event_img

Soutenance de thèse

Antoine Sobaga

LGENS

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

Date 23/06/2023 14:00
Diplôme Université PSL
Lieu ENS – salle Claude Froidevaux – E314 • 24, rue Lhomond 75005 PARIS

Résumé

Le premier objectif de cette thèse est d’analyser des données lysimétriques (mesurant les flux écoulés dans le sol à 2 m de profondeur) 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 opérationnelles 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.

Pour ce faire, dix-sept lysimètres issus de trois 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 chroniques, 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 avec plus de sécheresses ces dernières années.

Un des résultats non intuitif est que les précipitations intenses n’engendrent que très peu d’écoulements car ils apparaissent surtout en période estivale. Il est possible cependant que ce résultat soit associé à des valeurs de pluies considérées comme intenses bien qu’elles restent modérés en comparaison à d’autres régions de France (moins de 40mm/jour).

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 nous ont permis de distinguer les paramètres hydrodynamiques les plus influents et nous ont apportés 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 dégradent 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. Ainsi, les nouvelles relations de fermeture évaluées dans ISBA sur les lysimètres ont été testées dans les modèles SIM et AQUI-FR. Les débits des rivières et les niveaux piézométriques des aquifères ont été simulés puis 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 dépendant à la fois des forçages météorologiques (surtout les pluies), et des fonctions de pédotransferts, mais aussi à une possible sur-calibration du ruissellement de surface dans ces modèles.

De fait, avec une observation intégrée comme un débit, il peut être équivalent pour un modèle de simuler un écoulement de subsurface rapide ou un ruissellement de surface. 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.

Cette thèse suggère qu’il est primordial d’améliorer à la fois la représentation des précipitations, notre connaissance verticale des sols, et d’intégrer de nouveaux concepts, comme la prise en compte de l’effet de la matière organique/densité des sols pour modéliser encore plus précisément la dynamique de la recharge à l’échelle de la France. La combinaison d’observations lysimétriques, piézométriques, débitmétriques peut y aider.

Informations supplémentaires

Mots clés : Infiltration, Lysimètres, ISBA, Événements intenses.

La soutenance se déroulera en français.

Lieu
ENS – salle Claude Froidevaux – E314 • 24, rue Lhomond 75005 PARIS

En ligne
https://cnrs.zoom.us/j/93059307613?pwd=eHExNjdaRG9pc01kWE5oZ2lBT0pZZz09

Composition du jury

Rapportrice et rapporteur

  • Valérie Plagnes (Professeure, Sorbonne Université)
  • Thierry Pellarin (Directeur de Recherche, CNRS)

Examinateurs et examinatrices

  • Yvan Caballero (Chef de Projet, BRGM)
  • Isabelle Braud (Directrice de Recherche, INRAE)
  • Sarah Feuillette (Responsable Planification, AESN)
  • Jérome Fortin (Directeur de recherche, CNRS)

Directrice et directeur de thèse

  • Florence Habets (Directrice de Recherche, CNRS)
  • Bertrand Decharme (Directeur de Recherche, CNRS)

Invité :
– Nicolas Beaudoin (Emerite, INRAE)