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Hydrogéophysique probabiliste pour une meilleure articulation des données géophysiques et modèles hydrogéologiques

Hydrogéophysique probabiliste pour une meilleure articulation des données géophysiques et modèles hydrogéologiques

Probabilistic approach in hydrogeophysics to better articulate geophysical data with hydrogeological models

Proposition de thèse

Spécialité

Géosciences et géoingénierie

Ecole doctorale

GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Directeur de thèse

GESRET Alexandrine

Unité de recherche

Géosciences

ContactAgnès RIVIERE
Date de validité

01/10/2021

Site Web
Mots-clés

hydrogéophysique, propagation d'incertitudes, données géophysiques , modèles hydrodynamiques , écoulements , zone critique ; méthodes sismiques

hydrogeophysics, uncertainty propagation, geophysical data, hydrodynamic models, unsaturated flow, critical zone; seismic methods

Résumé

Ce projet vise à comprendre l'hydrogéologie de la zone critique (ZC). La ZC s'étend du sommet de la végétation à la base des aquifères, avec une épaisseur très variable et une hétérogénéité très importante (cf. www.ozcar-ri.org ; https://www.youtube.com/watch?v=8gW-Vy7zFdU). L'importance stratégique de la ZC pour les ressources mondiales en eau, en nourriture et en sécurité énergétique est de plus en plus reconnue dans un contexte de changement climatique et de développement humain. L'obtention des composantes du cycle de l'eau reste un défi, à la fois en termes de précision et de fermeture du budget dans les flux d'échange à travers la ZC
La connaissance des propriétés hydrodynamiques de la zone critique (ZC) (perméabilité, porosité et paramètres dérivés) et la caractérisation de son contenu en eau (à l'état statique comme transitoire) sont indispensables à la compréhension des processus qu'elle renferme. La résolution, par exemple, des problèmes d'écoulements et de transports au sein des hydrosystèmes souffre (1) d'une connaissance limitée de l'hétérogénéité des milieux qui les constituent ; et (2) d'un accès local et éparse à des mesures directes pour calibrer les modèles. Les flux d'eau, de matière et d'énergie ne sont par conséquent estimés qu'avec des incertitudes élevées (que seules les méthodes de simulations stochastiques permettent de quantifier). L'hydrogéophysique est un des outils actuellement développés afin de limiter ces incertitudes et les « équi-finalités » (la non-unicité) qui affectent la modélisation hydrodynamique. Le développement de méthodes géophysiques innovantes d'une part et, d'approches intégrées combinant mesures hydrogéologiques, géophysiques et géotechniques d'autre part, ont permis d'améliorer la représentation spatiale et temporelle des paramètres physiques du milieu poreux et, en conséquence, une meilleure caractérisation de l'évolution des processus d'infiltrations et chemins préférentiels des écoulements au sein de la ZC. Cette articulation de données et méthodes forme un premier pas encourageant, mais des efforts doivent être fournis en termes de quantification des paramètres estimés, de leurs résolutions spatiales et temporelles et d'estimation des incertitudes associées. Ce projet de thèse prévoit notamment de profiter de bases de données (géophysiques et hydrogéologiques, cf. p.ex. http://hplus.ore.fr/en/) existantes et simulations associées pour : (1) Caractériser la façon dont les incertitudes se propagent de la donnée géophysique (l'observation de terrain) vers les modèles qu'elle propose (selon les méthodes utilisées et dans différents contextes) avec, en particulier, le développement d'une approche d'inversion conjointe probabiliste ; (2) Questionner la considération de ces modèles géophysiques comme « entrées » des modèles hydrogéologiques, voire adapter ou réviser les problèmes directs géophysiques pour mieux répondre aux objectifs de la modélisation ; (3) Estimer la pertinence de l'information transportée et la propagation des incertitudes, des modèles géophysiques, vers les modèles hydrogéologiques afin d'obtenir, in fine, des calibrations plus fiables.

