Modélisation du fonctionnement de l'aquifère alluvial du fossé rhénan supérieur, vulnérabilité sous l'impact du changement climatique PDF Download

Author: Charlotte Thierion
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Languages : fr
Pages : 186

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Ce travail de thèse s'est intéressé à la modélisation de l'aquifère alluvial du fossé rhénan supérieur, un hydrosystème de grande importance régionale, situé dans la partie franco-allemande du bassin du Rhin. Cet aquifère est caractérisé par des interactions nappes-rivières très importantes, qui sont encore relativement mal quantifiées du fait des fortes variations spatiales et temporelles qui les affectent. La modélisation hydrogéologique réalisée avec le logiciel MODCOU s'étend à la fois sur la plaine alluviale, et les bassins versants montagneux caractérisés par de fortes précipitations et des écoulements de subsurface vers la nappe alluviale du Rhin. La sensibilité du modèle à plusieurs paramètres hydrodynamiques a été testée, et la comparaison des simulations avec les observations piézométriques et hydrométriques grâce à des méthodes statistiques a permis d'estimer que l'infiltration des rivières représente plus des trois quarts de la recharge de la nappe. L'impact du changement climatique sur le fonctionnement de ce bassin a ensuite été estimé en prenant en compte plusieurs modèles de circulation générale, scénarios d'émission de gaz à effet de serre (SRES), et jeux de paramètres hydrodynamiques. Les projections climatiques utilisées conduisent à une assez forte dispersion des réponses en termes de débits et de piézométrie. Cependant, on constate une diminution généralisée de la recharge de la nappe, qui s'accentue à l'horizon 2100. L'évolution de la saisonnalité des écoulements est assez homogène pour l'ensemble des projections. L'analyse des incertitudes indique que la variance associée aux paramètres hydrodynamiques est assez faible, les principales sources d'incertitudes provenant des modèles de climat et des scénarios d'émission de gaz à effet de serre.

Author: Simon Lecluse
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Cette recherche vise, dans un premier temps, à améliorer la connaissance du fonctionnement de l'aquifère du Rhin Supérieur entre Bâle et Lauterbourg, sur une période de temps présent (janvier 1986 à décembre 2002), puis, dans un deuxième temps, à évaluer l'impact du changement climatique sur l'aquifère. Pour obtenir ces résultats, nous avons utilisé le modèle hydrogéologique HPP-INV (Chardigny, 1997) pour le calage de différents paramètres par méthode inverse, pour évaluer le fonctionnement de l'aquifère du Rhin Supérieur en temps présent. Ce modèle, associé à un modèle hydrologique que nous avons développé pour l'occasion, nous a permis de calculer les évolutions piézométriques et de débits dans les rivières pour les 2 horizons futurs par rapport la période de temps présent. Nous avons d'abord caractérisé l'aquifère et défini son fonctionnement. Au niveau de la hauteur piézométrique et du débit dans les rivières de plaine, nous avons identifié le mois de février comme le mois des hautes eaux et le mois de septembre comme celui des basses eaux. A l'inverse, le Rhin suit un régime nivo-glaciaire, soit une période d'étiage en hiver et une période de pointe durant l'été. Nous avons également mis en évidence l'importance des échanges nappe-rivières dans le fonctionnement de l'aquifère, qui représentent 59 % du débit entrant et 87 % du débit sortant par rapport à la nappe phréatique. L'impact du changement climatique sur l'aquifère est ensuite étudié selon 3 scénarios d'émission de gaz à effet de serre développés par le GIEC (Groupement d'experts Intergouvernementaux sur l'Evolution du Climat) : un scénario optimiste, un scénario pessimiste et un scénario intermédiaire. Ces 3 scénarios d'émissions de gaz à effet de serre ont permis la création de 9 scénarios météorologiques, utilisés pour les prévisions sur 2 horizons futurs par rapport au temps présent (août 1961 à juillet 2000) : un futur proche (août 2046 à juillet 2065) et un futur lointain (août 2081 à juillet 2098). Nous avons déterminé que pour la période de futur proche, l'évolution piézométrique calculée dépend du scénario météorologique. En effet, certains scénarios prévoient un abaissement non significatif du niveau de la nappe, alors que d'autres prévoient une élévation. Enfin, un dernier prévoit une élévation du niveau de la nappe dans sa moitié Sud et un abaissement dans sa moitié Nord. Pour la période de futur lointain, certaines prévisions présentent un abaissement du niveau de la nappe, plus important pour le scénario climatique le plus pessimiste. Les autres scénarios présentent une élévation globale du niveau de la nappe, très variable selon le scénario météorologique.Concernant le débit dans les rivières, tous les scénarios prévoient la même tendance pour les 2 horizons futurs. Le Rhin présente une diminution du débit estival, soit son débit de pointe, et une augmentation de son débit hivernal, soit son débit d'étiage ; ce phénomène, plus important pour la période de futur lointain que pour la période de futur proche, montre une modification du régime du Rhin vers un régime pluvio-nival. Pour les autres rivières, nous avons observé une diminution du débit d'étiage et une augmentation du débit de pointe, plus importantes pour la période de futur lointain (entre -46% et -8% pour le débit d'étiage, et entre +32% et +94% pour le débit de pointe) que pour la période de futur proche (entre -42% et -6% pour le débit d'étiage, entre +0% et +102% pour le débit de pointe).

