État de l’art du fonctionnement hydrothermique de la zone hyporhéique

État de l’art du fonctionnement hydrothermique de la zone hyporhéique 

Zone hyporhéique: Contexte général

Les interfaces nappes-rivière contrôlent les flux d’échanges entre les eaux souterraines et les eaux de surface, les flux biogéochimiques et le fonctionnement des écosystèmes et leur rôle dans le maintien de la qualité de l’eau souterraine et de surface. Dans des perspectives de gestion des ressources en eaux, il convient de caractériser les échanges nappe-rivière. Depuis deux décennies, les eaux surfaciques et souterraines donnent cours à des études conjointes. Auparavant, les deux compartiments étaient étudiés séparément du fait de la différence de réaction de ces deux compartiments ; à l’échelle de l’aquifère, des processus hydrologiques basse fréquence se développent et dans les cours d’eau, les processus hydrologiques haute fréquence se réalisent. Ces deux compartiments interagissent à travers différentes interfaces emboitées de différentes extensions spatiales de l’échelle locale [10 cm – 10 m] à l’échelle continentale [> 10 mKm2 ] avec des échelles intermédiaires (Flipo et al., 2014) .

L’interface nappe-rivière est représentée par la zone hyporhéique (ZH) à l’échelle locale (Flipo et al., 2014). Pour cette interface, il n’y a pas de définition conceptuelle unique en raison de différentes terminologies, méthodologies et dogmes utilisés par les différentes disciplines qui intègrent l’hydrogéologie, la bio-géochimie et l’écologie. Une avancée importante a été l’étude du rôle central de l’échange hydrologique entre les eaux souterraines et les eaux de surface dans la détermination de la biogéochimie et de la faune de la ZH (Valett et al., 1993). “Le Concept du Corridor Hyporhéique ” (HCC) a été proposé par (Stanford and Ward, 1993) qui a mis l’accent sur la connexion et l’interaction entre la ZH et le bassin hydrographique.

La ZH est une zone où les frontières sont difficiles à définir (Westhoff et al., 2011). Il peut y avoir des interactions hydrologiques complexes qui peuvent affecter le pourcentage de saturation de cette zone en particulier les variations saisonnières qui peuvent affecter l’extension et la taille de la ZH (Fraser and Williams, 1997). En se basant sur des tests de traceurs, Conant (2004) a trouvé des indications montrant le mélange des eaux de rivière et d’aquifère à une profondeur supérieure à 0.3 m en dessous du lit de la rivière. White (1993) définit la ZH comme un espace interstitiel saturé audessous du lit de la rivière qui contient une proportion d’eau de surface. La ZH a des caractéristiques hydrologiques, thermiques, chimiques et métaboliques qui sont uniques et ne sont spécifiques qu’à cette zone (Boulton et al., 1998). Cette zone est définie aussi comme un environnement relativement occupé par des groupes invertébrés et fournit plusieurs services écologiques, jouant un rôle important dans les échanges de matière et d’énergie entre la surface et le souterrain (Gibert et al., 1990), dans la régulation thermique et la régulation des flux d’eau. La ZH assure aussi les refuges benthiques des invertébrés (Poole and Stewart, 1976; William and Hynes, 1976), la transformation de la matière organique et l’écologie du cours d’eau (Evans and Petts, 1997). Cette zone peut même atténuer les effets des apports anthropiques dans les cours d’eau comme les apports chimiques sous certaines circonstances (Brunke and Gonser, 1997). Les échanges hyporhéiques sont assurés par infiltration des eaux de surface à travers le lit de la rivière ou par exfiltration des eaux souterraines (Malard et al., 2002). Les eaux souterraines exfiltrantes fournissent des nutriments aux organismes de surface alors que les eaux de surface infiltrantes fournissent de l’oxygène dissous ainsi que de la matière organique aux  et les invertébrés de la ZH (Boulton et al., 1998). Les principaux gradients environnementaux observés au niveau de la ZH sont le gradient chimique (oxygène dissous, nutriments) et le gradient thermique (Brunke and Gonser, 1997; Sophocleous, 2002) (Fig. 1.2).

Parsons et al. (1970) a divisé le domaine souterrain en 2 zones caractérisées par leur régime thermique : Une zone superficielle et une zone géothermique. Au niveau de la zone superficielle, les températures sont influencées par les variations diurnes et saisonnières des facteurs atmosphériques (Anderson, 2005). Cependant, au niveau de la zone géothermique, les profils de températures ne sont pas influencés par les variations saisonnières. Les températures souterraines dans cette zone suivent le gradient géothermique et indiquent une augmentation de température de l’ordre de 1°C tous les 20 à 40 m. Des changements au niveau des flux souterrains ainsi que la conductivité thermique peuvent affecter le profil thermique de la zone géothermique. Dans cette étude on ne se concentre que sur les échanges des flux d’eau et de chaleur dans la zone superficielle en particulier au niveau de la ZH.

