Faculté des sciences

Hydrogeological and topographical controls on catchment dynamics and their implications for low flows

Carlier, Claire ; Brunner, Philip (Dir.) ; Hunkeler, Daniel (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2018.

Periods with scarce precipitation will likely occur more frequently and last longer under changing climatic conditions, even in relatively humid regions like Switzerland. To assess the sensitivity of water resources to dry spells and to identify regions that might experience water scarcity issues, a thorough understanding of the mechanisms governing catchment dynamics in the absence of rain is... Di più

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    Résumé
    Même dans des régions relativement humides comme la Suisse, des périodes de sécheresses plus intenses et prolongées sont attendues à cause des changements climatiques. Afin d’appréhender la sensibilité des ressources en eaux aux sécheresses et d’identifier les régions à risque, une compréhension profonde des mécanismes gouvernant la dynamique des bassins versant en l’absence de précipitation est cruciale. Pendant les périodes de sécheresses, les rivières sont principalement alimentées par l’eau souterraine. Leur débit reflète donc la capacité du bassin versant à libérer de l’eau stockée lors de précédents événements pluvieux. Les caractéristiques des bassins versants qui influencent les processus hydrogéologiques sont ainsi inhérentes à leur dynamique de basses eaux. La sensibilité des bassins versants doit donc être évaluée d’une perspective hydrogéologique.
    Afin de développer des outils pour l’identification des ressources en eaux sensibles aux sécheresses, cette thèse de doctorat explore les influences des propriétés physiographiques sur la dynamique des bassins versants, en mettant l’accent sur leur comportement de basses eaux et sur le rôle de l’hydrogéologie. Les précédentes études consacrées au lien entre les propriétés physiques des bassins versant et leur dynamique négligent souvent leurs caractéristiques souterraines. De plus, l’identification des effets de chaque propriété physique sur le comportement hydrologique des bassins reste complexe. Afin de contrer ces limites, deux approches sont développées : (1) l’utilisation de modèles hydrogéologiques synthétiques permettant d’évaluer systématiquement l’influence des paramètres hydrogéologiques et topographiques sur les basses eaux, et (2) l’étude de la dynamique hydrologique de 22 bassins versants suisses avec la prise en considération détaillée de leurs caractéristiques géologiques et hydrogéologiques (roche en place ou cohérente – “bedrock” en anglais -- et dépôts quaternaires).
    Dans le cadre de la première approche, les propriétés hydrogéologiques et topographiques des bassins (conductivité hydraulique de la roche en place et de l'aquifère alluvial, pente des versants et de la rivière) sont variées systématiquement avec HydroGeoSphere. Ce modèle numérique et distribué simule de manière couplée et simultanée les flux souterrains et de surface. Ainsi, les processus hydrogéologiques sont considérés explicitement et l’impact de chaque propriété physique sur la dynamique des bassins versants peut être quantifié. Ces modèles synthétiques bénéficient grandement à la caractérisation: du lien entre dynamiques de basses eaux et de l’eau souterraine, de l’importance relative de la roche en place et des dépôts alluviaux, et de l’influence combinée de la conductivité hydraulique et de la topographie. En outre, le rôle de propriétés difficilement mesurables sur le terrain, comme la perméabilité de la roche en place (p.ex. la Molasse en Suisse), peut être étudié. Cette caractéristique est d’ailleurs la seule à exercer un effet global sur les basses eaux de tous les bassins synthétiques. Une conductivité relativement haute (p.ex. 10-4 to 10-5 m/s) de la roche en place garantit des débits de basses eaux importants. En fonction de cette valeur, la contribution de la roche en place aux basses eaux peut être favorisée par des versants raides ou diminuée par un relief limité. Lorsque la capacité de la roche en place à subvenir aux bas débits est limitée (quantifiée par le bedrock productivity index BPI), la contribution relative de l’aquifère alluvial peut devenir significative.
    Dans la seconde approche, les propriétés physiques des 22 bassins versants suisses sélectionnés (utilisation et types de sol, topographie, géologie et paramètres météorologiques) sont comparées à une multitude d’indicateurs hydrologiques décrivant toutes les gammes de débits sur 20 ans de mesure. Des indicateurs de débits absolus (p.ex. Q95 à Q5) ainsi que des indicateurs relatifs (p.ex. Q95 divisé par le débit moyen) sont utilisés. La normalisation des indicateurs de débit permet de filtrer l'effet des précipitations et donc de se concentrer sur l'influence des propriétés physiques du bassin sur sa dynamique. Ainsi, les effets de la précipitation et des paramètres physiques sur le comportement hydrologique deviennent distinguables. Les indicateurs absolus de débit, à part les bas débits, dépendent principalement de la météorologie. Les indicateurs relatifs, décrivant tout autant les bas que les hauts débits relatifs, sont en revanche uniquement corrélés aux paramètres géologiques et hydrogéologiques des bassins (% de grès, % de dépôts quaternaires productifs). La capacité d’un bassin versant d’”amortir” le signal de la précipitation peut donc être attribuée à ses caractéristiques géologiques et hydrogéologiques. Les résultats suggèrent que ce potentiel de “stabilisation” des débits, quantifié par exemple par le ratio Q95/Qmean, est favorisé par la présence de grès dans le bassin. De plus, des dépôts quaternaires importants semblent également exercer un effet positif sur les bas débits normalisés.
