Déterminisme climatique et hydrogéologique de l'évolution à long terme des niveaux piézométriques

A large number of aquifers exhibit groundwater levels (GWL) with significant interannual to decadal (i.e. low frequency) variations. Low-frequency variations are generally responsible for the succession of wet years (high GWL) and dry years (low GWL) that can be observed in many aquifers. They do not only affect GWL, but also all hydroclimatic variables (precipitation, temperature, streamflow, evapotranspiration), since they are linked to the climate natural variability. Using a database of boreholes scarcely influenced by direct pumping, this thesis aims to study the low-frequency variability (LFV) of GWL, its influence on GWL trends and extremes in metropolitan France, and its link with the large-scale climate patterns.According to the results, GWL trends are mostly downward in French aquifers and over the two reference periods used, 1996-2019 and 1976-2019. However, the LFV has a significant influence on GWL trends, since it is capable of accentuating, mitigating and reversing trends. This can severely complicate the identification of GWL trends linked to climate change. On the other hand, LFV strongly controls the occurrence and magnitude of extreme GWL. This suggests that: (i) a poor projection of climate variability in general circulation model outputs, which are then used to make long-term projections of GWL, may lead to highly uncertain estimates of future GWL trends and extremes; (ii) changes in climate variability may lead to substantial changes in GWL trends and extremes.Atmospheric and oceanic drivers of GWL low-frequency variability are then investigated. Large-scale climate patterns differ depending on the timescale that is considered, interannual (~7 years) or decadal (~15 years), which suggests that different atmospheric circulation modalities are involved in the LFV of GWL. Spatially, the climate drivers are similar at the scale of the Paris Basin, but different from those identified for southern France. The centres of action of identified atmospheric patterns are shifted in comparison with those of standard climatic indices that describe the major-known atmospheric circulation and variability modes, and generally taken as a reference, such as the North Atlantic Oscillation (NAO). These results therefore provide insights for the development of medium-term (a few years) GWL forecasting models, while also emphasizing that those models should take into account: (i) the climate drivers of each timescale of LFV, and (ii) indices derived from the identified climate patterns that best explain local hydrological variability.The last part of this work seeks to evaluate the influence of changes in amplitude of the precipitation LFV on the simulated GWL (mean, variability, extremes) of the Seine Basin. Here, the approach consists of perturbing the LFV of a precipitation field that is used as an input to a hydro(geo)logical model distributed over the Seine catchment, to analyse the GWL response to such perturbations. The results show significant changes in the GWL mean and variance, as well as in the occurrence and severity of extremes. This confirms that a change in climate variability, or the use of biased climate data in terms of LFV, can significantly affect future GWL or computed simulations-projections of GWL.Un grand nombre d’aquifères présentent des niveaux de nappes avec des variations interannuelles à décennales (i.e., basse fréquence) assez marquées. Ces variations bassesfréquences sont à l’origine de la succession d’années humides (hauts niveaux piézométriques) et d’années sèches (bas niveaux piézométriques) qui peut être observée pour certaines nappes. Elles n’affectent pas seulement la piézométrie, mais aussi toutes les variables hydroclimatiques (précipitations, températures, débits des cours d’eau, évapotranspiration), puisqu’elles sont liées à la variabilité naturelle du climat. A l’aide d’une base de données de piézomètres peu influencés par les pompages directs, cette thèse vise à étudier la variabilité basse fréquence (VBF) des niveaux piézométriques (NP), son influence sur les tendances et extrêmes piézométriques de France métropolitaine, et d’étudier son lien avec les patrons de la circulation atmosphérique à large-échelle.D’après les résultats, les tendances piézométriques sont majoritairement à la baisse sur le territoire métropolitain et les deux périodes de référence utilisées, 1996-2019 et 1976-2019. Cependant, la VBF influence significativement les tendances piézométriques, qu’elle est capable d’accentuer, atténuer, inverser, ce qui peut fortement perturber l’identification de tendances liées au changement climatique. D’autre part, elle contrôle fortement l’occurrence et la magnitude des événements piézométriques extrêmes. Ceci suggère que : (i) toute mauvaise projection de la variabilité climatique dans les sorties de modèles de circulation générale, utilisées ensuite pour réaliser les projections à long terme des NP, pourrait entraîner de fortes incertitudes sur les estimations de tendances et extrêmes piézométriques futurs ; (ii) une modification de la variabilité climatique pourrait conduire à des changements substantiels des tendances et extrêmes piézométriques.Les drivers climatiques, atmosphériques et océaniques, de la VBF des NP ont ensuite été explorés. Les résultats montrent qu’ils diffèrent selon l’échelle de variabilité considérée, interannuelle (~7 ans) ou décennale (~15 ans), ce qui laisse supposer que des phénomènes climatiques et modalités de circulation atmosphérique différents sont impliqués dans la VBF des niveaux de nappe. D’un point de vue spatial, les drivers climatiques sont identiques à l’échelle du Bassin parisien, mais sont différents de ceux identifiés pour le sud de la France. Les centres d’action des patterns atmosphériques identifiés sont décalés par rapport à ceux d’indices climatiques standards décrivant les grands modes de circulation et variabilité atmosphérique connus et qui sont généralement pris comme référence tels que l’Oscillation Nord Atlantique (NAO). Ces résultats apportent ainsi des pistes de réflexion pour l’évolution des modèles de prévision des NP à moyen terme (quelques années), et soulignent dans tous les cas que ces modèles devraient prendre en compte : (i) les drivers climatiques de chaque échelle de VBF, (ii) des indices dérivés des patterns climatiques identifiés expliquant au mieux la variabilité hydrologique locale.La dernière partie de ce travail cherche à évaluer l’influence d’un changement d’amplitude de la VBF des précipitations sur les NP (moyenne, variabilité, extrêmes) simulés du Bassin de la Seine. Ici, l’approche consiste à perturber la VBF d’un champ de précipitation utilisé en entrée d’un modèle hydro(géo)logique distribué sur le bassin versant de la Seine, pour analyser la réponse piézométrique à de telles perturbations. Les résultats indiquent des modifications particulièrement importantes de la moyenne et la variance des NP, ainsi que de l’occurrence et de la sévérité des extrêmes. Ceci confirme qu’une modification de la variabilité climatique ou que l’utilisation de données climatiques biaisées en termes de VBF pourrait affecter significativement la piézométrie future ou les simulations-projections des NP produites