Author: Sana Ounaïes
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Les aménagements hydrauliques du Rhin ont fortement modifié le fonctionnement hydrologique des zones alluviales et provoqué la déconnexion de la plupart des bras du Rhin et des forêts alluviales. Des opérations de ré-inondation des secteurs déconnectés du fleuve ont été menées dans un objectif à la fois de rétention de crue et de submersion écologique qui devraient permettre à ces zones de retrouver tout ou partie de leur fonctionnalité. Le polder d'Erstein est un secteur forestier expérimental pour le suivi de l'impact des ré-inondations des zones alluviales. Les inondations du polder par les eaux de Rhin sont susceptibles d'en modifier le fonctionnement hydrologique (écoulements de surface, échanges nappe-rivière, recharge de la nappe ...). L'objectif général de ces recherches est l'analyse et la quantification des transferts hydriques dans un aquifère poreux dans un contexte de ré-inondation. Pour ce faire nous avons réalisé des simulations numériques de l'écoulement à l'aide du code de calcul Feflow (Finite element subsurface flow system), qui ont été validées par les données hydrogéologiques mesurées in situ. Ce travail est organisé en cinq volets. Le point de départ est un état de l'art du fonctionnement, de la structure des zones alluviales et des mécanismes du transfert hydrique dans ces zones. La deuxième partie, fournit une présentation détaillée du site expérimental sur lequel une mission de suivi scientifique a débuté en 2003 et ainsi fourni une importante base de données hydrologiques (eaux de surface et eaux souterraines). Ces données ont servi à caractériser les écoulements d'eau en zone non saturée. La troisième partie est consacrée à la construction du modèle hydrodynamique. Compte tenu de l'importance du réseau des anciens bras du Rhin alimentées par la nappe existant à l'intérieur du polder, la question des échanges cours d'eau-nappe a été abordée. Hormis la recharge de la nappe par les cours d'eau, une part importante de l'infiltration d'eau depuis la surface du sol lors des inondations contribue à la recharge. Pour quantifier cette part, nous avons développé une approche pédologique originale afin de caractériser les hétérogénéités des sols par des paramètres hydrodynamiques. Ces hétérogénéités qui varient spatialement sur le polder ont une influence significative sur les flux verticaux et les temps de résidence de l'eau dans la zone non saturée. Les résultats obtenus en 1D ont ensuite été appliqués à toute la superficie du polder d'Erstein avec l'objectif de quantifier l'ensemble des écoulements à cette échelle. Différents scénarios d'hétérogénéité proposés se fondent sur une complexification de la structure de l'aquifère poreux, afin d'évaluer l'impact des hétérogénéités du sol sur le transfert hydrique dans le polder d'Erstein.

Author: Étienne Bresciani
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Category : Aquifers
Languages : en
Pages : 211

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This thesis deals with groundwater flow rate and distribution at the regional/continental scale. It addresses the partitioning between groundwater and surface water, the paths and travel times of groundwater, impact and vulnerability of pumping. The role of climatic, topographic and geologic factors is investigated. We consider these questions in the case of hard rock aquifers, which are highly heterogeneous aquifers mainly controlled by subsurface erosion and tectonic fracturing. Our work is based on the numerical modelling of free surface porous flow under the hypothesis of stationary constraints. We specially focus on the interactions of the water table with the land-surface topography. These interactions are a key point to understand groundwater flow structures. Based on an local adaptation scheme for finite volumes, we developed an efficient numerical method to solve this highly non-linear problem. We then performed a non-dimensional study of the controlling parameters of groundwater flow in an "elementary" basin representing a first-order idealized hydrogeological catchment. Results contribute to the deep understanding of fundamental controls revealing a relevant basis for the study of more complex systems. Considering more realistic configurations representative of hard rock aquifers, we identify the main processes that govern groundwater flow under recharge and pumping constraints. In particular, we present a conceptual model to deal with the impact of pumping in a fractured aquifer on natural groundwater discharge zones.

