Numerical modelling of the climate control on hillslope erosion : model development and application to the Last Glacial-Interglacial Cycle in NW Europe
Modélisation numérique du contrôle climatique sur l'érosion des versants. Développement d'un nouveau modèle et application au dernier cycle glaciaire-interglaciaire dans le Nord-Ouest de l'Europe
Résumé
Hillslope evolution results from the combined action of weathering and sediment transport processes, which are thought to be both influenced by climate. Yet, the strength and nature of the connection between climate and hillslope erosion remain poorly understood at a quantitative level. In this study, we present a new numerical model of soil production and transport, which aims to better represent, at different time scales, the climate control on soil transport. The numerical model operates at the scale of a single hill and predicts the rates of soil thickness and elevation change, by using a simple parametrization of soil production and a multi-process parametrization of soil transport which includes climate-dependent variables (overland flow discharge and active-layer depth). Simple ground heat transfer and water balance models are used for calculating these variables from time-series of precipitation and temperature. The behaviour of the model has been studied through a few simulation examples and sensitivity analysis. The results highlight the importance of considering multi-process parameterization of soil transport when modelling the response of the hillslope system to climate variations, as these results display significant differences on how each transport process behaves under various climatic conditions and on how each process affect the evolution of the system. Our numerical model has also been combined with an inversion scheme (Neighbourhood Algorithm) to extract quantitative information on the evolution of hillslopes in the Ardenne (Belgium, NW Europe) during the Last Glacial-Interglacial Cycle, using a simple climatic scenario and a unique set of topographic and soil thickness data. Model predictions based on inversion results are consistent with independent observations on hillslope morphology and cosmogenic nuclide-derived erosion rates, although the inversion results show that soil production and transport rates under both the cold and warm phases of the last climatic cycle cannot be fully constrained by the present-day soil thickness distribution. The inversion results suggest that soil transport is by far more efficient during the cold climatic phase than during the warm phase, resulting in the succession of weathering-limited (cold phase) and transport-limited (warm phase) systems. Maximum soil transport rates are predicted during the transitions between the cold-warm phases. The results also suggest that a soil thickness dynamic equilibrium has been recently reached on convex regions of the hillslopes, while shallow soils found in convergent areas may be the relics of the soil thickness distribution that formed during the cold phase.
L'évolution des versants est le résultat de l'action combinée des processus d'altération et de transport sédimentaire. Même si il est généralement admis que l'efficacité de ces processus varie en fonction du climat, la quantification de l'influence climatique sur l'érosion des versants reste encore peu développée aujourd'hui. S'inscrivant dans cette problématique, notre étude est consacrée au développement d'un nouveau modèle numérique d'érosion des versants, ayant pour objectif de mieux représenter, à différentes échelles de temps, les multiples aspects du contrôle climatique sur les processus de transport de sol. Ce modèle numérique permet de simuler l'évolution de l'épaisseur de sol et du relief à l'échelle d'un versant; il repose sur une paramétrisation simple de la production de sol couplée à une paramétrisation multi-processus du transport de sol, qui comprend plusieurs variables en étroite relation avec le climat (débit de ruissellement, épaisseur de couche active). Le calcul de ces variables est réalisé sur base de séries temporelles de précipitation et de température avec l'aide d'un modèle de transfert de chaleur et d'un modèle de bilan hydrologique. Le comportement du modèle a été étudié au travers de quelques exemples génériques et d'analyses de sensibilité. Les résultats obtenus montrent des différences significatives dans la façon dont se comporte chaque processus de transport sous conditions climatiques variables, et également dans la manière dont chaque processus affecte l'érosion globale des versants. Ces résultats mettent ainsi en lumière l'importance de la paramétrisation multi-processus du transport de sol dans la modélisation de la réponse des versants aux changements climatiques. Nous avons également développé une méthode associant le modèle d'érosion de versant à un algorithme d'inversion (Neighbourhood Algorithm). Cette méthode a permis de caractériser de manière quantitative l'évolution des versants ardennais (NE Belgique) lors du dernier cycle glaciaire-interglaciaire, sur base d'un scénario climatique simple et de nombreuses données topographiques et d'épaisseurs de sol. Les résultats de l'inversion produisent des prédictions en accord avec certaines observations sur la morphologie des versants ardennais ainsi qu'avec des taux d'érosion estimés indépendamment sur base de concentrations en isotopes cosmogéniques, même si on montre que la distribution actuelle des épaisseurs de sol ne renferme pas assez d'information pour déterminer entièrement les taux de production et de transport de sol lors des périodes froides et tempérées du dernier cycle climatique. Les résultats de l'inversion suggèrent des taux de transport de sol bien plus élevés lors de la période froide que lors de la période tempérée, produisant une succession de systèmes limités par la production de sol d'une part (période froide), et par le transport de sol d'autre part (période tempérée). Un pic de transport de sol est prédit lors des transitions entre ces périodes. Les résultats laissent également suggérer qu'un équilibre dynamique en terme d'épaisseur de sol a été récemment atteint dans les parties convexes des versants, alors que des sols peu épais observés dans les parties concaves pourraient correspondre à des traces de la distribution des épaisseurs de sol qui prévalait lors de la dernière glaciation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)