Propagation d'incertitudes dans la modélisation des étiages karstiques // uncertainty propagation in modeling of low flows in karst aquifers

Topic description

Les aquifères karstiques carbonatés, qui couvrent 15 % de la surface terrestre et fournissent de l'eau douce à près de 25 % de la population mondiale, sont confrontés à un stress d'épuisement dû à l'augmentation des prélèvements d'eau, au changement d'affectation des sols et au changement climatique. L'évaluation des ressources en eau des aquifères karstiques reste un défi par rapport aux aquifères poreux classiques en raison de leur comportement de porosité double à triple. De nos jours, et en particulier depuis, une attention particulière est accordée à l'estimation de la dynamique annuelle des basses eaux dans ces aquifères. Cela constitue un nouveau défi pour la communauté scientifique, car cette période critique dépend largement du processus de recharge hivernale et printanière et des différents prélèvements sur le bassin versant. À l'heure actuelle, la précision de l'estimation du débit minimal annuel n'est pas suffisante pour les agences chargées des ressources en eau, et une forte pression sociale rend nécessaire la mise en place de progrès rapides. Le projet vise à répondre à deux questions méthodologiques principales :

[1] Comment l'incertitude inhérente aux différents forçages météorologiques/climatiques des systèmes hydrogéologiques se propage-t-elle dans un modèle conceptuel hydrologique et génère-t-elle une incertitude dans les statistiques d'estimation des débits faibles ?
[2] Comment une procédure d'optimisation dédiée peut-elle améliorer l'estimation des statistiques de débit d'étiage ? Nous explorerons ici la possibilité d'un processus d'optimisation dynamique qui permettra d'une part de prendre en compte la non-stationnarité des paramètres du modèle au cours de l'année hydrologique et d'autre part une fonction objectif variable dans le temps sur l'année hydrologique.
Le projet vise à proposer de nouveaux paradigmes dans la modélisation hydrogéologique karstique grâce à l'introduction de nouvelles méthodes de propagation des incertitudes et de procédures d'optimisation originales qui pourraient être utilisées plus globalement dans la modélisation hydrologique. La méthodologie sera appliquée à trois bassins versants situés sur le territoire de l'Agence de l'eau Adour Garonne : le Baget, l'Ouysse et la Touvre. Le bassin versant non anthropisé du Baget constituera le bassin versant test, car il dispose de longues séries chronologiques. Le bassin versant de l'Ouysse est alimenté à la fois par des recharges autogènes et allogènes provenant de terres imperméables externes. Sa source karstique est une source primaire d'approvisionnement en eau domestique. La source karstique de la Touvre est la deuxième plus grande résurgence d'eau en France, rechargée par une zone autogène sur un impluvium karstique et par les pertes d'eau des cours d'eau souterrains qui drainent les bassins non karstiques externes de la Tardoire, du Bandiat et de la Bonnieure. Le bassin versant est fortement exploité pour l'irrigation des cultures et l'approvisionnement en eau domestique de plus de habitants de la ville d'Angoulême.
L'application de la méthodologie à ces trois bassins versants permettra une diffusion aisée des résultats auprès des communautés universitaires et publiques spécialisées dans les ressources en eau.
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Carbonate karst aquifers, which cover 15% of Earth's surface and provide freshwater to nearly 25% of the global population, are facing depletion stress due to increased water abstraction, land use change, and climate change. The assessment of water resources in karst aquifers remains a challenge compared to classical porous aquifers due to their dual-to-triple porosity behavior. Nowadays and especially since, a particular attention is devoted to the estimation of the annual low water dynamics in these aquifers. This constitutes a new challenge for the scientific community since this critical period is largely dependent of the winter and spring recharge process and of the different withdrawals on the watershed. Now, the accuracy of the estimation of the annual minimum discharge is not sufficient for the water resources agencies and a strong societal pressure lead to a need for rapid advances. The project aims to answer to two main methodological issues:

[1] How the incertitude inherent to the different meteorological/climate forcings of the hydrogeological systems propagates in a hydrological conceptual model and generate incertitude in the low flow estimations statistics?
[2] How a dedicated optimisation procedure can improve the estimation of the low flow discharge statistics? We will explore here the possibility of a dynamic optimization process that will allows on one hand to consider a non-stationarity of the model parameters during the hydrological year and on the other hand a time varying objective function over the hydrological year.

The project aims to propose a new paradigms in karst hydrogeological modeling by the introduction of new incertitude propagation methods and an original optimisation procedures that could be used more globally in hydrological modeling. The methodology will be applied to three catchments located over the Adour Garonne Water Agency territory: the Baget, the Ouysse and the Touvre. The not anthropized Baget catchment will constitute the test catchment since long time series are available. The Ouysse watershed is fed by both autogenic and allogenic recharge from external impermeable land. Its karst spring is a primary source of domestic water supply. The Touvre karst spring is the second largest water resurgence in France, recharged by an autogenic area on a karst impluvium and by water losses from sinking streams that drain the external Tardoire, Bandiat, and Bonnieure non-karst basins. The watershed is heavily exploited for crop irrigation and domestic water supply for over, inhabitants in Angoulême City.
The application of the methodolody to these three catchments will allow an easy dissemination of the results to academic an public water resources communities.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral