Faculté des sciences

Inverse modeling of groundwater flow in the Rhône alluvial aquifer - impact of the Third Rhône correction

Glenz, Damian ; Renard, Philippe (Dir.) ; Perrochet, Pierre (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2013.

The main objective of this thesis is the quantitative evaluation of the impact of the Third Rhône correction (PR3) on groundwater within the Rhône alluvial aquifer. PR3 is a river restoration project which aims at improving flood protection and at upgrading the ecologically deficient streambed of the Rhône River (Valais, Switzerland). The approach taken to extend the drainage capacity of the... More

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    Résumé
    Le principal objectif de cette thèse est l’évaluation quantitative de l’impact de la troisième correction du Rhône (PR3) sur l’aquifère alluvial de la plaine du Rhône. Le PR3 est un projet d’aménagement, dont le but est d’une part l’amélioration de la protection contre les inondations, et d’autre part la renaturalisation du lit de la rivière Rhône (Valais, Suisse). L’approche considérée pour améliorer la capacité de drainage du Rhône est l’élargissement du lit de la rivière, ce qui causera un abaissement du niveau de la rivière (d’environ 0.9m en moyenne).
    L’impact du PR3 sur les eaux souterraines a été estimé avec un modèle numérique d’écoulement permanent. Ce modèle a été calibré avec des données de charge hydraulique. Le modèle numérique permet d’intégrer les données existantes, et d’étudier ensuite le comportement possible du système lorsqu’il sera soumis à des conditions qui diffèrent de celles investiguées actuellement (état restauré). Quand le modèle est utilisé pour simuler l’état futur du système, ses prévisions contiennent nécessairement un certain degré d’incertitude. Deux sources d’incertitude ont été considérées dans ce travail : d’une part la non-unicité de la solution du problème inverse, qui consiste à estimer les paramètres du modèle sur la base des mesures disponibles de charge hydraulique; d’autre part l’incertitude concernant l’évolution de la conductivité hydraulique du lit du Rhône suite à la restauration. L’incertitude sur les prévisions découlant de la non-unicité du problème inverse a été traitée grâce à la méthode du “null Space Monte Carlo” (NSMC) implémentée dans PEST. L’incertitude induite par l’état futur incertain du lit du Rhône a été traitée avec une analyse de sensibilité des prévisions par rapport à la conductivité du lit de la rivière.
    Le modèle est basé sur une compréhension conceptuelle du système, acquise grâce à l’interprétation des données disponibles. Ces données suggèrent clairement que le système est fortement contrôlé par des paramètres à l’échelle régionale, et que les interactions de l’eau souterraine avec le Rhône, ainsi qu’avec les canaux, joue un rôle clé dans le fonctionnement de l’aquifère.
    Le modèle est cohérent avec les données mesurées sur le terrain (charge hydraulique, zones d’échanges entre eau de surface et nappe phréatique, flux d’échange dans les canaux). Un résultat inattendu du modèle est que les zones d’échanges importants entre eaux superficielles et souterraines se produit sur de brefs tronçon du Rhône et à proximité des gravières et des carrières dans le lit de la rivière.
    En supposant que les propriétés du fond du lit du Rhône vont revenir à un état stable et identique à l’état actuel (ce qui implique le développement d’une couche de colmatation), le modèle prévoit que, à terme, le niveau d’eau s’abaisse à cause du PR3. Les résultats de modélisation suggèrent aussi que les canaux de drainage vont considérablement atténuer l’influence de la restauration du Rhône, et réduisent de plus l’incertitude sur les prévisions.
    L’incertitude des prévisions découlant de la non-unicité du problème inverse est faibles (une gamme de 0.07m en moyenne entre les quantiles q90 et q10), ce qui indiquent que les prévisions du modèle calibré semblent très fiables dans la majeure partie du domaine. Toutefois, cette faible incertitude doit être interprétée avec précaution : l’étude d’un exemple synthétique simple a montré que dans un modèle non-linéaire, la méthode NSMC peut sous-estimer l’incertitude. De plus, l’incertitude sur les paramètres découlant de la non-unicité du problème inverse, et calculée avec la méthode NSMC, est considérée comme faible en comparaison de l’évolution incertaine des propriétés du lit de la rivière dans l’état restauré. Dans la partie amont du modèle, il a été remarqué que les prévisions dépendent fortement de la conductivité hydraulique du lit de la rivière à un tel point que, en dépit de l’abaissement du niveau d’eau de la rivière, un léger accroissement de la conductivité du lit de la rivière produit une hausse du niveau piézométrique dans la nappe.
