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Thèse Année : 2023

Development of new and innovative tools for the characterisation, modelling and forecasting of the hydrogeological behaviour of karst aquifers in response to climatic and anthropogenic changes

Développement d’outils nouveaux et innovants pour la caractérisation, la modélisation et la prévision du fonctionnement des aquifères karstiques en réponse aux changements climatiques et anthropiques

Résumé

As a result of erosion due to infiltration and circulation of acidic waters, karst systems have a particular geomorphological structure which generally consists of a substantial and structured heterogeneity conditioned by past flow conditions. Understanding the functioning of flow and storage processes in karst aquifers thus represents a major challenge – especially since these resources provide drinking water to approximately 9 % of the global population. This thesis aims to develop and improve numerical methods and hydrological modelling for characterising the functioning of karst systems in response to climatic and anthropogenic changes. A classification of karst systems hydrological functioning is first proposed. Based on the analysis of recession curves, the method allows to categorise a karst system into 6 classes with different characteristics in terms of storage capacity, draining dynamic and hydrological variability. In parallel, a software – KarstID – is developed to perform various discharge analyses as well as the aforementioned classification. Another aspect of the thesis is dedicated to the evaluation and improvement of lumped parameter models. Benefiting from the framework of the KARMA European project, the accessible data facilitates large-scale and extensive research based on multiple karst systems in the Mediterranean region. Firstly, a comparative study of the performance of two modelling approaches – artificial neural networks and reservoir models – is carried out. The objective is to identify the advantages and disadvantages of each approach, depending on the available data and the objectives of a study. Secondly, the counterbalancing error mechanism on the Kling-Gupta Efficiency and its variants is extensively studied: when calibrating or evaluating a model, counterbalancing errors can artificially lead to a higher criterion score that is not associated with an increase in model relevance. Further work is also focused on the development of new functionalities (related to input data and performance criteria) for KarstMod, a software dedicated to rainfall-runoff modelling for karst systems.
Les systèmes karstiques, principalement constitués par des roches carbonatées, présentent une structure géomorphologique particulière résultant de leur érosion par l’infiltration et la circulation d’eaux acides. La compréhension du fonctionnement des processus d’écoulement et de stockage des eaux des aquifères karstiques représente un défi majeur – d’autant plus que ces ressources alimentent en eau potable environ 9 % de la population à l’échelle mondiale. Cette thèse vise à développer et à améliorer les méthodes numériques et la modélisation hydrologique pour caractériser le fonctionnement des systèmes karstiques en réponse aux changements climatiques et anthropiques. Une classification du fonctionnement des systèmes karstiques est proposée dans un premier temps. Cette classification est basée sur l’analyse des courbes de récession et permet de caractériser un système karstique en six classes sur la base de trois indicateurs, qui reflètent sa capacité de stockage, sa dynamique de drainage et sa variabilité de fonctionnement hydrologique. En parallèle, un logiciel a été développé, permettant de réaliser différentes analyses de débit ainsi que la classification proposée. Un autre aspect de cette thèse est consacré à l'évaluation et à l'amélioration des modèles à paramètres globaux. Bénéficiant du cadre du projet européen KARMA, les données accessibles facilitent les études large échelle basées sur plusieurs systèmes karstiques dans la région méditerranéenne. Dans un premier temps, une étude comparative de la performance de deux approches de modélisation – les modèles réservoir et à réseaux de neurones artificiels – est réalisée. L'objectif est d'identifier les avantages et les inconvénients de chaque approche, en fonction des données disponibles et des objectifs d'une étude. Dans un second temps, le mécanisme de compensation des erreurs sur le Kling-Gupta Efficiency (KGE) et ses variantes est étudié : lors de la calibration ou de l'évaluation d'un modèle, les erreurs de compensation peuvent artificiellement conduire à un score de critère plus élevé qui n'est pas nécessairement associé à une meilleure pertinence du modèle. Des travaux supplémentaires ont également porté sur le développement de nouvelles fonctionnalités (liées aux données d'entrée et aux critères de performance) pour KarstMod, un logiciel dédié à la modélisation réservoir pour les systèmes karstiques.

Domaines

Hydrologie
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04441501 , version 1

Citer

Guillaume Cinkus. Development of new and innovative tools for the characterisation, modelling and forecasting of the hydrogeological behaviour of karst aquifers in response to climatic and anthropogenic changes. Hydrology. Montpellier University, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04441501⟩
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