Les flux d’eau et de chaleur hyporhéiques sont importants dans plusieurs processus hydrologiques (Caissie and Luce, 2017) tels que le transport des solutés et des contaminants ainsi que l’intensité des événements hydrologiques (Bencala, 2000). Ces flux influencent le régime thermique de la zone hyporhéique (Poole and Berman, 2001; Luce et al., 2014). De ce fait, des analyses du bilan d’énergie de la ZH sont requises (Westhoff et al., 2011) afin de quantifier et d’analyser la contribution relative de chaque terme du bilan conductif et advectif et leur impact sur les profils thermiques hyporhéiques. Les bilans d’énergie nécessitent des informations détaillées sur les variations spatiales et temporelles de la température hyporhéique ainsi que les processus dominants qui contrôlent cette température et donc ses flux d’énergie associés.

Régime thermique de la zone hyporhéique

La température de l’eau est un indicateur important de l’état des écosystèmes. Elle joue un rôle dans le conditionnement des cinétiques des réactions chimiques tel que le contrôle du taux de décomposition de la matière organique (Rutherford and Hynes, 1987; Stanford et al., 1996), la teneur en oxygène dissous (Koncan et al., 1991) ainsi que le contrôle du fonctionnement physiologique des espèces aquatiques et leurs zones de distribution (Williams and Hynes, 1974). Par exemple, lorsque la température de l’eau augmente, la quantité d’oxygène dissous dans la rivière diminue. Beaucoup d’organismes aquatiques dépendent de l’oxygène dissous pour respirer (Ringler and Hall, 1975). Une période de basses eaux avec des températures élevées met en danger la santé de ces organismes (Fernald et al., 2001). Des espèces de poisson tel que le saumon ne peuvent pas vivre à des températures supérieures à 18°C (Carter, 2005). L’effet de refroidissement des échanges hyporhéiques pendant cette période est d’une grande importance écologique (Fernald et al., 2001). Typiquement en été, la ZH présente des températures moins élevées que celles de la surface vu le pouvoir tampon du souterrain qui l’isole du contact direct avec l’atmosphère (Arrigoni et al., 2008). Par conséquent, il est important de comprendre la variabilité spatio-temporelle des processus physiques influençant la température dans la ZH dont les variations sont fortement liées aux conditions météorologiques et géologiques. Un régime thermique hyporhéique relativement stable est essentiel pour le développement et la survie des micro-organismes aquatiques (Malcolm et al., 2002).

En effet, la dynamique spatio-temporelle du régime thermique de la ZH est influencée par plusieurs facteurs tels que les variations des flux d’échange, la forme du lit de la rivière et la nature des faciès (White et al., 1987; Williams, 1989) ainsi que la croissance saisonnière de la végétation (Hendricks and White, 1988) qui peuvent causer de fortes hétérogénéités thermiques au sein de la ZH (Hester et al., 2009; Swanson and Cardenas, 2010).

Beaucoup d’études ont utilisé la température comme traceur pour étudier les flux d’eau entre la surface et le souterrain dans la ZH (Anderson, 2005; Constantz, 2008a) alors que peu d’études ont quantifié les flux de chaleur hyporhéiques. Dans ces études, les flux conductifs sont généralement estimés en fonction directe du gradient de température dans le lit de la rivière (Hondzo and Stefan, 1994) et les flux advectifs sont calculés soit en fonction de la différence de température entre la rivière et l’aquifère (Hebert et al., 2011), soit en fonction de la température des eaux souterraines dans le cas d’une exfiltration et en fonction de la température de la rivière en cas d’infiltration (Caissie et al., 2014). Ce qui fait que ces deux approches produisent des flux advectifs de différentes quantités et différents signes (Kurylyk et al., 2016). Un couplage rigoureux de l’écoulement des eaux avec le transfert de chaleur est donc requis afin de bien évaluer les mécanismes qui régissent la variation des flux de chaleur au sein de la ZH.

Propriétés hydrothermiques du milieu poreux

La conductivité hydraulique des sédiments varie de plusieurs ordres de grandeur alors que les paramètres thermiques varient peu (Stonestrom and Constantz, 2003). Les paramètres thermiques sont rarement mesurés au niveau du lit de la rivière et des valeurs de la littérature sont généralement utilisées dans les études. Des tests de sensibilité sont effectués afin de déterminer l’impact de chaque paramètre sur le transfert de chaleur dans la ZH (Lancaster et al., 2005; Constantz, 2008a).