This project focuses on understanding the hydrogeology of the Critical Zone (CZ). This most heterogeneous and complex region of the Earth ranges from the vegetation top to the aquifer bottom, with a highly variable thickness [e.g.. www.ozcar-ri.org ; https://www.youtube.com/watch?v=8gW-Vy7zFdU]. The strategic importance of CZ for global water, food and energy security resources are increasingly recognized in a context of changing climate and human development. Obtaining the components of the water cycle remains a challenge, both in terms of accuracy and budget closure in the exchange fluxes through the CZ.
The knowledge of the CZ, its physical properties (hydraulic conductivity, porosity and associated parameter) and its water content dynamics (permanent and transient states) are essential to describe and simulate the bio-geochemical-physical processes involved. The resolution of flow and transport problems in the CZ suffers from (1) limited knowledge of the heterogeneities of its porous media; and (2) sparse and local direct observations to calibrate models. The water flow, matter and energy transport are therefore estimated with high uncertainties (which are quantified by stochastic methods). As a countermeasure, hydrogeophysics provides a suite of tools that limit these uncertainties and the equifinality (non-unicity of the parameters setup) affecting hydrogeological modeling. The development of innovative geophysical methods combined with hydrogeological and geotechnical measurements, have improved the spatial and temporal characterization of the physical parameters of the porous medium and, consequently, the evolution of infiltration processes and preferential flow paths within the CZ. This articulation between data and methods is encouraging, but efforts should be made to improve the quantification and estimation of the spatial and temporal resolutions of the physical parameters and their associated uncertainties. This PhD project takes advantage of available databases (geophysical and hydrogeological, e.g. http://hplus.ore.fr/en/) and associated simulations to: (1) characterize how uncertainties propagate from geophysical data (field observation) to the models (according to the methods used and the contexts); (2) question the articulation between estimations derived from these geophysical models and the hydrogeological models parametrization; adapt or revise direct geophysical problems to better satisfy modeling objectives; (3) Estimate the relevance of the information transferred from geophysical models to hydrogeological models and the associated propagation of uncertainties in order to obtain more reliable calibrations.

Contexte

Ce sujet de thèse correspond à la poursuite d'une coopération active depuis 10 ans entre les équipes SHR à Mines ParisTech et H2GS2 à Sorbonne Université, notamment à travers les thèses de S. Pasquet (EDGRNE 2011-2014, financement SU) et de M. Dangeard (EDGRNE 2015-2018, financement SU) et dans le cadre des programmes PIREN-Seine et CRITEX pour des applications aux réseaux d'observations (p.ex. H+) et infrastructures de recherche (OZCAR). Les résultats et approches développées ont un rayonnement international (observatoires de la zone critique aux USA, ITN ENIGMA). Des développements sont également en court le cadre de coopérations industrielles.

Encadrement

BODET, Ludovic, Maitre de Conférences, Sorbonne Université
Co-encadrant (non HDR) : RIVIERE Agnès, Chargée de recherche, MINES ParisTech

- A. Rivière, modélisation hydrodynamique : théorie, processus physiques au sein de la zone critique, conception et paramétrisation des codes et mise en application avec contraintes adaptées et issue de mesures de terrain dédiée ;
- L. Bodet, méthodes et imagerie géophysique : méthodologies, mesures de terrain, interprétation combinée de données géophysiques et géotechniques, traitement de l'information, propagation d'ondes et propriétés mécaniques des milieux ;
- A. Gesret, inversion géophysique : problèmes inverses, approches probabilistes, estimation et propagation d'incertitudes

Profil candidat

Les candidats doivent avoir obtenu ou être en cours d'obtention d'un master dans un domaine lié à la géophysique et/ou à l'hydrogéologie quantitative et/ou à l'ingénierie voire aux mathématiques appliquées. De bonnes bases en statistiques, probabilités, en mécanique et en propagation des ondes, voire en pétrophysique sont souhaitables. Une expérience dans l'analyse de données, du traitement de l'information (traitement du signal, problèmes inverses), dans l'utilisation de modélisation numérique ainsi que dans la programmation (Fortran/C ; Python/Matlab) sera avantageuse. Des capacités au travail d'équipe et de bonnes aptitudes à la communication sont essentielles. Des compétences en communication écrite et verbale en anglais sont requises. La durée d'un doctorat est très courte et il est également essentiel d'être capable de s'investir rapidement dans de nouveaux sujets (mobilité, autonomie). Le dossier de candidature devra inclure un CV, une lettre de motivation, une description du stage de Master 2, les résultats de Master 1 et 2 ainsi que deux lettres de recommandation ou les coordonnées de deux personnes pouvant être contactées.

We are looking for highly motivated doctoral candidates to join our project dealing with the hydrogeological and geophysical characterization. Candidates must have obtained or be in the process of obtaining a master's degree in a field related to geophysics and/or quantitative hydrogeology and/or engineering or applied mathematics. A good background in statistics, probability, mechanics and wave propagation, or even petrophysics is desirable. Experience in data analysis, information processing (signal processing, inverse problems), numerical modeling, and programming (Fortran/C; Python/Matlab) will be advantageous. Teamwork and good communication skills are essential. Written and verbal communication skills in English are required. The duration of a PhD is very short: ability of quick familiarization with new topics and strong motivation to produce results are necessary (mobility, autonomy). Outstanding candidates should apply by email to agnes.riviere@mines-paristech.fr; alexandrine.gesret@mines-paristech.fr; ludovic.bodet@sorbonne-universite.fr with a letter of motivation, a curriculum vitae, full transcripts of Bachelor and Master studies, and at least two references (with up to date contacts). Short-listed candidates will be interviewed.

Références

.

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Partenariat/contrat

La thèse pourra bénéficier de soutiens en ressources propres de l'UMR METIS, de l'équipe géophysique associée H+ et de CRITEX/OZCAR pour les activités expérimentales éventuelles.

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=35797

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