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Brunner, Philip
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Brunner, Philip
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Professeur ordinaire
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philip.brunner@unine.ch
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- PublicationAccès libreNumerical 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(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 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., 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. - PublicationAccès libreRecharge quantification and continental freshwater lens dynamics in arid regions: application to the Merti aquifer (eastern Kenya)(2015)
; ; Avec une population de près de 400'000 personnes, le camp de réfugiés de Dadaab est le plus grand au monde. Il est situé dans la région semi-aride de l’est du Kenya, proche de la frontière somalienne. L’unique ressource permanente en eau potable pour les réfugiés et les communautés locales provient de l’aquifère de Merti, qui consiste en une large lentille d’eau douce souterraine de 250 km sur 50 km, et qui est entourée par de l’eau salée. L’augmentation des volumes pompés, des signes d’augmentation de la salinité de l’eau et l’incertitude sur la diminution du niveau de l’eau souterraine ont fait prendre conscience du risque d’épuisement de la ressource. Ces observations ont abouti à la nécessité de mieux caractériser la recharge de l’aquifère ainsi que la dynamique entre la lentille d’eau douce et l’eau salée environnante.
Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour quantifier la recharge concentrée à travers un modèle numérique, basé sur la physique des écoulements, couplant l’eau souterraine et l’eau de surface. Ce modèle a eu pour but de reproduire les surfaces inondées durant les crues et a été calibré à l’aide d’images satellites. Deuxièmement, la dynamique de la lentille d’eau douce a été investiguée par une série de modèles numériques synthétiques. Ces modèles ont permis d’analyser les effets des taux de recharge et leurs mécanismes (pluie, recharge concentrée) sur la géométrie de la lentille et de comparer ces géométries simulées avec la géométrie réelle de la lentille de l’aquifère de Merti. Ces deux approches ont été contre-validées à l’aide d’un réseau de monitoring de l’eau souterraine composé de vingt stations de mesures à haute résolution temporelle (15 min), installé sur toute la lentille en septembre 2013. Finalement, les résultats de ces trois axes de recherche ont été combinés dans un modèle numérique régional.
L’approche développée dans cette étude a permis de quantifier une recharge concentrée entre 195 et 329 x 106 m3/a. La recharge diffuse sur la lentille d’eau douce est quant à elle estimée entre 12 et 62 x 106 m3/a. Comparée à ces taux de recharge, l’extraction courante de l’eau souterraine (environ 4.8 x 106 m3/a) est considérée comme durable à l’échelle de l’aquifère. Cependant, la recharge totale est environ 50 à 100 fois plus grande que l’inféroflux traversant le niveau exploité, calculé à l’aide du gradient hydraulique de l’aquifère et des valeurs de transmissivité issues des essais de pompage. Cet écart a mené à postuler la présence d’un aquifère multi-couche considérablement plus épais qu’uniquement l’horizon couramment exploité, mais avec une importante incertitude sur son épaisseur et sur le gradient vertical de salinité entre la lentille d’eau douce et l’eau salée sous-jacente.
Les modèles numériques ont révélé la très grande inertie de l’aquifère et ont également confirmé que la recharge a principalement lieu de manière concentrée lors des évènements de crue, juste en amont de la lentille d’eau douce. La grande inertie de l’aquifère est cohérente avec les faibles variations des niveaux d’eau et de la conductivité électrique (salinité) observées avec le réseau de monitoring.
En conclusion, ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la quantification de la recharge en milieu aride à semi-aride lors d’évènements de crue. Il a également permis de mettre en avant la nécessité de poursuivre le monitoring de l’aquifère et de mener de nouvelles investigations sur l’épaisseur de l’aquifère afin de confirmer les résultats de la recharge., The Dadaab refugee camp, the largest refugee camp in the world with a population of approximately 400’000 persons, is located in the arid to semi-arid eastern Kenya, close to the Somali border. The only permanent water resource for the refugees and the host communities comes from the Merti aquifer which consists in a large continental freshwater lens of 250 km by 50 km surrounded by salty water. The increasing groundwater abstractions as well as signs of increasing salinity and uncertainty on the water level depletion led to the necessity to better characterise the aquifer recharge and the dynamics between the freshwater lens and the surrounding salty water.
Firstly, a new methodology was developed for quantifying the concentrated groundwater recharge through a physically-based coupled surface/groundwater numerical model reproducing inundated surfaces during flood events which is calibrated with inundated surfaces derived from satellite images. Secondly, the dynamics of freshwater lenses are investigated with a series of synthetic numerical models. These models aim to analyse the effect of the recharge rates and mechanisms (rainfall, concentrated recharge) on the freshwater lens geometries and to compare these geometries with the observed geometry of the freshwater lens of the Merti aquifer. These two approaches are cross-validated owing to a groundwater monitoring network of twenty high time-resolution devices installed over the whole freshwater lens in September 2013. Finally, results from these three axes are combined in a regional numerical model.
The approaches developed in this study allowed to quantify a concentrated groundwater recharge to be between 195 and 329 x 106 m3/y. Diffuse recharge contributing to the freshwater lens is estimated to be between 12 and 62 x 106 m3/y. Compared to these recharge rates, the current groundwater extraction (about 4.8 x 106 m3/y), is considered as sustainable on the regional scale. However, this recharge is about 50 to 100 higher than the axial flow estimated with the gradient and the transmissivities obtained with pumping tests. This discrepancy led to postulate the presence of a multi-layer aquifer much thicker than the currently exploited horizon but with uncertainties on its thickness and the vertical salinity gradient.
The synthetic numerical model revealed a very high inertia of the Merti aquifer and confirmed that the recharge of the aquifer is mainly controlled by concentrated recharge on flood plains in the upstream area of the freshwater lens. The high inertia of the aquifer is consistent with the very small groundwater level and electrical conductivity variations observed with the monitoring network.
As conclusion, this work opens new perspectives for the quantification of groundwater recharge in arid to semi-arid areas occurring during large scale flood events. However, it also showed the necessity to continue the monitoring of the aquifer and to carry out further investigations on the aquifer thickness if further exploitations are foreseen.