Conductivité hydraulique

La conductivité hydraulique est une propriété du milieu poreux qui dépend de la taille du pore (Bear, 1972) et aussi de la température due au changement de la densité de l’eau et de la viscosité (Muskat, 1937). Elle permet de mesurer la capacité du milieu poreux à transmettre de l’eau. Les conductivités hydrauliques de milieu poreux varient largement de 10-2 m s-1 pour les graviers à 10-13 m s-1 pour les argiles (Tab. 1.1). On considère une conductivité hydraulique isotrope dans cette étude.

Capacité calorifique

La capacité calorifique est la capacité du milieu poreux à absorber ou restituer de l’énergie suite à une variation de la température et donc elle présente la quantité d’énergie thermique qu’une substance peut absorber par unité de masse. Les unités de la capacité calorifique sont énergie par unité de masse divisée par la température en Kelvin. Le produit de la capacité calorifique spécifique et la densité volumique est la capacité calorifique volumétrique qui varie approximativement de 0.8 10⁶ à 4.2 10⁶ J m-3 K -1 pour les sédiments (deVries, 1963). La capacité calorifique volumétrique du milieu poreux est calculée par la moyenne arithmétique pondérée de celle du solide (𝜌𝑠𝐶𝑠) et celle de l’eau (𝜌𝑤𝐶𝑤) (Domenico and Schwartz, 1990; Anderson, 2005) (Eq. 1.6) : ρC = ω 𝝆𝒘𝑪𝒘 + (1-ω) 𝝆𝒔𝑪𝒔

Où ω est la porosité (-), 𝜌𝑠 est la densité volumique du solide (kg m-3 ) et Cs est la capacité calorifique du solide (J kg−1 K−1 ).

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Table des matières

Introduction
1 Chapitre 1 : État de l’art du fonctionnement hydrothermique de la zone hyporhéique
1.1 Zone hyporhéique: Contexte général
1.2 Régime thermique de la zone hyporhéique
1.3 Transport de chaleur: Théorie et équations
1.3.1 Équations de transport
1.3.2 Propriétés hydrothermiques du milieu poreux
1.3.3 Variations des gradients thermique et hydrique au sein de la ZH
1.4 Méthodes de quantification des flux thermiques
1.4.1 Mesures
1.4.2 Estimation des flux hydrothermiques à partir des profils de température observés
1.5 Synthèse des études du fonctionnement thermique de l’interface nappe-rivière
2 Chapitre 2 : Le bassin des Avenelles : Stratégie d’échantillonnage et analyse de données
2.1 Présentation du site
2.1.1 Contexte géographique
2.1.2 Contexte climatique
2.1.3 Contexte hydrogéologique
2.2 Stratégie d’échantillonnage
2.2.1 Mesures piézométriques
2.2.2 Stations MOLONARI
2.2.3 MINI-MOLONARI
2.3 Gestion de la base de données
2.3.1 Acquisition des données et Préparation des données brutes
2.3.2 Traitement des données brutes
2.3.3 Structures de la base de données
2.4 Présentation des données
2.4.1 Évolution spatiale et temporelle des variables pendant la période (2011-2017)
2.4.2 Etude de trois périodes hydrologiques contrastées
2.5 Interprétation des données
2.5.1 Variations piézométriques
2.5.2 Réactions des piézomètres de berge à la hauteur d’eau dans la rivière
2.5.3 Réactions des niveaux piézométriques et hauteurs d’eau de la rivière aux variations de débit
2.5.4 Échanges d’eau nappe-rivière
2.5.5 Réponse de la température de la rivière à la température de l’air
2.5.6 Variation de la température dans la ZH
2.6 Synthèse du fonctionnement hydrique et thermique du bassin des Avenelles
3 Chapitre 3 : Réactivités hydrologique et thermique de l’interface nappe-rivière pour des cours d’eau amont
3.1 Introduction
3.2 Materials and Methods
3.2.1 Governing equations
3.2.2 Simulations
3.2.3 Analysis
3.3 Results and discussions
3.3.1 Equilibrium time
3.3.2 Evolution of the temperature profiles
3.3.3 Identification of dominant heat transfer regimes
3.4 Conclusion Buffering Effect of the HZ
4 Chapitre 4 : Variations spatio-temporelles des flux de chaleur au droit des 5 stations MOLONARI
4.1 Modélisation hydrothermique des échanges nappe-rivière au droit des cinq stations MOLONARI
4.1.1 Construction des modèles hydrothermiques 2D
4.1.2 Script d’inversion : Script de balayage de l’espace des paramètres
4.1.3 Résultats
4.2 Spatialisation des paramètres hydrothermiques et des flux hydrothermiques à l’échelle du corridor du bassin des Avenelles
4.3 Conclusions
Conclusions

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