京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(農学) / 乙第13180号 / 論農博第2859号 / 新制||農||1061(附属図書館) / 学位論文||H30||N5102(農学部図書室) / (主査)教授 小杉 緑子, 教授 北山 兼弘, 教授 舟川 晋也 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

This thesis explores key aspects for synthesizing data across spatiotemporal scales relevant for water resources management in an Eastern Africa context. Specifically, the potential of large scale global precipitation datasets (GPDs) in data limited regions to overcome spatial and temporal data gaps is considered. The thesis also explores the potential to utilize limited and non-continuous streamflow and stream water chemistry observations to increase hydrological process understanding. The information gained is then used to build a coherent hydro-climatic framework for streamflow modelling. In this thesis, Kilombero Valley Drainage Basin (KVDB) in Tanzania is used as an example of a data limited region targeted for rapid development, intensification and expansion of agriculture. As such, it is representative for many regions across the Eastern Africa. With regards to the data synthesis, two satellite products, three reanalysis products and three interpolated products were evaluated based on their spatial and temporal precipitation patterns. Streamflow data from KVDB and eight subcatchments were then assessed for quality with regards to missing data. Furthermore, recession analysis was used to estimate catchment-scale characteristic drainage timescale. Results from these streamflow analyses, in conjunction with a hydrological tracer-based analysis, were then used for improved understanding of streamflow generation in the region. Finally, a coherent modelling framework using the HBV rainfall-runoff model was implemented and evaluated based on daily streamflow simulation. Despite the challenges of data limited regions and the often large uncertainty in results, this thesis demonstrates that improved process understanding could be obtained from limited streamflow records and a focused hydrochemical sampling when experimental design natural variability were leveraged to gain a large  signal to noise ratio. Combining results across all investigations rendered information useful for the conceptualization and implementation of the hydro-climatic modelling framework relevant in Kilombero Valley. For example, when synthesized into a coherent framework the GPDs could be downscaled and used for daily streamflow simulations at the catchment scale with moderate success. This is promising when considering the need for estimating impacts of potential future land use and climate change as well as agricultural intensification. / Denna avhandling utforskar aspekter på att syntetisera data med olika rumslig och temporal upplösning, vilket är centralt för vattenförvaltning i östra Afrika. Särskilt fokus ligger på att undersöka möjligheten till att använda globala nederbördsdataset för att fylla rumsliga och temporala luckor där data saknas. Avhandlingen undersökeräven möjligheten till att använda flödesdata med icke-kompletta tidsserier samt kemidata från vattendrag för att utöka kunskap-en om hydrologiska processer. Informationen används för att bygga upp ett integrerande ram-verk för hydro-klimatologisk modellering som exempelvis kan användas för att utforska ef-fekten av ett utökat och intensifierat jordburk på vattenresurser. I denna avhandling användes Kilomberodalens avrinningsområde (Tanzania) som exempel på ett databegränsat område där det pågår en intensiv utökning av jordbruksverksamhet. Detta område kan ses som representa-tivt för ett stort antal områden inom östra Afrika.Datasyntesen innefattade två nederbördsprodukter baserade på satellitdata, tre baserade på återanalysprodukter samt två baserade på interpolering av observervationsdata från regnmä-tare. Dessa åtta produkter utvärderades baserat på deras nederbördsmönster i rum och tid. Ut-över detta utvärderades vattenföringsdata från Kilomberodalens avrinningsområde samt åtta delavrinningsområden utifrån mängden saknad data i respektive tidsserie. Vidare användes resultaten från hydrologisk recessionsanalysför att uppskatta den karaktäristiska avrinningsti-den för avrinningsområden. Resultaten från recessionsanalysensamthydrologiskt spårämnes-försök användessedan för att utöka kunskapen om avrinningsbildning och vattenföring i om-rådet samt som stöd i valet av hydrologiskt modelleringsverktyg. Avslutningsvis användes HBV-avrinningsmodellen för att simulera daglig vattenföring. Trots utmaningen i att arbeta iett databegränsat område och de osäkerheter i resultat som detta tenderar att leda till visar resultaten att det var möjligt att använda begränsad vattenfö-ringsdata och vattenkemidata för att utöka den hydrologiska processförståelsen av området. Detta möjliggjordes genom ett experimentellt upplägg som utnyttjade till ett stort signal-till-brusförhållande under rådande förhållanden av naturlig variabilitet. Kombinerade resultat från alla genomförda studier kunde utnyttjas vid konceptualiseringen och implementeringen av ramverket för hydroklimatologisk modellering av Kilomberodalens avrinningsområde. Till exempel kunde de globala nederbördsdataseten användas för lokal modellering av flödesdata med viss framgång efter syntes och implementering i det integrerande ramverket för hydro-klimatologisk modellering. Detta är lovande med tanke på behovet av att undersöka vilken påverkan möjliga framtida förändringar i markanvändning, klimat samt jordbruk har på den lokala och regionala miljön. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript.</p>

