How to model groundwater systems in the hydrological cycle? : an approach at different scales with different observed data types
Comment modéliser les systèmes aquifères au sein du cycle hydrologique ? : une approche « multi-observables » à différentes échelles
Résumé
Groundwater systems (GW) constitute an important part of the hydrological cycle. GW transfer water infiltrated through soils on variable distances. After a characteristic time ranging from the month to thousand of years, GW reach the surface supporting rivers and evapotranspiration. Thus, they are a major resource for human and ecosystems. PredictingGWresponse to human and climate pressures is limited by (1) the scarcity of direct information on the highly heterogeneous geological media (2) the complexity of surface-depth exchanges. So, it seems necessary to develop models representing at best the processes at different spatiotemporal scales. To address this issue, we study the informative content of different observation types (piezometry, streamflow, surface deformation. . . ) to assess how they can improve models parametrization. Our work is based on GW modeling of the Ploemeur site (local scale) and of the Rhine basin (continental scale). For both approaches, simple models are developed, using analytical or numerical solutions. Also, the ModFlow model was coupled to an hydrological model. At small scale, results show the interest of temporal and multidisciplinary data to better constrain processes. At large scale, the developed model, as well as observations, allows to precise the role ofGWfor water availability on surface. Both approaches highlight a flows control at different scales by topography, geology and heterogeneity.
Les systèmes aquifères constituent la partie souterraine du cycle hydrologique. Ils transfèrent les pluies infiltrées à travers les sols sur des distances variables. Après un temps caractéristique de l’ordre du mois au millier d’années, les eaux souterraines regagnent la surface en alimentant les rivières et en satisfaisant en partie l’évapotranspiration. Les aquifères sont ainsi une ressource en eau majeure pour l’Homme et les écosystèmes. La prédiction de leur réponse aux pressions anthropiques et climatiques se heurte à deux difficultés (1) la faible densité d’informations directes sur les milieux géologiques et leur grande hétérogénéité (2) la complexité des échanges entre la surface et la profondeur. L’enjeu est donc de développer des modèles représentant au mieux les processus aux différentes échelles spatiotemporelles. Pour aborder cette question, nous étudions le contenu informatif de différents types d’observables (piézométrie, débit de rivière, déformation de surface...) afin de déterminer comment ils peuvent améliorer la paramétrisation des modèles. Notre travail s’appuie sur la modélisation hydrologique du site de Ploemeur (échelle locale) et du bassin du Rhin (échelle continentale). Dans les deux cas, des modèles simples sont développés en utilisant des solutions analytiques et numériques. Le modèle ModFlow a également été couplé à un modèle hydrologique. À petite échelle, les résultats illustrent l’intérêt de différents types de données transitoires pour contraindre les processus. À grande échelle, le modèle développé ainsi que les observables permettent d’affiner le rôle des systèmes aquifères dans la disponibilité de l’eau en surface. Les deux approches illustrent un contrôle des flux à différentes échelles par la topographie, la géologie et l’hétérogénéité.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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