Dubois, Emmanuel
(2022).
« Impact of global changes on groundwater recharge in cold and humid climate, case study in southern Quebec (Canada) » Thèse.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en sciences de la Terre et de l'atmosphère.
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Résumé
La recharge des eaux souterraines correspond à l’eau s’infiltrant depuis la surface et atteignant la zone saturée et est une des variables importantes pour la compréhension des changements à long terme des ressources en eau souterraine. Les estimations de recharge à long terme sont des outils importants pour la gestion durable des eaux souterraines, spécialement à l’échelle régionale en contexte de changement climatique. En régions à climat froid et humide, les changements climatiques vont potentiellement avoir des impacts majeurs sur l’ensemble du cycle de l’eau ainsi que sur l’occupation du sol. Ces impacts pourraient se propager jusqu’à la recharge. Cependant, les conditions climatiques futures dépendent fortement des scénarios climatiques, imposant une incertitude élevée dans la simulation de la recharge future. Considérant l’importance de la recharge dans la compréhension des changements affectant les ressources en eau souterraine et le manque de connaissances des processus et paramètres l’affectant en contexte de changement global (actuel et futur), l’objectif général de cette recherche doctorale est de quantifier les impacts des changements climatiques et des changements d’occupation du sol passés, actuels et futurs sur la recharge des eaux souterraines à l’échelle régionale en climat froid et humide. Les objectifs spécifiques du doctorat sont de 1) déterminer comment un modèle de bilan hydrique de surface parcimonieux peut aider à la compréhension de la recharge des eaux souterraines à long terme et à l’échelle régionale, 2) identifier les processus et seuils contrôlant l’impact des changements climatiques sur la recharge des eaux souterraines à long terme et à l’échelle régionale, 3) quantifier l’impact des changements d’occupation du sol sur la recharge des eaux souterraines en contexte de changements climatiques. La région du Québec méridional (Canada, 35 800 km2), située entre le fleuve Saint-Laurent et la frontière Canada-États Unis et entre la frontière Québec-Ontario et la ville de Québec, a été sélectionnée comme cas d’étude. Un modèle de bilan hydrique de surface nommé HydroBudget a été développé en R pour la simulation spatialement distribuée et transitoire de la recharge des eaux souterraines pour de longues périodes (plusieurs décennies) et pour de grands territoires (milliers de km2). Spécialement adapté pour l’hydrologie des climats froids et humides, le modèle prend en compte la couverture neigeuse temporaire et le gel temporaire du sol. Une méthode de calibration automatique multiobjective a réussi à optimiser un ensemble de paramètres régionalisés offrant une incertitude limitée sur les variables simulées (<10%). Le modèle a été utilisé avec plusieurs ensembles de données d’entrée pour produire plusieurs ensembles de recharge simulée sur les périodes 1961-2017 et 1951-2100 avec une résolution spatiale de 500 m x 500 m et un pas de temps mensuel. Basé sur l’analyse de la recharge simulée sur la période 1961-2017, le premier chapitre de la thèse détaille l’importance de la saisonnalité dans la recharge des eaux souterraines en environnement froid et le rôle clef de la température annuelle dans la distribution spatiale des taux de recharge. Ce chapitre a permis de mettre en avant la grande réactivité de l’hydrologie régionale à la variabilité climatique et l’importance des processus liés à la couverture neigeuse et au gel pour la simulation de la recharge en climats froids et humides. Cela a démontré que l’utilisation d’un modèle de bilan hydrique de surface est une solution adéquate pour la simulation de la recharge des eaux souterraines à long terme et à grande échelle. Douze scénarios de recharge s’étendant sur la période 1951-2100 ont été simulés avec le modèle de bilan hydrique calibré précédemment et en utilisant 12 scénarios climatiques mis à l’échelle à partir de modèles climatiques globaux de l’ensemble CMIP5, sélectionnés pour maximiser la variabilité climatique future (troisième chapitre). A partir de ces simulations, le second chapitre de