La gestion durable des aquifères est une problématique grandissante depuis la fin du 20ème siècle. L'exploitation d’une ressource en eau souterraine est qualifiée de durable lorsque la capture des flux environnementaux est considérée comme acceptable sur le long terme. La modélisation hydrodynamique s'impose comme un outil indispensable pour remplacer une gestion réactive par une approche anticipative. Les paramètres hydrodynamiques qui caractérisent un aquifère et contrôlent les variables de sorties des modèles hydrodynamiques sont souvent mal connus. L’estimation de ces paramètres par la modélisation inverse souffre de la non-unicité de la solution optimale. Une approche simplifiée pour la quantification des incertitudes (analyse linéaire) est présentée comme une alternative pragmatique à des méthodes stochastiques inapplicables pour des modèles opérationnels. A partir de la réalisation d’une station expérimentale pilote, différentes méthodes (parfois complémentaires) ont été évaluées pour contraindre la recharge météorique et les propriétés hydrauliques d’un aquifère afin de réduire l’incertitude prédictive. La réalisation d’un modèle vertical couplé sol-surface a permis de démontrer que, dans le contexte étudié, la tension matricielle apporte suffisamment d’informations afin de contraindre la recharge prédite. Une interprétation conjointe d’un essai de nappe libre et des fluctuations piézométriques a permis une estimation intégrée de la recharge et des paramètres hydrodynamiques de la nappe libre. Ce travail de thèse a ainsi permis (i) de démontrer l’intérêt de disposer de méthodes algorithmiques pour la calibration et la quantification des incertitudes paramétriques pour un modèle hydrodynamique de gestion ; (ii) de mener une réflexion méthodologique sur l’utilisation de méthodes existantes afin d’apporter de l’information complémentaire fiable sur les paramètres hydrodynamiques ainsi que sur la recharge météorique. Ce travail offre des perspectives quant à la mise en place d’un réseau de suivi complet à l’échelle d’un bassin hydrogéologique. / The sustainable management of aquifers is a growing problem since the end of the 20th century. For groundwater withdrawals to be considered as sustainable, the capture of environmental flow should remain acceptable over a long-term period. Groundwater modeling is an essential tool to move from a reactive management to an anticipatory approach. Hydrodynamic parameters characterizing the aquifers are often poorly constrained by prior information or history matching. The estimation of these parameters by inverse modeling suffers from the non-uniqueness of the solution. This is an issue when predicted values by groundwater model are used to define legal frameworks. A simplified approach for the quantification of uncertainties (linear analysis) is presented as a pragmatic alternative to stochastic methods that cannot be applied to operational groundwater management models. The implementation of a pilot experimental station brings possibility to evaluate different approaches for the estimate of groundwater recharge and hydrodynamic parameters estimation in order to reduce the uncertainty of groundwater management models. A 1D coupled soil-surface model was used to demonstrate that, in the studied context, matrix potential measurements alone appear as sufficient to constrain coupled model-based estimates of recharge. In addition, a joint interpretation of an unconfined aquifer-test and water table fluctuations has been conducted. Reliable estimates of groundwater recharge can be obtained from water level records when considering long recharge events and a consistent value of drainable porosity. This thesis highlights (i) the necessity to use algorithmic methods for parameters estimation and uncertainty quantification for a groundwater management model; (ii) the interest of different methods to collect reliable hydrodynamic parameters and groundwater recharge estimation. This work can be used to support a monitoring network for parameters estimation at a basin scale.

Agriculture in California’s Central Valley is important to the US economy and food supply. High reliance on groundwater (GW) for irrigation has led to GW overdraft. Among the consequences is that the GW level is lowered, increasing the energy requirements and cost of GW extraction. This is assessed in a case study of the Turlock subbasin, as well as a simplified Cost-Benefit Analysis (CBA), in which the profitability of strategies for avoiding groundwater overdraft is compared to Business As Usual (BAU) for the years 2001 and 2050, using a high and low energy cost estimate. Climate projections are applied to the year 2050. An overdraft of 95 million m3 in 2001 is found to lower the GW level by 19.3cm, leading to an increase in energy requirements and cost of GW extraction of 0.320 Wh/m3 and 0.416 cents/m3, respectively. A reduction in production was found to be less profitable than BAU in all cases except for the year 2050, using high cost estimates. Crop replacement was found to be profitable in all cases. The use of desalinated water was found to be unprofitable in all cases. It is concluded that climate change and irrigation costs will have one or more of the following outcomes: decreased production, a shift towards higher $/m3 crops, and/or increased food prices. / Lantbruk I Kaliforniens Central Valley region är viktig för den Amerikanska ekonomin och livsmedelsförsörjningen. Stort beroende av grundvatten till konstbevattning har lett till grundvatten-övertrassering. Bland dess konsekvenser är att grundvatten nivån sjunker, vilket gör det mer energi-krävande och kostsamt att pumpa grundvattnet. Detta analyseras i fallstudiet, Turlock subbasin, där det även utförs en förenklad kostnads-nytto analys, i vilken lönsamheten av strategier för att undvika grundvatten-övertrassering jämförs med Business As Usual (BAU) för åren 2001 och 2050, baserad på en hög och en låg uppskattning av energi kostnader. Året 2050 beräknas inklusive förväntade förändringar i klimatet. En övertrassering på 95 miljoner m3 i 2001 visar sig resultera i att grundvatten nivån sjunker 19,3 cm, vilket ökar energibehovet och kostnaden av att pumpa grundvatten med 0,32 Wh/m3 respektivt 0,416 cents/m3. Att minska produktionen visar sig att endast vara lönsamt i ett fall: år 2050 med höga energi uppskattningar. Att byta grödor visar sig vara lönsamt i alla fall. Att förbruka desalinerat vatten visar sig vara olönsamt i alla fall. Det dras slutsatsen att förändringar i klimatet och kostnader av konstbevattning kommer att leda till en eller fler av följande utfall: förminskad produktion, ett skift mot högre $/m3 grödor, och/eller förhöjda matpriser.