    Summary
    The main objective of this thesis is the quantitative evaluation of the impact of the Third Rhône correction (PR3) on groundwater within the Rhône alluvial aquifer. PR3 is a river restoration project which aims at improving flood protection and at upgrading the ecologically deficient streambed of the Rhône River (Valais, Switzerland). The approach taken to extend the drainage capacity of the Rhône River is a widening of the streambed, which causes at large a lowering of river stages (of about 0.9 m on average).
    The impact of PR3 on groundwater was estimated using a steady state numerical flow model that was calibrated against average hydraulic head. The numerical model allows integrating data and can be used to simulate the system behavior under conditions which differ from the ones of the investigated state. When the model is used to simulate future system behavior, its predictions contain necessarily a certain degree of uncertainty. Two sources of predictive uncertainty were explored herein. On the one hand the non-uniqueness of the solution of the inverse problem, i.e. the estimation of model parameters based on available measurements of hydraulic head; on the other hand the uncertainty as to how the streambed conductance of the Rhône River will be altered as a consequence of the restoration. Predictive uncertainty arising from the non-uniqueness of the inverse problem was assessed by the “null space Monte Carlo” (NSMC) method implemented in PEST; predictive uncertainty associated with the uncertain evolution of the streambed conductance was estimated by a sensitivity analysis of model predictions to streambed conductance.
    The model is based upon a conceptual understanding of the system gained through interpretation of available data. Those data clearly suggests that the system is strongly driven by regional controls and that the interaction of groundwater with the Rhône River, as well as with ditches, plays a key role.
    The model is consistent with field measurements (head measurements, patterns of SW-GW interaction, exchange flow at ditches). One unexpected result of the model is that high SW-GW exchange flows occur on short stretches of the Rhône River close to gravel pits and at in-stream quarries.
    Assuming that streambed properties will return to a stable state identical to the current state (involving the development of a clogging layer), the model predicts that the groundwater table will lower at large in response to the PR3 in the long-term. Modeling results suggest also that drainage ditches considerably attenuate the influence of the restoration, and that furthermore they reduce predictive uncertainty.
    The predictive uncertainty arising from the non-uniqueness of the inverse problem is small (q90–q10 inter-percentile range of 0.07 m on average), indicating that the predictions made using the calibrated model seem to be very reliable in most parts of the model. However, this low uncertainty has to be interpreted with care: a simple synthetic example showed that in the context of a nonlinear model, the NSMC methodology potentially underestimates uncertainty. Moreover, parameter uncertainties arising from the non-uniqueness of the inverse problem are considered as low as compared to the uncertain evolution of streambed properties in the restored state. In the upstream part of the model, predictions were found to depend strongly on streambed conductance, to the point that despite the lowering of river stages, already a slight increase of the streambed conductance produces a rising of the groundwater table.
    Zusammenfassung
    Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist es, den Einfluss der 3. Rhonekorrektion (PR3) auf das Grundwasser des alluvialen Rhonetal-Aquifers quantitativ abzuschätzen. PR3 ist ein Projekt zur Flussrestaurierung der Rhone (Wallis, Schweiz) mit den Hauptzielen, den Hochwasserschutz zu verbessern und den Fluss ökologisch aufzuwerten. Das Projekt verfolgt den Ansatz, die Abflusskapazität des Flusses mittels einer Aufweitung des Flussbettes zu erhöhen; generell bewirkt dies eine Absenkung des Wasserspiegels der Rhone (um ca. 0.9 m im Mittel).
