendant les années suivantes. Entre-temps les lachers peuvent dans certaines années seulement recharger la nappe phréatique dans la Vallée du Drâa moyenne. L’ancienne destination du Oued Drâa, le Lac Iriki, est devenu desséché. Seulement après des précipitations extensives qu´il se transforme partiellement dans son état d’origine. La recherche sur la neige au Maroc correspond aux orientations du gouvernement marocain pour soutenir une gestion durable de l’eau dans les régions menacées par la sécheresse. La zone considérée de cette thèse est le bassin versant de Oued M’Goun (1250 km2). Celle-ci se trouve dans le haut bassin versant du Oued Drâa/Dadès au côté sud du Haut Atlas Central (31,5 Nord et 6,5 Ouest). Le bassin versant entier du Oued Drâa jusqu’au Lac Iriki, considéré au cadre du projet IMPETUS, comprend 34000 km2. Le paysage est diversifié et composé par les chaînes du Haut Atlas au nord, passant par le bassin de Ouarzazate, les montagnes moyennes du Jebel Saghro et de l’Anti- Atlas jusqu’aux rivières sèches du Oued Drâa au sud. Le but de cette thèse est de contribuer à la connaissance de la dynamique de la couche de neige en Haut Atlas par une analyse des processus hydrologiques liées. Cette analyse se base sur un raccordement de méthodes triparti concernant des aspects différents, commencent par la chute de neige et des processus d’ablation jusqu’à la génération des écoulements, qui aboutit à une compréhension approfondie concernant le rôle de la neige dans la zone considérée. Cette approche est composée de: 1. Recherche sur le terrain: mesurages météorologiques à l’aide des stations climatologiques automatiques, des mesurages en hydrologie de neige (équivalent de l’eau, sublimation/évaporation), déduction des cartes de précipitation se basant sur des données mesurées. 2. Télédétection de neige: déduction des cartes de la couverture de neige à base des images satellitaires MODIS. 3. Modélisation de l’ablation de la neige avec le modèle Utah Energy Balance (UEB) au site des stations climatologiques ainsi que la modélisation des débits de la fonte des neiges avec le modèle conceptionel degrée-jour Snowmelt Runoff Model (SRM).<br /> On a pu montrer que dans les années considérées 2001-2004 la couverture de neige hivernale était très variable quant à la distribution et la durée. La somme des précipitations de neige aux sites des stations climatologiques d’IMPETUS qui était calculée à partir de la profondeur et de la densité de neige, a montré une variabilité moins prononcée que la somme de la précipitation liquide. Aux stations d’altitude on a mesuré des précipitations totales qui se trouvent au niveau élevé de ce qu’on a montré jusqu’au présent sur les cartes de précipitation dans la zone considérée (2250m: 300mm; 3260m: 550mm; 3850m: 700mm). La déduction d’un gradient de précipitation pour le bassin versant du Drâa entier par des données des stations d’IMPETUS et du Service de l’Eau Ouarzazate a résulté dans un gradient exponentiel en fonction de l’altitude. A la base de ces analyses, des cartes de précipitations moyennes annuelles ont été calculées et peuvent être utilisées pour la déduction des cartes des caractéristiques du sol et des cartes d’écologie végétale. Des mesurages additionnels impliquaient l’équivalent d’eau sur des « snow pillows », de la température de surface de neige et la température dans la couverture de neige. La température de la surface de neige est un caractéristique important pour le bilan énergétique de la couverture de neige et supporte la validation du modèle UEB (Utah Energy Balance Model).<br /> Dans le cadre de cette thèse, un plus nouveau système satellitaire (MODIS) a été choisi pour la cartographie de la neige à l’échelle régionale (résolution spaciale : 463m) avec une haute résolution temporelle (1-7 jours réelle). La haute qualité des données avec une géoréférence exacte ainsi que une disponibilité de données acceptable (produit « MOD09 Surface Reflectance Daily » de « United States Geological Survey ») sont des critères majeurs pour une application opérationnelle. La modification d’un système de classification de neige (Normalized Difference Snow Index, NDSI) et la validation des résultats avec d’autres systèmes de télédétection ainsi que des points de contrôle au sol ont servis de base au calcul des cartes de la distribution de la couche de neige dans la zone considérée. En plus, une carte de la durée minimale de la couverture neigeuse pour la période Octobre-Juin 2003/04 a été déduite à la base de 50 images MODIS. Au niveau du sous-bassin versant du Oued M’Goun environ dix chutes de neige se présentaient par an. Seulement au dessus de 3000 m la couverture neigeuse restait plus longue que quelques semaines. La durée maximale de la couverture de neige se trouve sur les pentes nord des plus hautes altitudes. Pendant l’hiver 2003/04, la couverture a été au dessus de la moyenne avec une durée de sept mois. Une couverture de neige, continuant plus d’une journée, n’apparait qu´au desous de 1500 m d’altitude. Par l’analyse statistique des cartes singulières sur un modèle numérique de terrain, le pourcentage de la couverture de neige dans des zones d’altitudes d’un sous-bassin versant a été impliqué dans la modélisation de la fonte de neige avec le modèle SRM (Snowmelt Runoff Model).