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Estimation de la recharge à partir de séries temporelles de la température du sol, des niveaux d’eau dans les puits et de données météorologiques: développement méthodologique et évaluation de l’incertitude.

Gosselin, Jean-Sébastien (2016). Estimation de la recharge à partir de séries temporelles de la température du sol, des niveaux d’eau dans les puits et de données météorologiques: développement méthodologique et évaluation de l’incertitude. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 185 p.

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Résumé

De nombreuses méthodes existent pour estimer la recharge, basées sur une grande variété de mesures, mais aucune n’est universelle, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. La recharge varie dans le temps et l’espace sur plusieurs ordres de grandeur. De plus, elle est généralement déduite de mesures indirectes avec des modèles qui reposent sur un ensemble d’hypothèses simplificatrices. Pour ces raisons, une grande incertitude peut être associée à toute estimation de la recharge. C’est pourquoi il est recommandé d’utiliser plusieurs méthodes afin d’accroître le niveau de confiance des valeurs estimées. Ceci ne permet toutefois pas de réduire ni de quantifier l’incertitude sur la recharge. De plus, cette solution n’est pas toujours possible, en raison par exemple de contraintes financières ou des échéanciers des projets. Il y a donc un intérêt pratique et scientifique à améliorer les méthodes d’estimation de la recharge qui sont simples d’application et basées sur des données facilement disponibles. Dans cette optique, cette thèse de doctorat traite de deux de ces méthodes en deux volets distincts. Le premier volet présente une méthode d’estimation de la recharge utilisant des mesures de températures du sol et basée sur l’inversion d’un modèle numérique du transport advectif et conductif de la chaleur. Pour évaluer ses limites d’applicabilité, la méthode a été testée avec plusieurs séries temporelles synthétiques de températures produites avec le simulateur SHAW (Simultaneous Heat and Water model). Les résultats ont démontré qu’il est possible d’estimer la recharge avec une incertitude de moins de 20% lorsque les taux annuels sont supérieurs à 200 mm/a. Toutefois, des analyses de sensibilité ont montré qu’une erreur considérable pouvait être associée aux valeurs estimées lorsque l’incertitude sur les paramètres du modèle inverse et sur les mesures de températures était prise en compte. Ces travaux présentent les difficultés associées à l’estimation précise des taux de recharge diffuse par traçage thermique et dressent un portrait des limites d’application et des sources d’erreurs qui peuvent avoir un impact significatif sur la précision de la méthode. Ils suggèrent que cette méthode n’est pas applicable dans la grande majorité des cas pour évaluer des taux de recharge diffuse. Le second volet de la thèse propose plusieurs développements méthodologiques et informatiques pour l’application d’une méthode d’estimation de la recharge basée sur le calage d’un bilan hydrologique de surface couplé à un bilan en eau d’un aquifère libre à des mesures de niveaux d’eau dans un puits. Un logiciel a été développé pour l’application de la méthode, incluant un algorithme permettant d’estimer et de combler automatiquement les valeurs manquantes dans les séries de données météorologiques quotidiennes qui sont requises par la méthode. Afin d’améliorer la méthode et évaluer l’incertitude, une méthode d’optimisation a été incluse dans le logiciel. Les résultats obtenus suite à l’application de la méthode couplée à un site d’étude confirment qu’elle permet de réduire l’incertitude sur les valeurs de recharge estimées par rapport à l’utilisation des deux méthodes de bilan prises individuellement en contraignant les valeurs des paramètres hydrologiques.

Abstract

Numerous methods exist to estimate recharge, based on a wide variety of measurements, but none is universal, each having advantages and drawbacks. Recharge can vary in time and space over several orders of magnitude and is generally inferred from indirect measurements with models based on a set of simplifying assumptions. For these reasons, a large uncertainty may be associated with any recharge estimate. Therefore, it is recommended to use multiple methods to increase the confidence level of the estimates. This, however, does not allow the reduction or the quantification of the uncertainty. Moreover, this solution is not always possible due to financial constraints, project deadlines, and data availability. There is thus a practical and scientific interest in improving recharge assessment methods that are simple to apply and based on readily available data. In this context, this thesis tackles two of these methods in two distinct parts. The first part presents a method based on the inversion of a numerical model of advective and conductive heat transport to infer recharge from soil temperature measurements. To assess its application limits, the method was tested with several synthetic time series of soil temperatures that were produced with the simulator SHAW (Simultaneous Heat and Water model). Results show that this method can assess recharge with an uncertainty lower than 20% when annual recharge rates are over 200mm/y. However, sensitivity analyses show that the inaccuracy can become very important when the uncertainty of the inverse model parameters and temperature measurements are taken into account. This work highlights the difficulties associated with the accurate assessment of diffuse recharge rates from temperature measurements and better defines the application limits and various sources of errors of the approach. The results suggest that this method is not applicable in most cases to evaluate diffuse recharge rates under real field conditions. The second part offers several methodological and software developments for the application of a recharge assessment technique based on the calibration of a soil moisture balance coupled with an unconfined aquifer water budget to an observed well hydrograph. A computer software was developed for the application of the method, which includes an algorithm for estimating and automatically filling the gaps in daily weather datasets that are required by the method. In order to improve the method and evaluate the uncertainty, a global optimization method was included in the software. Application of this coupled method to a study area confirms that it reduces the uncertainty of recharge estimates compared to the use of both methods taken individually by better constraining the range of plausible values of the hydrological parameters.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Rivard, Christine; Lefebvre, René
Mots-clés libres: estimation de la recharge; traçage thermique; bilans hydrologiques combinés; eau souterraine. hydrogéologie
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 26 avr. 2017 13:46
Dernière modification: 26 avr. 2017 13:46
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5122

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