Faculté des sciences

Numerical simulations and uncertainty analysis for assessing spatial and temporal dynamics in alluvial river-aquifer systems : an application in the context of the 3rd Rhône River Correction

Gianni, Guillaume ; Brunner, Philip (Dir.) ; Perrochet, Pierre (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017.

La caractérisation de l’interaction entre les rivières et les eaux souterraines pour des aquifères alluviaux est essentielle afin d’anticiper l’impact des stratégies de gestion de rivière, comme le sont les restaurations de rivières, sur l’ensemble de la ressource en eau et sur sa dynamique. De ce fait, le développement de méthodes et d’approches de calibration permettant une... Plus

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    Résumé
    La caractérisation de l’interaction entre les rivières et les eaux souterraines pour des aquifères alluviaux est essentielle afin d’anticiper l’impact des stratégies de gestion de rivière, comme le sont les restaurations de rivières, sur l’ensemble de la ressource en eau et sur sa dynamique. De ce fait, le développement de méthodes et d’approches de calibration permettant une meilleure caractérisation et estimation des paramètres hydrauliques des aquifères et des lits de rivière est nécessaire. De plus, l’analyse d’hypothèses communes, telles que la constance des propriétés hydrauliques des lits de rivière, l’isotropie de la conductivité hydraulique de l’aquifère ou encore la calibration en régime permanent, est indispensable afin d’identifier des biais potentiels dans les prévisions et leurs incertitudes.
    Le chapitre 1 introduit les concepts pertinents, les méthodes, le cadre de recherche, c.-à-d. la 3e Correction du Rhône, ainsi que le but de la thèse doctorale.
    Le chapitre 2 présente une méthode qui permet d’évaluer le caractère transitoire des propriétés hydrauliques de lits de rivière. La méthode est basée sur l’inversion d’une convolution numérique entre les variations de niveau de la rivière et la réponse unitaire, en terme de variation de la surface piézométrique, de l’aquifère. L’estimation du caractère transitoire des propriétés hydrauliques du lit de la rivière est obtenue par des calibrations utilisant des séries temporelles successives de charges hydrauliques. Une analyse synthétique a démontré la fiabilité de la méthode et son application à des données réelles de terrain a permis d’indiquer l’influence d’événements climatiques sur le caractère transitoire des propriétés hydrauliques.
    Le chapitre 3 analyse les conséquences sur l’estimation de l’incertitude de la prévision de l’hypothèse communément faite sur l’isotropie de la conductivité hydraulique de l’aquifère. Il est démontré que les présupposés sur l’isotropie de l’aquifère peuvent causer une sous-estimation de l’incertitude des prévisions sur l’élévation de la surface piézométrique. De plus, il est démontré que la calibration transitoire, en comparaison à celle en régime permanent, permet une meilleure estimation des paramètres hydrauliques de l’aquifère et du lit de la rivière et ainsi de réduire l’incertitude de la prévision.
    Le chapitre 4 présente les prévisions sur l’élévation de la surface piézométrique et leurs incertitudes dans la région de Sion (Suisse) dans le cadre des modifications projetées par la 3e Correction du Rhône. Ce faisant, l’incertitude de la prévision liée à la calibration du modèle numérique hydrogéologique est complétée par la prise en compte, via la modélisation de scénarios, de l’incertitude sur les futures propriétés hydrauliques et géomorphologiques du lit du Rhône. Les résultats montrent que bien que le processus de calibration réduit de manière importante l’incertitude de la prévision, l’incertitude sur l’élévation future de la surface piézométrique, liée au potentielles variations des propriétés hydrauliques du lit du Rhône reste importante.
    Le chapitre 5 résume les résultats des études présentées, fournis des recommandations quant aux approches de modélisations hydrogéologiques d’une manière générale et dans le cadre de la 3e Correction du Rhône.
    Summary
    Characterizing river-groundwater interactions in alluvial aquifers is essential when forecasting the impact of river management strategies, such as river restorations, on the overall water resources distribution and dynamics. Therefore, the development of methods and calibration approaches that allow for better identification of the spatial and temporal characteristics of the hydraulic properties of the aquifer and the riverbed are required. Moreover, the analysis of commonly made assumptions, such as constant hydraulic properties of the streambed, isotropy of the aquifer hydraulic conductivity and steady-state calibration, is important in order to identify potential biases in predictions and related uncertainties.
    Chapter 1 introduces the relevant concepts and methods as well as the framework, i.e. the 3rd Rhône River Correction, and the purpose of the Ph.D. thesis.
    Chapter 2 presents a method that assesses the temporal variations of the hydraulic properties of the riverbed. The method is based on the inversion of a numerical convolution between an aquifer unit step response and stream stage variations. Calibrations against successive time series of observed water table variations allow to estimate the transience in the riverbed properties. A synthetic analysis demonstrated the robustness of the method and its application to field data pointed out the influence of climatic events on the transience in riverbed hydraulic properties.
    Chapter 3 aims at understanding how simplifications in modeling practice regarding horizontal isotropy of the aquifer hydraulic conductivity affect the estimated uncertainty of predictions. It is demonstrated that assuming isotropy or fixed anisotropy may cause the predictive uncertainty of the water table elevation to be underestimated. Then, by taking into account the uncertainty in aquifer anisotropy, it is shown that calibration against transient data allows to achieve a better estimation of the aquifer and riverbed hydraulic parameters and to reduce the predictive uncertainty of water table elevations.
    Chapter 4 presents the model forecasting and related uncertainty of the water table elevation in the area of Sion (Switzerland) in the framework of the modifications projected by the 3rd Rhône River Correction. Furthermore, the predictive uncertainty related to model calibration is complemented by scenario modeling taking into account the uncertainties in the future state of the Rhône riverbed hydraulic properties and geomorphologies. The results show that although the calibration process can significantly reduce the predictive uncertainty, the uncertainty in the future elevation of the water table, related to potential variations in the hydraulic properties of the Rhône riverbed, remains important.
    Chapter 5 summarizes the results of the studies and provides recommendations and perspectives regarding hydrogeological modeling approaches in general and in the framework of 3rd Rhône River Correction.