Monitoring water flow in a clay-shale hillslope from geophysical data fusion based on a fuzzy logic approach

Seismic and electrical resistivity tomography allow subsurface characterization from acoustic P-waves (Vp), shear S-waves (Vs) velocities, and electrical resistivity (ρ). Both geophysical methods were used to monitor water flow during a controlled rainfall experiment on a clay-shale hillslope located in the Laval catchment at Draix (Alpes-de-Haute-Provence, France). The objectives of the rainfall experiment were to analyse the water infiltration processes and identify possible water pathways by combining multi-method observations. The seismic data provide information on fissure density and the electrical resistivity data provide information on soil water content within the hillslope. Changes of the Vp and electrical resistivity fields with time show some similar pattern. To go further in the analysis of the water flow a geophysical data fusion strategy based on fuzzy set theory is applied. The computed fuzzy cross-sections based on expert hypotheses show the possibility for the material to be saturated during the rainfall experiment. The data fusion process is repeated in time for each acquisition set. The relative difference between the obtained fuzzy cross-sections is calculated and reveals possible locations where water may be transferred within the hillslope.

RésuméLes méthodes de tomographie sismique et électrique permettent de caractériser les matériaux de la subsurface à partir des vitesses sismiques des ondes P (Vp) ou S (Vs) et de la résistivité électrique (ρ). Ces deux méthodes ont été mises en œuvre pour suivre les écoulements d’eau pendant une expérience de pluie contrôlée sur un versant marneux localisé dans le bassin versant du Laval à Draix (Alpes-de-Haute-Provence, France). L’objectif de l’expérimentation en pluie simulée était d’analyser le processus d’infiltration et d’identifier des chemins d’écoulement préférentiel, au sein du versant, par une approche multiméthode. Les champs de vitesse Vp et de résistivité électrique ρ fournissent une information complémentaire, respectivement sur l’état de fissuration du versant, et sur les variations de teneur en eau en subsurface. Une méthode de fusion de données par logique floue est ensuite utilisée pour représenter l’information de manière plus objective et compréhensible par des non spécialistes. Les calculs sont fondés sur des hypothèses de saturation partielle ou totale du versant, et permettent de suivre la progression de la saturation en eau pendant la pluie simulée. La différence entre les sections de possibilité calculées pour chaque pas de temps permet de localiser des chemins d’écoulements préférentiels dans le versant.