    Les deux approches sont complémentaires et permettent d’identifier des processus similaires, cruciaux pour la caractérisation de la dynamique générale et de basses eaux des bassins versants. Selon les deux lignes de recherche, une roche en place relativement perméable (p.ex. 10-5 m/s, du grès) est un prérequis pour des débits soutenus lors de périodes sèches. L’influence de dépôts productifs locaux sur la dynamique des bassins est soulignée par les deux approches. Sur la base de ces résultats, deux aides à l’évaluation de la sensibilité des rivières et des aquifères alluviaux aux sécheresses sont développées. Les méthodes dépendent du type et de la qualité des données disponibles. Si celles-ci sont suffisantes, l’estimation de la sensibilité peut être quantitative, alors qu’elle a une valeur qualitative si les données de débits ou de hauteurs piézométriques sont rares. Dans le second cas, des stratégies de surveillance des ressources en eaux peuvent notamment être établies sur la base des lignes directives proposées. En outre, celles-ci proposent un cadre de comparaison du comportement des bassins versants en période sèche.
    Summary
    Periods with scarce precipitation will likely occur more frequently and last longer under changing climatic conditions, even in relatively humid regions like Switzerland. To assess the sensitivity of water resources to dry spells and to identify regions that might experience water scarcity issues, a thorough understanding of the mechanisms governing catchment dynamics in the absence of rain is essential. During dry periods, streamflow is mainly fed by groundwater reservoirs and thus reflects the ability of the catchment to release water that has been previously stored during precipitation events. Catchment characteristics that govern groundwater processes are consequently inherent to low-flow dynamics. The sensitivity of catchments to dry periods thus has to be assessed from a hydrogeological perspective.
    This PhD thesis, with the global aim of providing tools for the identification of catchments sensitive to dry conditions, explores the physiographic controls on catchment dynamics with emphasis on low flows and on the role of hydrogeological factors. Previous studies dedicated to the relationship between catchment properties and streamflow dynamics often disregard the subsurface characteristics. Moreover, unravelling the various physical controls on hydrological signatures is complex based on observed data. To cope with these limitations, two approaches are developed: (1) the use of hydrogeological synthetic models, which allow the systematic assessment of topographical and hydrogeological influence on low flows and groundwater storage, and (2) an investigation of streamflow dynamics of 22 Swiss catchments with the consideration of detailed geological and hydrogeological descriptors of both the general geological environment (bedrock lithologies) and alluvial quaternary aquifers.
    In the first approach, catchment hydrogeological and topographical features (bedrock and alluvial hydraulic conductivity, hillslope and river slope) are systematically varied using the numerical model HydroGeoSphere. This software simulates surface and subsurface flow in a fully coupled, distributed way. It thus allows the explicit consideration of groundwater processes and the quantification of the impact of each physical property on catchment dynamics. The synthetic models provide great insights on the relationship between low flows and groundwater processes, on the relative importance of the bedrock and the alluvial aquifer, and on the combined impact of hydraulic conductivity and slope gradients. Moreover, the role of catchment properties whose observation in the field is bound to high uncertainties, such as the hydraulic conductivity of the bedrock, can be explored with the synthetic models. The only catchment property exerting an overall impact on low flows is indeed the hydraulic conductivity of the bedrock. Relatively high hydraulic conductivities (e.g. 10-4 to 10-5 m/s) of the bedrock guarantee sustained low flows. Depending on this value, the contribution of the bedrock to low flows can be increased respectively diminished by steep respectively flat hillslopes. When the capacity of the bedrock to sustain the stream (quantified by the proposed bedrock productivity index BPI) is limited, the relative contribution of the alluvial aquifer can become significant.
    In the second approach, the catchment properties of the 22 selected catchments, encompassing land use, soil, topography and geology, as well as precipitation characteristics, are compared to numerous streamflow indicators describing the entire range of dynamics over 20 years. Absolute (e.g. Q95 to Q5) as well as relative indicators (e.g. Q95 divided by mean discharge) are used. The normalisation of the discharge indicators filters the influence of precipitation, which allows focusing on the impact of catchment properties on discharge dynamics. The meteorological and the catchment controls on hydrological signatures thus become distinguishable. The impact of precipitation is consequent on the absolute discharge indicators except for the low-flow range. The relative indicators, which describe both high and low normalised discharges, are however only correlated to the geological properties of the catchments (% of sandstone and % of productive quaternary deposits). The ability of the catchment to “buffer” the precipitation signal can thus be attributed to its geological and hydrogeological characteristics. The results suggest that this “stabilisation” effect on streamflow, quantified for instance by Q95/Qmean, is sustained by the presence of sandstone in the catchment. Moreover, productive quaternary deposits with a large extent or volume also seem to have a favourable effect on normalised low flows.
    The two approaches are complementary and enable to identify similar processes and governing mechanisms, which are of high relevance for the characterisation of catchment and of low-flow dynamics. According to both approaches, a relatively permeable bedrock (e.g. 10-5 m/s, sandstone) is a prerequisite for sustained streamflow during dry periods. The influence of local productive deposits on catchment dynamics is also highlighted by both methods. Based on these findings, two guidelines are developed to assess the sensitivity of rivers and alluvial aquifers to dry periods. The assessment can be quantitative if adequate time series and data describing the resource exist, whereas it has a qualitative value if scarce discharge or groundwater head data are available. In the latter case, monitoring strategies can for instance be established on the basis of this guideline. Furthermore, it provides a framework for catchment inter-comparison with regards to their behaviour under dry conditions.