<br /> L’ablation de la neige a été modélisée avec le modèle UEB aux sites des stations climatologiques. Le UEB est un modèle physique pour calculer le bilan énergétique et de l’eau de la couverture de neige aux stations. Comme variables météorologiques de base servaient la température et l’humidité atmosphérique, la vitesse de vent, le rayonnement solaire, le bilan de rayonnement et la précipitation qui étaient enregistrés en résolution d’une heure aux stations d’IMPETUS. Le modèle était appliqué à la station de Tounza après un calibrage basé sur des changements de l’équivalent de l’eau (snow pillow). Pour d’autres stations le modèle a pu être vérifié par la durée de la couverture de neige ainsi que par la température de la surface et de la masse de neige. Comme résultat général on peut constater qu’aux deux sites (Tounza et Tichki) à environ 3000 m en cas d’amplitudes de la température autour de 0 °C et d’une humidité atmosphérique peut élevée, mais un rayonnement solaire élevé, la sublimation/évaporation alterne avec la fonte de neige. Des phases de sublimation, qui durent en partie plusieurs semaines, conduisent à une réduction des masses de neige aux altitudes plus élevées dans la zone considérée (moyenne de 2 mm par jour), de sorte que l´efficacité des précipitations de neige est également réduite. Au niveau de la station M’Goun (3850 m), où il y avait des très basses températures pendant des longues périodes hivernales, il manquait des mesurages de l’équivalent de l’eau. La progression de l’ablation ne pouvait être observé que par la profondeur de neige. Pendant l’hiver 2004/05 la modélisation à la base de la profondeur de la nouvelle neige, en supposant une densité de 0,15 g/cm3, a montré une correspondance prononcée entre la date d’observation et la date de modélisation de disparition de la couverture neigeuse. Le taux moyen de la sublimation journalière modélisé entre Novembre 2004 et Mars 2005 se chiffrait à 2 mm, ce qui aboutit à une sublimation de 80 % de l’ablation totale (fonte de neige de 20 % au printemps). Au niveau de la station Imeskar (2250 m) la sublimation ne jouait pas un rôle important, parce qu’il y avait très peu des jours avec une couverture neigeuse et les températures étaient sur un niveau trop élevées. La station Taoujgalt est située à 1870 m. Là, la neige contribue à la précipitation totale seulement avec 5 %. Les connaissances ainsi trouvées soutiennent la paramétrisation et le calibrage de la modélisation conceptionelle de la fonte et de l´écoulement de neige Snowmelt Runoff Model (SRM).<br /> Le modèle Snowmelt Runoff Model (SRM) était appliqué à la simulation du débit journalier des pluies et de la fonte de neige dans les bassins versants montagneuses M’Goun (1250 km2, èchelle limnigraphique Ifre à 1500 m) et dans sa part supérieure Cascade (54 km2, échelle limnigraphique à 2200 m). Le SRM est un modèle conceptuel après le processus « degrée-jour ». Comme variables météorologiques de base servaient la température de l’air et la précipitation ainsi que le pourcentage de la couverture de neige (à partir de MODIS) dans des zones d’altitudes. Le modèle était calibré en fonction des débits mesurés. Le débit au niveau des échelles limnigraphiques est guidé pendant la plus grande partie de l’année par l’écoulement de la nappe phréatique. La couche de neige en haute montagne alimente la nappe phréatique. L’addition des components intermédiaires et superficiels de l’écoulement n’a lieu que pendant des précipitations abondantes. Au niveau de l’échelle limnigraphique « Cascade » le débit était guidé par la fonte de neige. Cette échelle se trouve dans la proximité des couches de neige hivernales (3000 à 4000 m). L’influence retardée de la fonte de neige sur le débit diminue pendant les 30 km jusqu’à l’échelle d’Ifre et est perceptible qu’après des précipitations de neige abondantes. Au niveau de l’échelle d’Ifre, une augmentation rapide de l’écoulement a été causée par des pluies dans des zones d’altitudes basses du bassin versant. Pendant les événements de précipitation abondantes dans la période Mars/Avril 2002 et Mars 2003, le débit a réagi très vite avec des valeurs extrêmes jusqu’à 30 m3/s. La récession se produisait très vite. L’attribution de la neige de la part la plus élevées du sous-bassin versant de M’Goun est difficile à saisir. La sublimation et l’évaporation ainsi que des mouvements de l’eau supposés au dessous de l’échelle d’Ifre (situation de géologie carstique) réduisent la quantité de la précipitation, qui contribue au débit, à 5-15 %.<br /> Les méthodes choisies ici à fin d´analyser des processus de l´hydrologie de la neige et de la cartographie de la neige au bassin versant de Oued M´Goun apportaient des données et des informations abondantes sur les facettes de la couche de neige dans l´Haut Atlas Central au Maroc. Les processus de la sublimation et de la fonte, participant à l´ablation de la neige, pourraient être identifiés au moyen du modèle physique calibré UEB et pourraient être vérifiés d´une manière qualitative et quantitative à l´aide des données mesurées. Les connaissances ainsi trouvées soutiennent la paramètrisation et le calibrage de la modélisation conceptuelle de la fonte et de l´écoulement de neige Snowmelt Runoff Model (SRM).