    Der Einfluss des PR3 auf das Grundwasser wurde mit Hilfe eines stationären numerischen Grundwasserfliessmodelles abgeschätzt, welches unter Verwendung von Mittelwerten des hydraulischen Potentials im Aquifer kalibriert wurde. Das numerische Modell eignet sich gut zur Integration vorhandener Daten und kann dazu verwendet werden, ein System unter veränderten Bedingungen zu untersuchen. Modellvoraussagen über das Verhalten des Systems in der Zukunft sind notwendigerweise mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. In dieser Arbeit wurden zwei mögliche Quellen, aus denen sich Unsicherheiten bezüglich der Modellvoraussagen ergeben, berücksichtigt: einerseits die Unmöglichkeit, die Parameter des Fliessmodelles aus den vorhandenen Messungen des hydraulischen Potentials im Aquifer eindeutig zu bestimmen; andererseits die Ungewissheit darüber, wie die Durchlässigkeit der Rhonesohle sich im Zuge des PR3 verändert. Die Schätzunsicherheit, welche aus der fehlenden Eindeutigkeit des Inversen Problems entsteht, wurde mittels der „null-space-Monte-Carlo-Methode“ (NSMC) in PEST bemessen; die Unsicherheit, welche sich aus der Abhängigkeit der Modellvorhersagen von der unsicheren Entwicklung der Durchlässigkeit der Flusssohle ergibt, wurde mittels einer Sensitivitätsanalyse abgeschätzt.
    Das Modell basiert auf einem konzeptuellen Verständnis des Systems, welches durch die Interpretation der vorhandenen Daten gewonnen wurde. Diese Daten deuten eindeutig an, dass das System zu einem bedeutenden Teil durch Prozesse auf regionalem Massstab gesteuert wird und dass die Wechselwirkung von Grundwasser mit der Rhone sowie mit Kanälen eine Schlüsselrolle einnimmt für das Funktionieren des Aquifers.
    Das Modell ist konsistent mit Feldmessungen (Messungen des hydraulischen Potentials, Muster der Wechselwirkung zwischen Oberflächengewässer und Grundwasser, Austauschraten an Kanälen). Ein unerwartetes Modellresultat ist das Auftreten von hohen Austauschraten zwischen der Rhone und dem Grundwasser auf kurzen Abschnitten der Rhone in der Nähe von Baggerseen und an Stellen mit Kiesentnahmen aus dem Rhonebett.
    Unter der Voraussetzung, dass die Eigenschaften des Rhonebettes langfristig den heutigen entsprechen (was die Entwicklung einer Kolmationsschicht mit einschliesst), sagt das Modell als Folge des PR3 langfristig eine Absenkung des Grundwasserspiegels voraus. Die Modellresultate deuten auch an, dass die Drainagekanäle die Auswirkungen der Restaurierung merklich abmindern und dass deren Präsenz ausserdem die Unsicherheit der Modellvoraussagen reduziert.
    Die Unsicherheit der Voraussagen, die aus der Schätzunsicherheit der Parameter resultiert, scheinen die Voraussagen des kalibrierten Modelles an den meisten Stellen des Modells sehr verlässlich (durchschnittlicher x90–x10 Interperzentilbereich von 0.07 m). Diese geringe Unsicherheit muss jedoch mit Vorsicht gedeutet werden: ein einfaches synthetisches Beispiel verdeutlichte, dass die NSMC-Methode in nichtlinearen Modellen die Unsicherheit potentiell unterschätzt. Ausserdem wurde die mit der NSMC-Methode ermittelte Schätzunsicherheit als klein eingestuft im Vergleich zur Unsicherheit, die im Zusammenhang mit der ungewissen Entwicklung der hydraulischen Durchlässigkeit der Rhonesohle im restaurierten Zustand besteht. Es zeigte sich, dass die Modellvorhersagen im obstromseitigen Teil des Modells stark von der Durchlässigkeit der Rhonesohle abhängen; so sehr, dass in diesem Bereich schon eine geringfügige Zunahme der Durchlässigkeit der Rhonesohle trotz einer projektbedingten Absenkung des Wasserspiegels der Rhone einen Anstieg des Grundwassers nach sich zieht.