Observations et modélisations de la recharge des aquifères dans le Grand-Est de la France à l'aide de données lysimétriques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Observation and Modeling of groundwater recharge in the Grand-East of France using lysimetric data

Observations et modélisations de la recharge des aquifères dans le Grand-Est de la France à l'aide de données lysimétriques

Antoine Sobaga
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1301622
  • IdRef : 272761184

Résumé

The first objective of this thesis is to analyze lysimetric data in order to understand the mechanisms that control aquifer recharge, especially during intense events. The second objective is to improve the modelling of this recharge in the surface model ISBA which is used in the French operational hydrometeorological applications SIM and AQUI-FR, dedicated to the monitoring and seasonal forecasting of droughts, floods and for the projection of the French water resource according to climate change scenarios. To do this, 17 lysimeters from 3 sites (GISFI, OPE, Fagnières) located in the Grand-Est region were used. These lysimeters give access to the local aquifer recharge of aquifers and there dynamics through drainage measurements on a period up to 50 years, with 2 sites measuring also total mass, water content and matrix pressure. On these lysimeters, the dynamics of drainage were analyssed according to several types of land use over the full chronicles, then selecting events of intense precipitation and drought. A method based on machine learning was used to evaluate the impact of these processes on drainage. A decrease in groundwater recharge over the last 50 years is found, with more droughts in recent years. Intense precipitation events generate very little drainage as they occur mainly in the summer period. This version of ISBA simulates recharge well when hydrodynamic parameters and meteorological forcings are known. We have evaluated the closure relations of Van Genuchten (1980) mostly used in hydrology. However, these equations generate well-known numerical problems for clay soils and therefore degrade the simulations on these lysimeters. Approaches that correct this weakness were then successfully validated on the same lysimeters showing even an improvement of the simulated drainage dynamics, in particular during intense drainage events. Such result might although be associated to a moderate intensity of these events, with less than 40 mm/year. These lysimeters helped to distinguish the most influential hydrodynamic parameters and gave information on the variability of the hydrodynamical parameter on the vertical profile in the soils. Usual pedotransfer functions based on soil textures used in ISBA fail to reproduce the parameters estimated in-situ, and thus strongly degrade the simulated recharges. The pedotransfer function of Wosten et al (1999), which takes into account the density and organic matter of soils, appears promising to limit this problem. Finally, the new closure relationships in ISBA validated on lysimeters were used at the regional scale in the SIM and AQUI-FR models. River flows and aquifer piezometric levels were simulated and compared to in-situ observations. The new closure relationships do not significantly improve the models due to uncertainties related to meteorological forcing (especially rainfall), pedotransfer functions, and possible overcalibration of surface runoff in these models. Indeed, to represent an integrated observation as riverflow, it might be similar for such model to estimate fast subsurface flow or surface runoff. The simulation of piezometric level might help to disentangle this fluxes, however, this depends on hydrodynamic parameters of the aquifers that are badly known.
Le premier objectif de cette thèse est d’analyser des données lysimétriques afin de comprendre les mécanismes qui contrôlent la recharge des aquifères, en particulier lors d'événements intenses. Le second objectif est d’améliorer la modélisation de cette recharge dans le modèle de surface ISBA qui est utilisé dans les applications françaises hydrométéorologique SIM et AQUI-FR, qui réalisent le suivi et la prévision saisonnière des sécheresses et des crues mais aussi pour la projection de la ressource en eau sur la France face au changement climatique. 17 lysimètres de 3 sites (GISFI, OPE, Fagnières) localisés dans la région du Grand-Est ont été utilisés. Ces lysimètres donnent accès à la recharge locale des aquifères et à sa dynamique via des mesures de drainage sur une période allant jusqu’à 50 ans. Les sites du GISFI et de l’OPE disposant en plus de teneurs en eau et de pressions matricielles ainsi que la masse totale. Sur ces lysimètres, la dynamique du drainage est analysée en fonction des types d’occupations de sols, puis en sélectionnant des évènements de précipitations intenses et de sécheresse. Une méthode reposant sur de l’apprentissage automatique a été utilisée pour évaluer l’impact de ces processus sur le drainage. Les principaux résultats montrent une diminution de la recharge des nappes depuis plus de 50 ans. Un des résultats non intuitif est que les précipitations intenses n’engendrent que très peu d’écoulements car ils apparaissent surtout en période estivale. Ces observations ont permis d’évaluer le modèle de surface ISBA et sa capacité à bien simuler la dynamique de l’hydrologie des sols et de la recharge. Ce modèle résout l’équation de Richards et utilise l’approche de Brooks and Corey (1966) comme relations de fermeture de cette équation qui relient teneur en eau, pression matricielle et conductivité hydraulique. Cette version d’ISBA simule bien la recharge quand les paramètres hydrodynamiques et les forçages météorologiques sont connus. Cependant, les mesures in-situ montrent que les relations de fermeture de Van Genuchten (1980) majoritairement utilisées en hydrologie semblent plus appropriées. Ces équations engendrent néanmoins des problèmes numériques bien connus pour des sols argileux et dégradent donc les simulations sur ces lysimètres. Des approches qui corrigent ce défaut ont ensuite été intégrées et évaluées avec succès sur les mêmes lysimètres montrant même une amélioration de la dynamique simulée du drainage, en particulier lors d’événements de drainage intense. Ces lysimètres ont permis de distinguer les paramètres hydrodynamiques les plus influents et nous ont apporté des informations sur la variabilité des paramètres hydrodynamiques sur le profil vertical des sols. Les fonctions de pédotransferts usuelles basées sur les textures des sols utilisées dans ISBA échouent à restituer les paramètres estimés in-situ, et donc dégrade fortement les recharges simulées. La fonction de pédotransferts de Wosten et al. (1999) qui prend en compte la densité et la matière organique des sols apparaît prometteuse pour limiter ce problème. Dans une dernière partie, les connaissances acquises localement ont été testées à l’échelle régionales. Les nouvelles relations de fermeture ont été testées dans les modèles SIM et AQUI-FR. Les débits des rivières et les niveaux piézométriques des aquifères ont été simulés et comparés à des observations in-situ. Les résultats sont contrastés, avec une part d’amélioration et de dégradation des résultats. Si les nouvelles relations de fermetures n’apportent pas d’améliorations significatives, cela est sans doute lié aux incertitudes à la fois aux forçages météorologiques (surtout les pluies), aux fonctions de pédotransferts, mais aussi à une possible sur-calibration du ruissellement de surface dans ces modèles. La comparaison à la piézométrie peut aider à distinguer ces flux, mais, la méconnaissance des paramètres hydrodynamiques des aquifères ne permet pas de trancher aisément.

Domaines

Hydrologie
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04265216 , version 1 (30-10-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04265216 , version 1

Citer

Antoine Sobaga. Observations et modélisations de la recharge des aquifères dans le Grand-Est de la France à l'aide de données lysimétriques. Hydrologie. Université Paris sciences et lettres, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPSLE001⟩. ⟨tel-04265216⟩
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