Collaborations : Informations de conditionnement supplémentaires

Etant donné le manque d’information fiable de piézométrie qui viendraient en complément des mesures continues de débit pour aider à inverser les paramètres du sol (et la géométrie de nappe), les équipes de recherche intéressées par le bassin versant du Strengbach

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se tournent vers l’emploi de mesures géophysiques. Notamment, la résonance magnétique des protons (RMP) (Boucher et al., 2015; Girard et al., 2007, 2005) et les anomalies du signal gravimétrique haute fréquence et haute résolution spatiale suscitent l’intérêt (Masson et al., 2012).

A terme, le but est d’utiliser ces informations géophysiques afin de mieux conditionner les paramètres du sol de NIM. Dans ce but, des collaborations sont en cours avec divers chercheurs. Un post-traitement déterminant la teneur en eau simulée par NIM en tout point de calcul et à toute profondeur a donc été produit. A partir de cette sortie, il est possible de calculer le signal gravimétrique et le signal RMP correspondant aux simulations de stocks locaux en eau issus de NIM. Une comparaison entre les signaux RMP et gravimétriques observés et leurs homologues simulés à partir des sorties de NIM offre ainsi un élément supplémentaire d’évaluation du modèle hydrologique.

Les travaux relatifs au conditionnement de NIM à l’aide d’une étude gravimétrique sont en cours, mais n’ont pas encore produit de résultat tangible. En revanche, le conditionnement de NIM par le signal RMP a déjà abouti a de premiers résultats, présentés ci-après (N. Lesparre, communication personnelle, 2018).

La Figure 95 représente les résultats des simulations de NIM pour 60 jeux de paramètres différents (conductivité hydraulique à saturation, porosité, et épaisseur de l’aquifère) dans la zone correspondant à une profondeur d’environ 8 m dans la géométrie 1 (Figure 85). On appellera cette zone la « zone centrale » dans les paragraphes suivants Dans le reste du bassin versant, les paramètres hydrodynamiques et la géométrie de l’aquifère sont laissés à l’identique pour chacune des 60 simulations (Les paramètres et la géométrie choisis ne correspondent pas exactement à la géométrie 1). La période testée s’étend du 1^er Avril 2013 au 31 Mai 2013. Pour chaque simulation, on a calculé le RMSE entre signal RMP observé et simulé (noté RMSE(RMP) ci-après). On a aussi calculé le KGE pour le débit en RS (noté KGE(QRS) ci-après). Les résultats sont représentés dans un plan à deux dimensions (porosité et épaisseur) pour deux valeurs différentes de conductivité hydraulique à saturation. Une simulation optimale se caractérise par KGE(QRS) = 1 et RMSE(RMP) = 0.

Les conditionnements par le débit à l’exutoire et le signal RMP se complètent bien. En effet, il s’avère difficile de satisfaire à la fois l’un et l’autre des conditionnements. Par exemple, pour une conductivité hydraulique à saturation égale à 10-3 m/s dans la zone centrale (Figure 95, partie basse), les meilleures valeurs de KGE(QRS) sont obtenues pour une forte porosité (20%) et une épaisseur d’aquifère de 8 m environ dans la zone centrale. En revanche, à cette valeur de conductivité hydraulique à saturation, les meilleures valeurs de RMSE(RMP) sont obtenues pour une porosité très faible (5%) et une épaisseur d’aquifère de plus de 11 m.

Avec une conductivité hydraulique à saturation égale à 10^-4 m/s dans la zone centrale (Figure 95, partie haute), les valeurs de KGE(QRS) et RMSE(RMP) sont légèrement moins satisfaisantes qu’à 10^-3 m/s. Néanmoins, à cette valeur de conductivité, les deux

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conditionnements sont plus cohérents l’un avec l’autre, dans le sens où les valeurs optimales de KGE(QRS) et RMSE(RMP) se situent dans la même partie du plan porosité/épaisseur de l’aquifère. Ainsi, trouver la combinaison de paramètres qui maximisent ces deux conditionnements est ardu ; ce constat limite de fait les problèmes d’équifinalité des paramètres du modèle. Par conséquent, la démarche de contrainte des paramètres de NIM par la RMP en sus du débit à l’exutoire s’avère particulièrement intéressante.

Ces collaborations interdisciplinaires s’inscrivent pleinement dans l’objectif du projet HYDROCRIZSTO et mettent en valeur l’applicabilité de NIM sur des problématiques réelles.

Figure 95 : Comparaison entre observations et simulations par NIM pour le bassin versant du Strengbach, pour 60 jeux différents de paramètres hydrodynamiques dans une zone donnée (épaisseur de l’aquifère notée E, porosité notée ϴ, et conductivité hydraulique à saturation notée K). La période simulée s’étend du 1^er Avril 2013 au 31 Mai 2013. On représente le coefficient de Kling-Gupta pour le débit à l’exutoire, noté KGE(QRS) (droite), et le RMSE pour le signal de résonance magnétique protonique, noté RMSE(RMP) (gauche). Les cercles correspondent aux combinaisons de paramètres hydrodynamiques testées. Les petites étoiles correspondent à une simulation de référence. Les grosses étoiles indiquent les combinaisons de paramètres qui produisent les valeurs optimales de KGE(QRS) et RMSE(RMP). De Lesparre (communicaiton personnelle, 2018)

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6 Conclusion

NIM a été appliqué au bassin versant du Strengbach dans le contexte du projet HYDROCRIZSTO.

Différentes spatialisations du champ d’épaisseur de l’aquifère ont été essayées. Les différents tests réalisés attestent qu’il n’est pas nécessaire de modéliser un réseau de fractures profondes pour modéliser correctement le débit à l’exutoire du bassin versant, alors même que l’ensemble des paramètres hydrodynamiques (excepté l’épaisseur de l’aquifère) ont été définis de façon uniforme dans les modélisations réalisées.

Le débit en RS n’est pas le facteur le plus discriminant entre les modèles et s’avère donc être un élément de conditionnement de qualité discutable. Le débit au point RAZS, en revanche, est bien plus ardu à modéliser correctement. Sa prise en compte a permis de retenir la géométrie 1, déduite à partir d’avis d’experts, au détriment des 3 autres spatialisations testées.

En validation sur des périodes plus récentes, la qualité du modèle pour la géométrie 1 ne se dément pas, à l’exception de périodes d’étiage estivales.

Fort de ces résultats, les sorties du modèle ont été soumises à un post-traitement dans le but d’analyser le fonctionnement hydrologique du Strengbach. Ce post-traitement donne lieu à une collaboration avec des chercheurs en géochimie. Une autre série de collaborations est également en cours dans le but d’apporter des éléments de contrainte supplémentaires au modèle hydrologique à partir de mesures géophysiques.

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