Inversion hydrogéophysique à l'échelle du bassin versant – CASH

Le changement climatique aura un impact sur les eaux souterraines en modifiant les régimes de précipitations et en augmentant la demande évaporatoire de l’atmosphère, mettant ainsi en péril la durabilité de réserves d'eau douce. Les environnements montagneux sont particulièrement vulnérables au changement climatique. Les projections indiquent une diminution de la recharge des eaux souterraines dans plusieurs régions montagneuses, tandis que la dépendance aux ressources en eau de montagne devrait augmenter. Cependant, estimer avec précision la dynamique future des eaux souterraines reste un défi.
Les modèles hydrologiques distribués (MHD) basés sur la modélisation des processus physiques sont bien adaptés pour fournir des estimations fiables des changements futurs du stock d’eaux souterraines à l'échelle du bassin versant. Ces modèles fournissent aussi les incertitudes associées à ces estimations. Néanmoins, modéliser l'influence du climat sur les processus hydrologiques dans les environnements montagneux est particulièrement difficile en raison d'un suivi et d'une compréhension insuffisantes de la composante souterraine dans ces régions. Un défi important est de définir la variabilité spatiale des paramètres souterrains qui alimentent les paramètres du MHD. Étant donné la complexité de la représentation précise des processus impliqués dans la dynamique des eaux souterraines, il est crucial de quantifier les incertitudes des projections. Pour aborder ces incertitudes, il est nécessaire de comprendre de manière exhaustive les sources de ces incertitudes et d'analyser en détail les différents facteurs y contribuant.
CASH vise à développer un solveur numérique robuste du problème inverse hydrologique adapté aux applications à l'échelle du bassin versant. Cet outil incorporera les conventionnelles données hydrologiques et, de manière innovante, des données géophysiques, servant (1) d’informations a priori pour délimiter la géométrie des hydrofaciès et les fonctions de densité de probabilité des paramètres hydrauliques, et (2) de données directement sensibles au contenu en eau souterraine et à sa variation spatio-temporelle, qui seront incorporées dans la fonction objective. Les avancées méthodologiques seront testées et validées sur des bassins synthétiques avant d'être appliquées à un véritable bassin versant de tête montagneux : le Strengbach. Sur ce bassin, les variables hydrologiques sont mesurées depuis 35 ans, et de nombreuses mesures géophysiques ont déjà été menées.
L'innovation fondamentale de CASH réside dans l'assimilation de données de résonance magnétique protonique et gravimétriques dans l'inversion hydrogéophysique à l'échelle du bassin versant. Ces mesures détectent respectivement le stockage d'eau variant spatialement et la dynamique hétérogène de la masse d'eau. De plus, ces données mesurent directement la variable principale que nous cherchons à projeter : la quantité d'eau stockée dans le milieu souterrain.
En outre, fournir des informations a priori et leurs statistiques associées de manière robuste est crucial pour résoudre le problème inverse hydrologique. Dans CASH, nous relevons ce défi en capturant la variabilité spatiale des paramètres hydrauliques à travers des mesures géophysiques ponctuelles inversées localement. Ces paramètres seront ensuite interpolés avec des outils géostatistiques spécifiques pour produire des cartes d'informations a priori avec le même maillage que le DHM. Les incertitudes associées des paramètres seront aussi évaluées suivant ce même maillage. Jusqu'à présent, les écoulements de surface ont souvent été la variable prédite par les modèles hydrologiques, car l'incertitude de prédiction des eaux souterraines dépend davantage de la précision de la calibration du modèle hydrologique. Une autre innovation phare de CASH est l'estimation de la variabilité future des ressources en eau souterraine et son incertitude obtenues par le conditionnement du MHD avec des données géophysiques.