Author: Murielle Chabart
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Le présent travail de recherche, qui entre dans le cadre du projet MEDALUS (Mediterranean desertification and land use), s'intéresse aux méthodes de gestion et au devenir de la ressource en eau souterraine en milieu méditerranéen à partir de l'exemple de l'aquifère multicouche du Roussillon. Située au sud-est de la France, à la terminaison orientale de la chaine pyrénéenne, la plaine du Roussillon (850 km2) est un vaste domaine dont les activités économiques principales sont le tourisme littoral et l'agriculture (vignes, vergers et maraichages). La ressource en eau souterraine, contenue dans l'aquifère multicouche du quaternaire et du pliocène est intensivement sollicitée pour les usages collectifs et agricoles en période estivale. Afin de déterminer dans le contexte d'une éventuelle désertification* (thème général de MEDALUS), l'impact d'un changement climatique sur la ressource en eau dans la plaine du Roussillon, on utilise la modélisation hydrodynamique qui permet la restitution et la prédiction des états piézométriques des principaux aquifères. L'étude s'est déroulée en deux étapes: 1- Acquisition des données nécessaires à la modélisation du système aquifère multicouche du Roussillon, par la mise en place de parcelles expérimentales pour la mesure des termes du bilan (recharge et ruissellement), 2- Simulations en régime permanent et en régime transitoire à partir du modèle, dans les conditions actuelles puis dans l'éventualité d'un changement climatique à l'horizon 2030. La constitution des scenarios d'évolution climatique potentielle a été réalisé avec la collaboration des partenaires européens du Climatic Research Unit - University of East anglia. Les scénarios résultants de ces simulations et relatifs à l'évolution des états piézométriques des différentes nappes du système aquifère du Roussillon n'ont pas valeur de prédiction mais sont des indicateurs de la sensibilité du système environnemental à un changement climatique conjugué avec l'évolution des usages de la ressource. L'exemple du système aquifère du Roussillon présenté dans cette étude fait l'objet d'une réflexion méthodologique sur la complexité de l'acquisition et du traitement des données nécessaires à la constitution d'un modèle de gestion de la ressource en eau. De plus la nécessité d'une gestion prévisionnelle à long terme adaptée à la couverture des besoins en eau et à la protection quantitative et qualitative de la ressource est ainsi confirmée. Cette démarche est destinée à éviter d'accéder à une situation qui s'apparenterait à la désertification.

Author: Étienne Bresciani
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L'étude des flux souterrains à l'échelle régionale/continentale englobe des problématiques majeures de l'hydrogéologie telles que le partitionnement entre nappes et rivières, les chemins et les temps de transfert des circulations souterraines, ainsi que l'impact et la vulnérabilité d'un pompage. Les flux souterrains résultent d'une combinaison complexe de facteurs climatiques, topographiques et géologiques. Dans les aquifères de socle, les structures hétérogènes d'altération de subsurface et de fracturation tectonique ont un impact particulier. Nous abordons cette thématique sous l'hypothèse de contraintes stationnaires. Notre approche repose sur la modélisation numérique des écoulements poreux à surface libre qui permet d'étudier les interactions de la nappe avec la topographie, déterminantes de l'organisation des écoulements. Basée sur un schéma d'adaptation locale de la méthode des volumes finis, une méthode numérique de résolution performante de ce problème fortement non linéaire a été développée. Dans le cadre d'un bassin "élémentaire" représentatif d'un bassin hydrogéologique de premier ordre idéalisé, une étude adimensionnelle des paramètres de contrôle des écoulements a été menée. Les résultats forment une base pertinente pour l'étude de systèmes plus complexes. Dans des configurations plus réalistes et représentatives des aquifères de socle, les principaux mécanismes régissant les écoulements souterrains sous contrainte de la recharge et d'un pompage sont mis en évidence. Ces derniers résultats ont abouti à la formulation d'un modèle conceptuel adapté à la problématique de l'influence du pompage sur les zones de décharge naturelles de l'aquifère.

Author: Omar Kalaoun
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Languages : fr
Pages : 155

