hydrological modelling of a glacierized - ETH E

DISS. ETH NO. 22268
HYDROLOGICAL MODELLING OF A GLACIERIZED
CATCHMENT ACROSS SPATIAL AND TEMPORAL SCALES
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. Sc. ETH Zurich)
presented by
FLORIAN ANTOINE KOBIERSKA-BAFFIE
M.Sc. Environmental Engineering, Ecole nationale supérieure des mines de Saint-Etienne
born on 13.06.1983
citizen of France
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Stefano Bernasconi, examiner
Dr. Tobias Jonas, co-examiner
Prof. Dr. James Kirchner, co-examiner
Prof. Dr. Chris Duffy, co-examiner
2014
Summary
Glacierized areas are currently undergoing major evolution because of recent changes in
climatic patterns. Processes controlling the retreat of glaciers are mainly snow accumulation
in winter, and snow and ice melt in summer. This thesis investigates the hydrology of a
catchment with a rapidly retreating glacier. A particular focus is given to subsurface flows in
the pro-glacial area of the catchment. This zone is characterized by soils that are less than 150
years old, the time elapsed since the end of the Little Ice Age in 1850. In order to help better
understand how young soils develop, we strived to identify the main hydrological processes
involved at different temporal and spatial scales. A substantial part of the work has been to
gather field data that would enable different modelling approaches.
Stand-alone sensors were installed for continuous measurements: meteorological data
(temperature, precipitation), water pressure to infer stream flow, electrical conductivity at the
outlet, and groundwater tubes to monitor variations in water table levels. On the other hand,
specific measuring campaigns have allowed estimating local properties and validating,
together with the analysis of the full dataset, a conceptual model of subsurface flows at the
catchment scale and throughout the year. Various and complementary methods have been
implemented:
- Analysis of daily stream level fluctuations, caused by melt waters. The propagation of
these variations into the aquifer was, in absence of previous local knowledge,
modelled assuming a horizontal aquifer base.
- Radon concentration in stream water and groundwater provided an approximate
indication of subsurface residence times
- The analysis of the ground’s electrical resistivity, together with local injection of a salt
tracer plume, allowed the estimation of the groundwater flow direction and velocity at
a specific stream reach.
- Electrical conductivity measurements of meltwater and groundwater at various
locations across the glacier forefield.
Those last measurements combined to the continuous dataset of water table levels, discharge
and electrical conductivity at the catchment’s outlet; were used to validate a mixing model
based on the following representation:
- Total discharge is solely constituted of glacier meltwater (low electrical conductivity)
and groundwater (higher electrical conductivity). The mixing law allows estimating
the proportion of groundwater in total discharge.
- Groundwater exfiltration originates from two reservoirs, one empties slowly to
describe seasonal flow variations, whereas the second is faster as it recharges
according to daily variations in groundwater level. Flow out of both reservoirs follows
a linear law function of their volume.
The model was optimized against discharge for a full hydrological season and displayed
consistent results over several years. Data that was gathered during specific campaigns helped
further validate our conceptual representation of the hydrogeology at this site.
Understanding hydrological processes at the catchment scale should allow improving
predictions for wider geographical scales, of the impact of climate change on water resources.
We carried out, without preliminary knowledge of the catchment’s subsurface hydrology, a
study on the evolution of snow and glacier melt by two different models. One model
described the energy balance in a physical manner, whereas the other modelled melt rates
with a more conceptual approach. For the next 80 years, both models differed in cumulated
discharge volumes, but predicted similar seasonal changes to the hydrological regime such as
peak-day discharge and temporal shifts in spring peak-flow.
iv
Résumé
Les zones glaciaires sont actuellement concernées par des modifications substantielles suite
aux récents changements climatiques. Les processus contrôlant le retrait des glaciers sont
principalement l'accumulation de neige en hiver puis la fonte de neige et de glace en été. La
thèse s'intéresse à l'écoulement des eaux dans le bassin versant d'un glacier en fort recul, et
particulièrement aux écoulements souterrains dans la zone de moraines frontales du glacier.
Cette zone est caractérisée par des sols jeunes, dont l’âge est inférieur à 150 ans, la période
écoulée depuis le petit âge glaciaire de 1850. Ce travail cherche à caractériser les processus
hydrologiques mis en jeu à différentes échelles temporelles et spatiales, afin de mieux
comprendre le développement de ces sols. Une grande partie du travail a consisté à recueillir
des données de terrain permettant différentes approches numériques de modélisation.
Des moyens de mesure permanents ont été mis en place : données météorologiques
(température, précipitation), pressions pour remonter au débit de la rivière, conductivité
électrique à l'exutoire, tubes piézométriques pour connaître le niveau des eaux souterraines.
D'autre part, des campagnes de mesures ciblées ont permis d'identifier les propriétés locales
du site et de valider, en combinaison avec l'exploitation de mesures permanentes, un modèle
conceptuel des écoulements d'eaux souterraines sur l'année à l'échelle du bassin versant. Des
méthodes diverses et complémentaires ont été mises en œuvre :
- analyse des fluctuations journalières du niveau d'eau de la rivière, dues à la fonte. La
propagation de ces variations dans l'aquifère a été, en première approche, modélisée en
assumant un socle imperméable horizontal.
- Concentration en radon de prélèvements d'eau souterraine et de quelques sources, afin
d'avoir une indication sur la durée du séjour souterrain de l'eau de fonte,
- analyse de résistivité électrique du sous-sol, complétée par des injections de sel
permettant de quantifier direction et vitesse des écoulements souterrains locaux.
- Mesures locales de conductivité électrique des eaux de fonte et des eaux souterraines.
Ces dernières mesures, combinées à des mesures continues de niveau piézométrique, de débit
et conductivité électrique à l'exutoire ; ont été exploitées pour valider un modèle de mélange
basé sur la représentation suivante :
- le débit à l'exutoire est constitué d'eau de fonte du glacier (de faible conductivité
électrique) et d'eau souterraine (de plus forte conductivité), la mesure de la
conductivité électrique et du débit permettant de remonter à la proportion de chaque,
- l'eau souterraine provient de deux réservoirs, l'un de vidange lente qui décrit les
variations saisonnières, et l'autre dont la recharge est sujette aux variations journalières
des niveaux piézométriques. Les deux réservoirs se vident chacun selon une loi
linéaire de débit en fonction de leur volume.
L'optimisation des paramètres du modèle, sur une saison entière de mesures, a conduit à une
modélisation consistante à l'échelle de quelques années. Les données récoltées lors des
campagnes ponctuelles ont permis de la compléter pour aboutir à une représentation
conceptuelle des caractéristiques hydrogéologiques du site.
Cette compréhension des processus hydrologiques à l'échelle du bassin versant devrait
permettre de d'améliorer la prévision à des échelles géographiques plus étendues, des impacts
du changement climatique sur la ressource en eau. Une telle extrapolation a été faite, sans
connaissances préalables des écoulements souterrains. Deux modèles ont été testés pour
prévoir la fonte de la neige et des glaciers, l'un décrivant la physique de chaque phénomène,
l'autre ayant une approche plus conceptuelle. Les deux modèles prédisent des évolutions
saisonnières analogues du régime hydrologique pour les 80 prochaines années, mais diffèrent
quant aux volumes cumulés.
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