Description du sujet de thèse

Les travaux du projet EAU-SPRA à l’ITES s’articule autour du modèle hydrologique NIHM, qui est développé en interne depuis une dizaine d’années dans l’équipe Transferts dans les Hydrosystèmes Continentaux (TrHyCo) de l’Institut Terre et Environnement de Strasbourg. Il est composé de deux modules - un premier qui détermine la recharge en réalisant des bilans d’eau et d‘énergie dans les compartiments de surface et un second qui permet de décrire les écoulements dans les nappes souterraines et le réseau hydrographique – et a été appliqué sur plusieurs systèmes réels.
L’objectif de ce travail de thèse est de développer, d’implémenter et de tester une approche de paramétrisation automatique du modèle NIHM. Cette approche devra permettre de générer des champs de paramètres hydrodynamiques réalistes (transmissivité et porosité de l’aquifère, termes d’échange nappe-rivière, par exemple), en minimisant l’écart entre des observations – niveau d’eau dans la rivière et/ou niveau piézométrique – et les simulations, en ajustant les paramètres les plus influents du modèle.
I. S’approprier le modèle NIHM
II. Réaliser une étude bibliographique sur les méthodes de paramétrisation automatique
III. Etudier plus en détail les approches déjà utilisées dans l’équipe dans des contextes différentes – i.e. méthodes de l’état adjoint, utilisation de méta-modèles, … La personne recrutée pourra utiliser des outils existants sur des cas simples pour mieux comprendre les concepts de base.
IV. Développer et implémenter l’approche de calibration automatique choisie. Elle pourra alors être testée sur un cas synthétique.
V. Appliquer cette approche sur un cas réel à choisir en fonction de la disponibilité des données et du temps de calcul associé.
L'étudiant(e) sera rattaché à l'ED 413

Contexte de travail

La modélisation hydrologique à base physique permet de décrire l’ensemble des processus d’écoulement dans les bassins versants en intégrant les interactions entre les principaux compartiments que sont le milieu souterrain, la surface topographique, la végétation et l’atmosphère. Ce type de modèles est développé dans la communauté depuis le début des années 2000. Les modèles à base physique sont aujourd’hui considérés comme des outils pertinents pour traiter de nombreuses problématiques en lien avec la gestion des masses d’eau de surface et/ou souterraines. C’est dans ce cadre que le projet EAU-SPRA a été financé par l’ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie). L’objectif de ce projet – mené en collaboration entre ANTEA Group, les Mines de Paris et l’Institut Terre et Environnement de Strasbourg (ITES) - est de développer une plateforme s’appuyant sur les résultats de plusieurs modèles hydrologiques pour permettre aux gestionnaires et aux grands usagers de visualiser de façon relativement simple l’évolution quantitative des masses d’eau sur leur territoire. Trois verrous scientifiques en lien avec cette modélisation ont été identifiés pour permettre le développement d’une telle plateforme : l’évaluation des incertitudes, la calibration automatique et le changement d’échelle. Le travail de doctorat proposé se place dans ce cadre général.
Formation / Compétences attendues
Titulaire d’un Master en Sciences de l’Eau, en Géosciences ou en mathématiques appliquées à la modélisation OU Diplômé d’une école d’ingénieur sur des thématiques Eau, Environnement ou Géosciences.
Compétences avancées attendues en mathématiques appliquées, en modélisation environnementale et en programmation (Python ou Fortran). Des compétences de base en hydrologie et en hydrogéologie sont indispensables.
Gout prononcé pour la programmation informatique. Enthousiasme et motivation pour travailler sur le développement et l’application de codes numériques.
Autres compétences attendues : compétences en statistiques et en mathématiques appliquées / capacité à lire et écrire en anglais / capacité à travailler en équipe / Capacité à communiquer des résultats scientifiques / Capacités à échanger avec des non-scientifiques.
Environnement de travail
L’Institut Terre et Environnement de Strasbourg (ITES) est une Unité Mixte de Recherche (UMR -7063) sous les tutelles du CNRS, de l'Université de Strasbourg et de l'ENGEES. Cette UMR s'appuie sur 4 piliers disciplinaires pour étudier la Terre et son environnement de surface : l’hydrologie, la géochimie, la géologie et la géophysique. L'ITES compte 6 équipes de recherche. Les travaux pour ce sujet de thèse seront réalisés dans l’équipe « Transfert dans les hydrosystèmes continentaux », qui étudie au sens large les processus de transferts dans les systèmes hydrologiques par des approches de modélisation (développements méthodologiques et/ou applications) ou expérimentales. Les recherches dans l’équipe couvrent notamment les thématiques de l’évolution qualitative et quantitative des masses d’eau, les processus de transferts dans le continuum sol – plantes – atmosphère, les processus de transferts dans les systèmes complexes, et la modélisation des couplages entre écoulement d’eau, transport d’éléments et/ou de chaleur et mécanique.

Contraintes et risques

Contraintes liées aux sorties de terrain