Modeling the influence of climate change on groundwater Upper Rhine

Cette recherche vise, dans un premier temps, à améliorer la connaissance du fonctionnement de l’aquifère du Rhin Supérieur entre Bâle et Lauterbourg, sur une période de temps présent (janvier 1986 à décembre 2002), puis, dans un deuxième temps, à évaluer l’impact du changement climatique sur l’aquifère. Pour obtenir ces résultats, nous avons utilisé le modèle hydrogéologique HPP-INV (Chardigny, 1997) pour le calage de différents paramètres par méthode inverse, pour évaluer le fonctionnement de l’aquifère du Rhin Supérieur en temps présent. Ce modèle, associé à un modèle hydrologique que nous avons développé pour l’occasion, nous a permis de calculer les évolutions piézométriques et de débits dans les rivières pour les 2 horizons futurs par rapport la période de temps présent. Nous avons d’abord caractérisé l’aquifère et défini son fonctionnement. Au niveau de la hauteur piézométrique et du débit dans les rivières de plaine, nous avons identifié le mois de février comme le mois des hautes eaux et le mois de septembre comme celui des basses eaux. A l’inverse, le Rhin suit un régime nivo-glaciaire, soit une période d’étiage en hiver et une période de pointe durant l’été. Nous avons également mis en évidence l’importance des échanges nappe-rivières dans le fonctionnement de l’aquifère, qui représentent 59 % du débit entrant et 87 % du débit sortant par rapport à la nappe phréatique. L’impact du changement climatique sur l’aquifère est ensuite étudié selon 3 scénarios d’émission de gaz à effet de serre développés par le GIEC (Groupement d’experts Intergouvernementaux sur l’Evolution du Climat) : un scénario optimiste, un scénario pessimiste et un scénario intermédiaire. Ces 3 scénarios d’émissions de gaz à effet de serre ont permis la création de 9 scénarios météorologiques, utilisés pour les prévisions sur 2 horizons futurs par rapport au temps présent (août 1961 à juillet 2000) : un futur proche (août 2046 à juillet 2065) et un futur lointain (août 2081 à juillet 2098). Nous avons déterminé que pour la période de futur proche, l’évolution piézométrique calculée dépend du scénario météorologique. En effet, certains scénarios prévoient un abaissement non significatif du niveau de la nappe, alors que d’autres prévoient une élévation. Enfin, un dernier prévoit une élévation du niveau de la nappe dans sa moitié Sud et un abaissement dans sa moitié Nord. Pour la période de futur lointain, certaines prévisions présentent un abaissement du niveau de la nappe, plus important pour le scénario climatique le plus pessimiste. Les autres scénarios présentent une élévation globale du niveau de la nappe, très variable selon le scénario météorologique.Concernant le débit dans les rivières, tous les scénarios prévoient la même tendance pour les 2 horizons futurs. Le Rhin présente une diminution du débit estival, soit son débit de pointe, et une augmentation de son débit hivernal, soit son débit d’étiage ; ce phénomène, plus important pour la période de futur lointain que pour la période de futur proche, montre une modification du régime du Rhin vers un régime pluvio-nival. Pour les autres rivières, nous avons observé une diminution du débit d’étiage et une augmentation du débit de pointe, plus importantes pour la période de futur lointain (entre -46% et -8% pour le débit d’étiage, et entre +32% et +94% pour le débit de pointe) que pour la période de futur proche (entre -42% et -6% pour le débit d’étiage, entre +0% et +102% pour le débit de pointe).This research aims to, firstly, improve the understanding of the functioning of Upper Rhine aquifer between Basel and Lauterbourg during present time (January 1986-December 2002) and, secondly, assess the impact of climate change on the aquifer. To obtain these results, we used the hydrogeological model HPP- INV (Chardigny, 1997) for different parameters calibration by inverse method, to assess the functioning of the Upper Rhine aquifer in present time. Combining this model with a hydrological model that we developed for the occasion, we could calculate changes of piezometric level and flows in rivers for two future horizons of this report time period. We first characterized the aquifer and defined its operation. At the pressure head and flow in lowland rivers, we identified the month of February as the month of high water and September as the low water month. On the opposite the Rhine follows a snow and ice regime, a period of low water in winter and a peak during summer. We also highlighted the importance of exchange water table/river in the functioning of the aquifer, which represent 59% of the inflow and 87% of the outflow compared to the groundwater. The impact of climate change on the aquifer is then studied through three scenarios of greenhouse gas emissions developed by the IPCC (the Intergovernmental Panel on Climate Change): an optimistic scenario, a pessimistic scenario and an intermediate scenario. These three scenarios led to the creation of nine weather scenarios used to forecast 2 future horizons compared to the present time (August 1961-July 2000) : a near future (August 2046 to July 2065) and distant future (August 2081-July 2098). We determined that for the period of the near future, the calculated piezometric evolution depends on the weather scenario. In fact, some scenarios predict an insignificant lowering of the water, while others predict a rise. Finally, one foresees a raise of the water level in its southern half and a reduction in its northern half. For the distant future, some forecasts show a lowering of the water, the most important diminution for the pessimistic climate scenario. Other scenarios show an overall rise of the water level, variable depending on the weather scenario. Concerning the rivers flows, all scenarios predict the same trend for the two future horizons. The Rhine has a reduced summer flow - its peak flow - and an increase in winter flows - its low flow. This phenomenon, more important for the distant future compared to the near future, shows a shift of the Rhine regime to a snow and rain regime. For other rivers, we observed a decrease in low flows and an increase of the peak flow, more important for the distant future period (between -46% and -8% for low flows, and between +32% and +94% for the peak flow) than the near futur