la thèse présente comment la saisonnalité de la recharge des eaux souterraines explique les différences de changements statistiquement significatifs de recharge annuelle. Des températures plus chaudes pendant les mois froids produisent plus d’eau liquide (moins de précipitations sous forme de neige, fonte plus rapide du stock de neige) quand la végétation est dans un état dormant, amenant plus de recharge. Par opposition, des températures plus chaudes pendant le reste de l’année prolongent la période de croissance et la reprise transpiratoire des plantes, réduisant ainsi directement la quantité d’eau disponible pour la recharge des eaux souterraines. La direction (augmentation ou diminution) des changements annuels de recharge dépend donc de la possibilité que la hausse de recharge durant les mois froids puisse compenser la diminution simulée le reste de l’année. Les conditions climatiques futures produisant des changements significatifs de recharge ont alors pu être identifiées et correspondent aux seuils de précipitations et températures annuelles et saisonnières menant à des hausses ou baisses probables de la recharge future. Les résultats proposent donc une association directe des changements attendus dans la recharge future si les conditions locales étaient amenées à atteindre ces seuils. Un deuxième ensemble de 12 scénarios de recharge des eaux souterraines a été simulé en utilisant les mêmes 12 scénarios climatiques et des scénarios de l’évolution de l’occupation du sol liés aux scénarios climatiques par leur RCP (quatrième chapitre). Cette méthodologie utilise une chaine de scénarios logique et homogène pour la simulation de l’impact des changements globaux. En ne multipliant pas le nombre de scénarios de recharge à simuler, elle présente un intérêt certain pour la simulation des ressources en eau souterraine du fait que les modèles hydrogéologiques requièrent généralement d’importantes ressources informatiques. La comparaison de l’ensemble de scénarios simulés avec une occupation du sol variant en fonction du temps et de l’ensemble produit dans le chapitre précédent (avec une occupation du sol constante) montre que la sensibilité de la recharge des eaux souterraines aux changements climatiques augmente avec l’augmentation de l’intensité des changements d’occupation du sol. Des changements significatifs entre les deux ensembles sont associés à l’impact des changements d’occupation du sol sur l’hydrologie des mois froids, soulignant encore l’importance de la période froide dans l’hydrologie des bassins versants. Cependant, ces changements restent dans l’incertitude des futures conditions de recharge due à la variabilité des conditions climatiques futures. Ce projet de recherche a finalement démontré que l’intégration de changements d’occupation du sol dans la simulation de la recharge à long terme impacte la recharge simulée indépendamment des changements climatiques, même si ces changements restent dans la gamme d’incertitude liée à la variabilité climatique future. Ces résultats appellent donc à une intégration systématique de changements d’occupation du sol dans la simulation des ressources en eau souterraine à long terme, d’autant que la méthodologie testée est particulièrement facile à mettre en œuvre. À partir de l’analyse d’ensembles de simulations de recharge des eaux souterraines dans le Québec méridional, cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur la recharge des eaux souterraines passée et future à l’échelle régionale en climats froids et humides. Elle présente le modèle HydroBudget, un modèle de calcul de la recharge open source entièrement disponible en R et spécialement développé pour la simulation de la recharge des eaux souterraines à long terme et à grande échelle en climats froids et humides. Ce travail de recherche montre que les conditions de recharge future en contexte de changements climatiques peuvent être approchées en identifiant les seuils dans les conditions climatiques futures produisant des changements significatifs de recharge. Enfin, cette thèse démontre que les variations d’occupation du sol au cours du temps devraient être systématiquement intégrées dans les simulations de la recharge à long terme et propose une méthodologie abordable d’un point de vue ressources informatiques pour simuler l’impact des changements globaux.