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Les eaux souterraines constituent 95% de l'eau douce accessible sur le globe. Les rapports de ``UNEP'' prédisent qu'en année 2020, 75% de la population mondiale vivra dans des zones côtières. Ces deux informations nous montrent l'importance des aquifères côtiers qui sont aujourd'hui surexploités. Cette surexploitation conduit à l'aggravation du phénomène naturel de l'intrusion saline. Sa modélisation est nécessaire pour évaluer et prédire l'étendue des zones impactées. Ce travail concerne la modélisation de l'intrusion saline dans l'aquifère de Tripoli-Liban. Cette ville est sur la mer Méditerranée et dans laquelle habite un huitième de la population libanaise (600,000). Dans cette étude, un modèle mathématique de l'intrusion saline dans l'aquifère de Tripoli est développé, en se basant sur l'implémentation de l'approche de l'interface abrupte dans ``Freefem++''. Ce modèle fournit principalement la profondeur de l'interface eau douce/eau salée. Les limites du modèle sont exposées et le modèle est validé avec la solution analytique, avec le code de calcul BFSWIM et avec les mesures de terrain où l'erreur quadratique moyenne varie entre 0.1 et 2m. La zone d'étude souffre d'un manque de données nécessaires pour élaborer la modélisation. Pour surmonter ce problème, nous avons eu recours aux mesures piézométriques effectuées par l'``UNDP'' dans des dizaines des puits de pompage dans la zone d'étude. Ces mesures sont utilisées dans un premier temps pour calibrer le flux d'eau douce entrant dans le domaine, puis pour valider le modèle expérimentalement. En plus, des compteurs volumétriques installés dans 38 puits de pompage ont montré que les habitants à Tripoli consomment la double quantité d'eau recommandée par le ministère des ressources en eau au Liban. Quatre scénarios de pompage basés sur le taux de croissance démographique, donné par le ministère des affaires sociales ont été étudiés. La hauteur de l'interface eau douce/eau salée associée à chaque scénario est calculée et comparée avec sa hauteur actuelle. Les résultats montrent que, avec la quantité d'eau pompée actuellement (250 litres par habitant par jour), la zone de pompage sera salinisée dans 20 ans, tandis que le respect des limites proposées par le ministère des ressources en eau (120 litres par habitant par jour) peut protéger l'aquifère à court terme. L'étude de scénario de croissance démographique est ensuite mise dans le contexte de changement climatique prédit dans le rapport du ``GIEC 2014'' pour la zone d'étude. Les évolutions pour les 25 prochaines années et pour trois phénomènes sont ainsi considérées: l'élévation du niveau de la mer, la variation du flux entrant d'eau douce et la variation du taux d'extraction d'eau douce de l'aquifère. La variation du flux entrant est imputée à la variation des régimes de précipitation dans les futures années. La variation de la couverture neigeuse est utilisée comme estimateur indirect pour la calibration du modèle. Le critère d'évaluation choisi est la position de la ligne de niveau 100m de l'interface eau douce/eau salée correspondant à la profondeur maximale des puits de pompage. L'étude montre que cette ligne avancera de 140m dans les 25 prochaines années. Les résultats montrent que l'impact de l'élévation du niveau de la mer (

Author: Youssef Hajhouji
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Languages : fr
Pages : 155

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La recharge de l'eau souterraine est un paramètre encore peu connu du bilan hydrologique. La connaissance des processus et l'estimation précise de la recharge de l'eau souterraine est une condition préalable à une gestion efficace et durable des eaux souterraines dans les régions arides et semi-arides. En plus la recharge de l'eau souterraine est considérée comme le paramètre le plus direct avec lequel le changement climatique peut affecter les ressources renouvelables des aquifères. Les présents travaux de thèse s'intéressent à la recharge de l'aquifère alluvial de la plaine du Haouz par les crues de l'oued Rheraya (rivière intermittente), qui descend des montagnes du Haut-Atlas et traverse la plaine du Haouz du sud vers le nord. Ces travaux ont deux objectifs principaux (i) d'abord simuler le régime hydrologique de l'oued Rheraya dont les crues sont à l'origine de la recharge de l'eau souterraine, et ensuite (ii) aborder la quantification de la recharge de l'eau souterraine du Haouz par ces crues dans la zone du piémont atlasique. La modélisation des débits de l'oued Rheraya dans le Haut-Atlas marocain (225 km2, altitudes comprises entre 1030 m et 4165 m) est réalisée en prenant en compte la composante nivale. Pour cela, le modèle conceptuel global GR4J est appliqué sur la période 1989-2009 en y adjoignant le module CemaNeige qui simule la dynamique de la composante neigeuse de manière semi- distribuée. La fraction enneigée simulée se révèle corrélée avec celle extraite du produit neige MODIS durant la période 2000-2009 (R2 = 0,64). De plus, l'équivalent en eau de la neige simulé est cohérent avec celui mesuré par la station automatique au sommet de l'Oukaimeden durant la période 2004-2006 (R2 = 0,81). Enfin, nous obtenons une simulation des débits qui reproduit bien la très forte variabilité saisonnière et interannuelle. En conclusion, le régime hydrologique de l'oued Rheraya est pluvio-nival avec une distribution unimodale des débits dont le maximum en avril coïncide avec la fonte des neiges. L'étude de la recharge de l'eau souterraine est effectuée à travers l'analyse du suivi des fluctuations de l'eau souterraine sous le lit de l'oued Rheraya sur deux cycles hydrologiques 2014-2015 et 2015-2016.[...].

Author: David Ambrose
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Category : Geology
Languages : en
Pages : 120

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