Observations et modélisations de la recharge des aquifères dans le Grand-Est de la France à l'aide de données lysimétriques
Sobaga, Antoine
Observation and Modeling of groundwater recharge in the Grand-East of France using lysimetric data
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.</p>
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