D’importants efforts ont été menés pour l’évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines grâce à des modèles physiques, adaptables à toutes sortes de contraintes liées aux ressources hydrogéologiques. Une approche nouvelle, fondée sur un modèle de processus pour l’évaluation de la vulnérabilité des ressources en eaux souterraines, est proposée et décrite pour le bassin versant de la rivière Saint-Charles, Québec. Un modèle couplé d’écoulements de surface (2D) et souterrains (3D) est implémenté pour une simulation en régime (quasi) permanent. Le temps de résidence de l’eau souterraine est calculé comme une caractéristique intrinsèque du milieu. Il est utilisé conjointement aux scénarios DPSIR (Driving forces - Pressures - State - Impact - Responses) futurs pour déterminer la sensibilité du système. Un changement climatique (diminution de la précipitation) ainsi qu’un changement d’occupation du sol (urbanisation) sont simulés. La distribution spatiale de la sensibilité du modèle est évaluée grâce à l’étude de différentes variables et forme une base pour la prédiction de la vulnérabilité, présentée en valeurs-seuils de dégâts du système hydrogéologique. Par la suite, les scenarios sont comparés à l’aide d’une analyse de décision multicritères (MCDA) qui fournit une base d’évaluation commune en tenant compte des critères quantitatifs (p.ex. pourcentage du système très vulnérable) et non-quantitatifs (p.ex. importance du scenario/probabilité). La MCDA donne la priorité au scenario de l’urbanisation par rapport à la vulnérabilité et à l’investigation des réponses potentielles. Ce travail fournit un outil puissant pour l’analyse de l’interaction de l’Homme avec son environnement. Une interprétation intégrée (surface/sous-sol) du système est essentielle parce que la vulnérabilité est une fonction de l’origine et de la nature de la pression, ainsi que la variable choisie pour analyser son impact. La plupart des impacts sur un système peuvent être mesurés, analysés et validés dans une modèle calibré en régime permanent. La fiabilité de prédictions de la vulnérabilité principalement souffre du manque d’unicité générale des modèles et l’incertitude des paramètres. Les travaux futurs devraient se concentrer sur l’amélioration de l’approche combinée en fournissant des recommandations claires d’évaluation de la vulnérabilité avec un catalogue de valeurs seuil différenciant les dégâts au système dans l’espace et le temps. / Approaches that rely on process-based models to assess groundwater vulnerability, as opposed to empirical relationships, have recently gained more attention as they have the potential to provide a general framework for all types of (re)source and stress relations. A comprehensive and sustainable management system is needed, based on integrated surface and groundwater models, for effective surface and groundwater protection on a scientific defensible basis. Using a process-based model, an approach to assess intrinsic groundwater vulnerability is proposed and demonstrated for the Saint-Charles River catchment, Québec. A fully integrated 2D surface and 3D groundwater flow model is implemented to simulate quasi steady-state flow in the catchment. Groundwater transit times, which represent an intrinsic system characteristic, are simulated with the flow model. They are then combined with future DPSIR (Driving forces - Pressures - State - Impact - Responses) vulnerability scenarios to assess the system sensitivity. Climate change (decreasing precipitation) and land use change (urbanization) scenarios are simulated. Sensitivity coefficients are calculated for multiple state variables and form the basis for the system vulnerability prediction, with system threshold values of well-being. The scenarios are then compared with a MCDA (Multi-Criteria Decision Analysis) framework, which provides a common evaluation basis, accounting for quantitative (e.g. highly vulnerable catchment percentage) and non-quantitative (scenario relevance and probability) criteria. The MCDA ranks vulnerability and response investigation for the urbanization scenario with highest priority. When combined, the physical and generic framework-based vulnerability approaches represent a powerful tool for