Hydrology of Lebanese catchments in the Mediterranean context
Hydrologie des bassins versants Libanais dans le contexte Méditerranéen
Résumé
Lebanon is a small mountainous country with a typical Mediterranean climate and a high spatial variability of precipitation with a substantial amount occurring as snow. Moreover, the majority of Lebanese terrains are karstic. It is a heavily urbanized country with increasing anthropogenic pressure on water resources. Furthermore, the Lebanese catchments are poorly-gauged due mainly to a large gap of data (1975 - 2000) caused by the civil war (1975 - 1990).
However, previous studies on regionalization suggested that across Lebanon when physical characteristics are not changing, hydrologic parameters shows a remarkable degree of spatial coherence. Thus, with an integration of more physical and functional characteristics, a regionalization procedure could be considered as a framework for defining the physical and hydrological characteristics of the Lebanese catchments.
Consequently, this work aims to understand the hydrological response characteristics of Lebanese catchments in the Mediterranean context and to classify these catchments according to their physical and hydrological properties. It is structured into three parts: (i) a review on Mediterranean catchments hydrology, (ii) a datal analysis of the Lebanese catchments and comparison to the Mediterranean context, and finally (iii) a classification and modeling of the Lebanese catchments.
The first part reviews 152 hydrological studies conducted in the Mediterranean region at various time scales (paper accepted in Hydrological Sciences Journal). This study also compares methods and modeling approaches used for individual-catchment or regionalization studies. The study area is divided into the northwestern (NWM), eastern (EM) and southern (SM) Mediterranean. The analysis indicates regional discrepancies in which the NWM shows the most extreme rainfall regime. A tendency for reduced water resources driven by both anthropogenic and climatic pressures and a more extreme rainfall regime are also noticeable. Catchments show very heterogeneous responses over time and space, resulting in limitations in hydrological modelling and large uncertainties in predictions. However, few models have been developed to address these issues. Regionalization studies are scarce and inconsistent in the Mediterranean. Additional studies are necessary to improve the knowledge of Mediterranean hydrological features and to account for regional specificities.
In the second part, an inventory of the available spatial and temporal data was carried out and followed by a detailed data analysis of twenty eight Lebanese catchments through extracting the physical and hydrological response characteristics for the period 2001 – 2011. The spatial data concerns the morphometry, drainage system, geology, karst, soils and land cover. The temporal data concerns the precipitation (32 stations at a daily –when available- and monthly time step), evapotranspiration (remote sensing data at a monthly time step) and discharge data (24 gauging stations at a daily time step and 4 at a monthly time step). Gathering the available temporal data was a real challenge since these data are not always available for the same period and precipitation data is expensive. The 2001 - 2011 temporal data was analyzed and compared with a database from the pre-war period. Afterwards, the hydrological responses of the Lebanese catchments are compared with other Mediterranean catchments at different time scales. At the annual water balance level, runoff ratio values are found to be high across the country. At the event scale, the amount of rainfall in a given event represents a substantial amount of the total annual rainfall. Moreover, unit peak flow [maximum daily discharge] decreases with the catchment area and is not correlated with the rainfall depth of an event. Event runoff ratio is high; in fact it is much higher than values recorded in the EM and is the range of the NWM catchments.
The third part concludes with a new clustering of the Lebanese catchments according to their physical and hydrological characteristics. The variables defined from the data analysis were used for the classification. Three classifications were carried out using catchments physical descriptors and runoff signatures separately. Catchments holding simultaneously the same physical and hydrological similarities were grouped together forming five “physically and hydrologically similar” catchments’ classes. Finally, a simple modeling approach at a monthly time step was tested using GR2M model. Different regionalization approaches were also compared. The discussion focuses on the analysis of the hydrological functioning of each basin and each class of basins.
Le Liban est un petit pays montagneux à climat typiquement méditerranéen avec une grande variabilité spatiale des précipitations dont une quantité substantielle est sous forme de neige. La majorité des terrains libanais sont karstiques. En plus, le pays est fortement urbanisé avec une grande pression anthropique sur les ressources en eau. En outre, les bassins versants libanais manquent de longues séries de données à cause de l’arrêt des mesures durant la guerre civile (1975-1990) et l’après guerre (1990-2000).
