Modélisation des Hydrosystèmes Continentaux pour une Gestion Durable de la Ressource en Eau - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Hdr Année : 2013

Continental hydrosystem modelling for sustainable management of water resources

Modélisation des Hydrosystèmes Continentaux pour une Gestion Durable de la Ressource en Eau

Nicolas Flipo

Résumé

The work presented here deals with continental hydrosystem modelling for sustainable management of water resources. It aims at better understanding the hydrological cycle, stream-aquifer interfaces functioning, as well as the anthropogenic impacts on water quality (agricultural practices, urban effluents). Understanding the temporal and spatial variations of piezometric heads is a prerequisite to achieve a sustainable water management. First piezometric head spatial distribution are estimated using various interpolation techniques. Afterwards they are used to perform an automatic calibration of the diffusivity equation. Based on an extensive literature review on multi-parameter optimization and inverse problem, a pragmatic hybrid fitting method that couples manual and automatic calibration is developed for Distributed Process Based Models (DPBMs) of hydrosystems. Three independent data subsets are used for calibration (10 yr), validation (10 yr) and test (35 yr). The fitted DPBM, coupled with a linear model of co-regionalization, is then used to quantify the hydrosystem water mass balance between 1974 and 2009 on the Loire bassin, indicating that the aquifer system is slightly over-exploited. Recent developments in hydrological modelling are based on a view of the stream-aquifer interface being a single continuum through which water flows. These coupled hydrological-hydrogeological models, emphasizing the importance of the stream-aquifer interface, are more and more used in hydrological sciences for pluri-disciplinary studies aiming at questioning environmental issues. We first define the concept of nested stream-aquifer interfaces as a key transitional component of continental hydrosystem. Based on a literature review, we then demonstrate the usefulness of the concept for the multi-dimensional study of the stream-aquifer interface, with a special emphasis on the stream network which is identified as the key component for scaling hydrological processes occurring at the interface. Finally we focus on the stream-aquifer interface modelling at different scales, with up-to-date methodologies and give some guidances for interdisciplinary approaches that couple multi-dimensional monitoring and modelling of the interface. Finally water quality models are investigated based on the river continuum concept that considers community centered models. The ProSe model is used to simulate the Seine river from Paris City to the entrance of the estuary. It appears that hydro-sedimentary processes are of primary importance with regards to the biogeochemical functioning of the river. The influence of stream-aquifer interfaces on biogeochemical fluxes grows even more further upstream. Finally, geostatistics is used to reduce DPBM uncertainties when assessing nitrate concentrations. Mismatches between simulated and observed variograms are analysed as (i) wrong quantification of inputs to the river and (ii) wrong description of physical processes within the river.
L'ensemble des travaux présentés ici est centré sur la modélisation des hydrosystèmes continentaux comme support de la gestion durable de la ressource en eau. Ils portent sur la compréhension du cycle de l'eau, du fonctionnement des interfaces nappe-rivière, et de l'impact de l'anthropisation sur la qualité des eaux (pratiques agricoles, rejets urbains). Une réflexion transverse sur une meilleure imbrication entre stratégies d'échantillonnage et stratégies de modélisation, et un souci permanent de quantifier les incertitudes liées aux modèles déterministes au moyen de diverses techniques, sont aussi au cœur des travaux présentés. Le premier chapitre s'intéresse aux bases de la modélisation quantitative des hydrosystèmes continentaux. L'utilisation de cartes piézométriques permet de mettre en œuvre des techniques de calibration automatique, via des approches inverses, de modèles simulant les écoulements souterrains. Ce potentiel a été exploité par la conceptualisation d'une méthodologie hybride d'ajustement de mmd (modèle mécaniste distribué) d'hydrosystème. La simulation du bassin de la Loire réalisée avec EauDyssée, couplée à l'utilisation du modèle linéaire de co-régionalisation pour analyser les différentes composantes du cycle de l'eau, mènent à la conclusion que le système aquifère est en légère sur-exploitation. Un retour sur le concept d'hydrosystème continental permet de le structurer explicitement autour de ses interfaces emboîtées. Ce cadre théorique permet alors d'aborder la problématique des échanges nappe-rivière en fonction des échelles d'étude, et d'identifier l'échelle intermédiaire du corridor fluvial comme étant la clé de voûte des emboîtements d'échelles. De plus, ce découpage affiné de l'hydrosystème facilite la réflexion nécessaire à la mise en place de systèmes d'observation multi-échelle du comportement hydrologique des interfaces nappe-rivière. Si les échelles locales et intermédiaires autorisent le déploiement de tels systèmes, une analyse bibliographique approfondie montre qu'il n'en va pas de même de l'échelle régionale, pour laquelle des méthodologies couplant observations et modélisations doivent être développées. Il est alors montré que l'utilisation du modèle résistif couplé à une simulation dynamique des niveaux d'eau en rivière permet de bien simuler les comportements piézométriques à court et moyen termes. Le dernier chapitre démarre par la mise en œuvre du modèle hydrocologique, ProSe, sur le linéaire de la Seine depuis l'amont de Paris jusqu'à l'estuaire. L'étude de l'interaction entre les processus biogéochimiques et les processus hydro-sédimentaires révèle l'importance de ces derniers. L'impact des stocks de vase sur l'oxygénation des eaux de surface est aussi significatif pour les rivières aval. Le rôle joué par les interfaces devient primordial dans les têtes de bassin, où elles contrôlent la qualité de l'eau. Pour le bassin amont du Grand Morin, la modélisation du devenir des nitrates d'origine agricole, a permis de montrer que l'azote était éliminé, dans sa grande majorité, au niveau des interfaces nappe-rivière. Finalement, afin de mieux comprendre le devenir des nitrates dans les grandes rivières, la comparaison de deux cadres cognitifs (interprétation des observations et représentations des processus) a été menée à l'aide du modèle linéaire de co-régionalisation. Appliquée à la Seine, cette approche a permis d'analyser les écarts, entre modèles et mesures, associés soit à des erreurs de forçage du modèle déterministe (conditions aux limites), soit à des erreurs de formalisme des processus physiques ou/et de paramétrisation du modèle.
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Dates et versions

tel-00879449 , version 1 (04-11-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00879449 , version 1

Citer

Nicolas Flipo. Modélisation des Hydrosystèmes Continentaux pour une Gestion Durable de la Ressource en Eau. Interfaces continentales, environnement. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. ⟨tel-00879449⟩
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