analyzing human- environmental interactions and impacts. An integrated surface and groundwater consideration is essential because the vulnerability is a function of the nature and origin of pressure (i.e. scenario specific) and the state variable chosen. Most system changes and impacts can be measured, analyzed and validated within a calibrated model for (quasi) steady-state conditions. The reliability of predicted system vulnerabilities is mainly subject to conceptual and parameter uncertainties and can suffer from the non-unique model calibration issues. Future work should focus on improving the combined approach by providing a clear guidance for the vulnerability evaluation with a threshold rating system which classifies the system damage state in space and time. / Das Hauptaugenmerk rezenter Ansätze zur Grundwasser vulnerabilitäts Kartierung liegt auf Prozessbasierten Modellen auf der Grundlage eines allgemein umfassenden, universellen Rahmenwerkes. Zunehmender Focus liegt dabei auf der Entwicklung eines nachhaltigen Management Systems mit integrierter Betrachtung von Oberflächen- und Untergrundwasser. Ein prozessbasierter Modell Ansatz zur Bestimmung der intrinsischen Grundwasser Vulnerabilität ist hier vorgestellt und dessen Anwendung für das Grundwassereinzugsgebietes des Saint-Charles River, Québec, demonstriert. Ein integriertes, hydrogeologisches 2D Oberflächen und 3D Untergrund Modell wurde zu diesem Zweck erstellt, und auf dessen Basis das quasi stationäre Strömungsregimes des ausgewählten Einzugsgebietes simuliert. Grundwasser Verweilzeiten, als intrinsische System Charakteristik, sind mithilfe des Strömungsmodells berechnet. In Verbindung mit prognostischen DPSIR (Driving forces - Pressures - State - Impact - Responses) Vulnerabilität Szenarien dienen diese zur Berechnung der räumlichen Verteilung der System Sensitivitätskoeffizienten. Als Szenarien sind klimatischer Wandel (Niederschlagsabnahme) und landnutzungs Änderungen (Urbanisierung) betrachtet. Die Berechnung der Sensitivitätskoeffizienten beruht dabei auf verschiedenen System Zustandsvariablen und dient als Grundlage für die darauf aufbauenden, Grenzwert abhängigen Vulnerabilitätskoeffizienten. Ein Vergleich der unterschiedlichen Vulnerabilität Szenarien auf der Grundlage einer gemeinsamen Bewertungsbasis und unter Einbeziehung von quantitativen (z.B. prozentuale Verteilung der Einzugsgebiet Vulnerabilität) sowie nicht-quantitativen (z.B. Szenario Relevanz und Wahrscheinlichkeit) Kriterien ist mithilfe einer Multikriteriellen Entscheidungsanalyse (MCDA) erreicht. Das Urbanisierung Szenario ist dabei als Priorität bezüglich der Vulnerabilitätsbewertung sowie der Notwendigkeit weiterer (Gegenmaßnahmen) Untersuchungen eingestuft.Der kombinierte Ansatz eines physikalisch basierten Models auf der Grundlage eines allgemeinen Rahmenwerkes zeigt großes Potential für die Analyse und Interpretation von Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt. Eine integrierte Betrachtung von Oberflächen und Grundwasser erweist sich dabei als Essentiell, da die System Vulnerabilität sowohl von den betrachteten System Zustandsvariablen, als auch vom Szenario spezifischen Ursprung und der Art des betrachteten System Stresses abhängt. Die meisten Szenario abhängigen Systemänderungen innerhalb eines hydrogeologischen Systems können dabei auf der Grundlage eines kalibrierten, (quasi) stationären Models gemessen, analysiert und verifiziert werden. Die Verlässlichkeit der prognostizierten System Vulnerabilitäten ist dabei wesentlich bestimmt durch Faktoren wie dem Model Konzept und Parameter Ungewissheiten, sowie der Model Kalibrierung. Focus zukünftiger Arbeiten sollte auf der Verbesserung des vorgestellten kombinierten Ansatzes liegen, unter Einbeziehung eines Grenzwert Kataloges zur räumlichen und zeitlichen Definition des Systemzustandes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/26110 |
| Date | 23 April 2018 |
| Creators | Graf, Tobias |
| Contributors | Therrien, René, Lemieux, Jean-Michel |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxix, 209 pages), application/pdf |
| Coverage | Québec (Province) |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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