Ce travail vise à comprendre les caractéristiques de la réponse hydrologique des bassins versants libanais dans le contexte méditerranéen et à classer ces bassins en fonction de leurs propriétés physiques et hydrologiques. La thèse est structurée en trois parties : une revue bibliographique de l’hydrologie méditerranéenne, une analyse des données hydrologiques du Liban et la comparaison au contexte méditerranéen, et finalement un essai de classification et de modélisation des bassins versants Libanais.
La première partie concerne une synthèse bibliographique basée sur 152 articles portant sur l’hydrologie méditerranéenne (article accepté dans Hydrological Sciences Journal). Les études ont été classées selon trois catégories d’objectifs : étude du bilan hydrologique, les crues et la sécheresse. La méthodologie adoptée porte aussi bien sur l’étude des processus hydrologiques à l’échelle d’un bassin versant particulier que des études de régionalisation sur plusieurs bassins versants. La zone d'étude est divisée en trois parties : nord-ouest (NWM), est (EM) et sud (SM) Méditerranée. L'analyse montre les disparités régionales : fortes intensités des pluies et des crues dans la région NWM, faibles écoulements et longues périodes de sécheresse en SM, et une situation intermédiaire pour EM. Une tendance à la réduction des ressources en eau entraînées par les pressions anthropiques et climatiques et un régime de précipitations plus extrêmes sont également perceptibles. Les bassins versants montrent des réponses hydrologiques très hétérogènes dans le temps et l'espace. La modalisation du fonctionnement hydrologique de ces bassins est souvent difficile accompagnée de grandes incertitudes dans les prévisions. Cependant, peu de modèles ont été développés pour répondre aux spécificités des bassins méditerranéens. Les études de régionalisation sont rares et les résultats des différentes études difficilement transposables d’une zone à une autre. Des études supplémentaires sont nécessaires pour améliorer la compréhension des processus hydrologiques en milieu méditerranéen et pour tenir compte des spécificités régionales.
La deuxième partie porte sur l’analyse des données cartographiques et pluie/débit des bassins libanais et la comparaison de ces bassins aux bassins méditerranéens étudiés précédemment. Vingt huit bassins versants libanais sont étudiés sur la période 2001-2011. Une base de données cartographique et hydrologique a été constituée. Les données cartographiques concernent le relief, les cours d’eau, le sol, la géologie, la présence du karst, et l’occupation du sol. Les données pluie/débit concernent l’analyse des données pluviométriques (32 stations à pas de temps mensuel et journalier quand disponible), les données du couvert neigeux, l’évapotranspiration (à partir des images satellites MODIS à pas de temps mensuel) et les débits (vingt quatre stations à pas de temps journalier et quatre stations à pas de temps mensuel). Ces données pluie/débit sont comparées à une base de données de la période précédant la guerre civile. L’acquisition de données pluie/débit était un véritable défi. Ces données ne sont pas toujours disponibles pour la même période et une partie étant payante (données pluviométriques). A partir de ces données, nous avons établis des indicateurs pour décrire les caractéristiques physiques des bassins versants et les caractéristiques de la réponse hydrologique. Ensuite, les réponses hydrologiques des bassins versants libanais sont comparées à celles des autres bassins versants méditerranéens. A l’échelle du bilan annuel, les valeurs du coefficient de ruissellement sont élevées à travers tout le pays. À l'échelle de l'événement de crue, comme pour les autres régions méditerranéennes, les précipitations pendant un seul événement peut représenter jusqu'à 40 % du total annuel des précipitations. Le débit de pointe spécifique diminue avec la surface du bassin versant. Le coefficient de ruissellement à l’échelle de l’événement de crue est beaucoup plus élevé que les valeurs observées enregistrées dans l’EM et est dans la gamme des bassins versants NWM.
La troisième partie présente un essai de classification et de modélisation des bassins versants libanais en fonction de leurs caractéristiques physiographiques et hydrologiques. Les variables définies à partir de l'analyse des données ont été utilisées pour la classification. Trois classifications ont été menées sur la base des indicateurs physiques, hydrologiques et physiques et hydrologiques. Cinq classes de bassins physiquement et hydrologiquement similaires ont été identifiées. Enfin, un essai de modélisation au pas de temps mensuel en utilisant le modèle GR2M a été entrepris. Plusieurs approches de régionalisation ont été comparées. La discussion porte sur l'analyse du fonctionnement hydrologique de chaque bassin versant et de chaque classe de bassins.
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Hydrology_of_Lebanese_catchments_in_the_Mediterranean_context_M.Merheb.pdf (8.59 Mo)
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