La compréhension du fonctionnement des aquifères karstiques est un enjeu considérable au vu des structures complexes de ces réservoirs. La forte hétérogénéité des écoulements induit une grande vulnérabilité de ces milieux et des comportements variés au cours des crues en lien avec différents processus de recharge. Dans le Massif du Jura, les aquifères karstiques constituent la principale ressource en eau potable et posent la question de leur rôle dans la dégradation de la qualité de l'eau observée depuis plusieurs décennies. Cette thèse propose différentes approches complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues dans ces aquifères sous diverses conditions hydrologiques. Plusieurs systèmes karstiques du Massif du Jura, présentant des dimensions variables et dominés par des mécanismes de recharges distincts, sont caractérisés à partir de suivis physico-chimiques et hydrochimiques détaillés.Tout d'abord, les différents systèmes sont comparés à l'échelle du cycle hydrologique et à l'échelle saisonnière afin d'identifier les processus de recharge dominants (infiltrations localisées et/ou diffuses) ainsi que les signatures hydrochimiques caractéristiques (arrivées allochtones, autochtones et/ou anthropiques). Une étude comparative de deux systèmes met en avant la forte variabilité saisonnière de la réponse hydrochimique sur un système marqué par une recharge localisée importante. Les différents systèmes sont ensuite analysés à une échelle de temps plus fine afin de mieux comprendre les dynamiques de crues. Une crue intense d'automne a été ainsi comparée à de plus petites crues précédées par des périodes d'étiages importantes et marquées par des signatures hydrochimiques anthropiques significatives. A partir de ces résultats, la méthode EMMA (End-Member Mixing Analysis) est appliquée afin d'établir les principaux pôles hydrochirniques responsables des contributions caractéristiques des différents systèmes. Ensuite, au vu du transport important de matières en suspension au cours des crues dans ces aquifères, une partie de ce travail vise à mieux comprendre le rôle et l'impact de ces matières sur le transport dissous et colloïdal. Les éléments traces métalliques (ETM) sont utilisés afin de caractériser l'origine et la dynamique des transferts. Ils apparaissent alors comme des outils pertinents pour identifier des phénomènes de dépôts et de remobilisation de particules dans le système. Ces dynamiques s'observent à la fois sur le système de Fourbanne marqué par une infiltration localisée importante et sur le petit système du Dahon, caractérisé par une infiltration diffuse.Finalement, afin de mieux comprendre la variabilité spatio-temporelle des interactions qui ont lieu au cours des crues le long du conduit karstique, une nouvelle approche de modélisation est définit. Elle propose l'utilisation des équations de l'onde diffusante et d'advection-diffusion avec la même résolution mathématique (solution analytique d'Hayarni (1951)) en supposant une distribution uniforme des échanges le long du conduit. A partir d'une modélisation inverse, elle permet alors d'identifier et d'estimer les échanges en termes de flux hydriques et de flux massiques entre deux stations de mesure. Cette méthodologie est appliquée sur le système de Fourbanne le long de deux tronçons caractérisant (1) la zone non-saturée et (2) zone non-saturée et saturée. L'analyse de plusieurs crues permet d'observer des dynamiques d'échanges variées sur les deux tronçons. Elle permet ainsi d'établir un schéma de fonctionnement du système soulignant des interactions importantes dans la zone saturée et également le rôle de la zone non-saturée pour le stockage dans le système karstique.Ce travail de thèse propose donc un ensemble d'outils riches et complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues et montre l'importance de coupler l'analyse des processus hydrodynamiques et hydrochimiques afin de mieux déchiffrer le fonctionnement de ces aquifères. / The understanding of karst aquifer functioning is a major issue, given the complex structures of these reservoirs. The high heterogeneity of the flows induces a high vulnerability of these media and implies distinct behaviours during floods because of various infiltration processes. In the Jura Mountains, karst aquifers constitute the main source of water drinking supply and raise the question of their role in the degradation of water quality observed for several decades. This work uses complementary approaches to better understand the dynamics of floods in aquifers under various hydrological conditions. Several karst systems of the Jura Mountains, varying in size and characterized by distinct recharge processes, are investigated by detailed physico-chemical and hydrochemical monitoring.First, the different systems are compared at the hydrological cycle scale and at the seasonal scale to identify the dominant recharge processes (localized and/or diffuse infiltrations) as well as the characteristic hydrochemical signatures (allochtonous, autochthonous and/or anthropogenic). A comparative study of two systems with distinct recharge processes highlights the high seasonal variability of the hydrochemical response. The different systems are then analysed on a finer time scale to shed light on flood dynamics. An intense autumn flood was thus compared to smaller floods preceded by periods of significant low flow and marked by significant anthropogenic hydrochemical signatures. The EMMA (End-Member Mixing Analysis) method is applied to these results in order to establish the main hydrochemical end-members responsible for the characteristic contributions of the different systems.Then, considering the important transport of suspended matter during floods in these aquifers, part of this work aims to better understand the role and impact of these materials on dissolved and colloidal transport. Metal trace elements (ETM) are used to characterize the origin and transfer dynamics. These are relevant tools to identify the processes of storage and remobilization of the particles in the system. These dynamics are observed both on the Fourbanne system with an important localized infiltration, and on the small Dahon system, characterized by diffuse infiltration.Finally, in order to shed light on the spatio-temporal variability of the interactions that occur along the karst network during floods, a new modelling approach is defined. It is based upon the use of the diffusive wave and advection­diffusion equations with the same mathematical resolution (Hayami's analytical solution (1951)) assuming a uniform distribution of the exchanges along the reach. An inverse modelling approach allows to identify and estimate the exchanges in terms of water flows and solute between two measurement stations. This methodology is applied to the Fourbanne system on two sections characterizing (1) the unsaturated zone and (2) unsaturated and saturated zone. The analysis of several floods highlights the different exchange dynamics on the two sections. It thus makes it possible to establish a functioning scheme of the system, bringing to light the important interactions in the saturated zone and also the storage role of the unsaturated zone in the karst system.This work offers a set of rich and complementary tools to better characterize the dynamics of floods and shows the importance of coupling the analysis of the hydrodynamic and hydrochemical processes to better decipher the functioning of these aquifers.