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[Groundwater recharge (GWR) corresponds to the water infiltrating from the surface and reaching the saturated zone and is an important variable in understanding the long-term changes in groundwater dynamics. Long-term estimates of GWR are important tools for sustainable groundwater management, especially at the regional scale as climate change unfolds. In cold and humid regions, climate change has the potential to dramatically impact both the entire water cycle and the land cover (LC), which could in turn impact GWR. However, future climatic conditions are highly uncertain, and this is reflected in simulations of future GWR. Considering the importance of GWR in understanding long-term changes in groundwater resources and the lack of knowledge of the processes and parameters that influence GWR in current and future global changes, the general goal of this PhD research was to quantify the past, current, and future impacts of climate change and LC changes on regional-scale GWR in cold and humid climates. The specific objectives of the thesis were 1) to determine how a parsimonious superficial water budget model can help better understand regional-scale and long-term GWR, 2) to identify controlling processes and thresholds of climate change impacts on regional-scale and long-term GWR, and 3) to quantify the impact of LC changes on GWR in a changing climate. The region of southern Quebec (Canada, 35 800 km2), located between the St. Lawrence River and the Canada–USA border and between the Quebec–Ontario border and Quebec City, was selected as a case study. A superficial water budget model named HydroBudget was developed in R to simulate spatially distributed transient GWR over long periods of time (several decades) and over large territories (thousands of km2). It was specially adapted for the hydrology of cold and humid climates to take into account the temporal snow cover and soil frost. A multi-objective automatic calibration method succeeded in optimizing a regionalized parameter set that offered small uncertainty on the simulated variables (< 10%). The model was run with different sets of input data and produced ensembles of GWR simulated with a 500 m x 500 m spatial resolution and monthly time steps over the 1961-2017 and the 1951-2100 periods. By analyzing the GWR simulated over the 1961-2017 period, the second chapter of the thesis detailed the importance of the seasonality for GWR in cold environments and the key role of annual temperature in the spatial distribution of GWR rates. It highlighted the high responsiveness of the regional hydrology to climate variability and the importance of simulating the snow and freezing processes for GWR in cold and humid climates. Finally, this chapter demonstrated that a superficial water budget model was a very suitable option to simulate spatially distributed long-term GWR at large scales. Twelve GWR scenarios spanning 1951-2100 were simulated with the calibrated water budget model using 12 climate scenarios downscaled from global climate models from the CMIP5 ensemble that maximized the future climate variability (third chapter). Based on these simulations, the second chapter presented how the seasonality in GWR was explaining the differences in statistically significant changes in annual GWR. Warmer temperature during the cold months (less precipitation as snow, earlier snowpack melting) led to more liquid water available when the vegetation was dormant, leading in turn to more GWR. In contrast, warmer temperature extended the growing period and increased plant water uptake during the rest of the year, directly decreasing the amount of water available for GWR. The direction of the annual changes in GWR thus depended on whether the increase during the cold months could offset the decrease during the rest of the year. The future climatic conditions producing statistically significant changes in future GWR were identified and corresponded to thresholds in annual and seasonal precipitation and temperature changes that led to likely increase or decrease in future GWR. The results offer a direct association of expected changes in GWR if local climate conditions were to reach these thresholds. A second ensemble of 12 GWR scenarios was simulated using the same 12 climate scenarios and LC scenarios linked to the climate scenarios through their representative concentration pathways (fourth chapter). This methodology used a coherent scenario chain for global change simulations and presents a certain interest for groundwater resource simulation when model calls are computationally expensive as it does not multiply the number of simulated scenarios. The comparison of the ensemble simulated with time variant LC to the ensemble produced in the previous chapter (constant LC) showed that the sensitivity of GWR to climate change increased with the increase in LC change intensity. Significant changes between the two ensembles were linked to the impact of LC changes on winter hydrology, underlying again the importance of the cold period in the watershed hydrology. However, the changes remained in the uncertainty range of future GWR conditions due to the variable future climate conditions. The spatial distribution of LC changes was identified as another driver of GWR change. This research demonstrated that using LC changes in long-term GWR simulation impacted GWR independently from climate change, even if these changes remained in the global uncertainty range due to an uncertain future climate. It also called for a more systematic inclusion of LC changes in long-term groundwater resource simulation as the tested methodology was very affordable. This thesis brought new insights on past and future regional-scale GWR in cold and humid climates based on the analysis of GWR simulation ensembles over southern Quebec. It also proposed the HydroBudget model, an open source GWR model entirely available in the R environment and specifically developed for large-scale and long-term simulations of GWR in cold and humid climates. This research showed that future GWR conditions in changing climatic conditions could be approached by identifying the thresholds in climatic conditions driving the changes in GWR. Lastly, it demonstrated that time-variant LC should be systematically considered in long-term GWR simulations and suggested a computationally feasible methodology to perform simulations of the impact of global change.]
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : recharge des eaux souterraines, changement climatique, changement d’occupation du sol, changements globaux, échelle régionale, long terme, climats froids et humides, modèle HydroBudget, Québec (Canada)
[groundwater recharge, climate change, land cover change, global change, regional-scale, long-term, cold and humid climates, HydroBudget model, Quebec (Canada)]
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