La région d’Annaba, située dans la partie Nord Orientale de l’Algérie, renferme dans son sous-sol des ressources en eau assez importantes qui représentent un grand intérêt pour l’alimentation des populations en eau, pour l’agriculture et l’industrie. Ce site subit aujourd’hui une pression anthropique progressive qui devient inquiétante. En effet, l’exploitation en continu de la nappe a entraîné une dégradation de la qualité des eaux et a influencé négativement l’équilibre hydrodynamique de l’aquifère. Elle a eu également pour conséquence l’apparition de biseaux salés menaçant même à brève échéance et l’exploitation de la nappe et le bon fonctionnement des zones humides.Sur la base des résultats analytiques obtenus pour des séries d’échantillonnages, de périodicité plus au moins régulière, réalisés sur les principaux réseaux de mesure, nous avons tenté d’identifier les principaux facteurs qui influencent l’évolution de la qualité physico-chimique des eaux et de délimiter l’avancée du biseau salé. Dans cette recherche, les modèles de simulation numérique se sont avérés comme des outils très performants pour comprendre le fonctionnement hydrodynamique des aquifères de la région d’Annaba, située au Nord Est de l’Algérie, en tenant compte des hétérogénéités des milieux. Ils ont permis également de mettre en évidence une vulnérabilité des aquifères dans les secteurs côtiers où l’on observe des débits entrants par la mer et des flux de concentration en chlorures assez importants. Les impacts négatifs sur les eaux souterraines et sur les écosystèmes peuvent devenir catastrophiques si aucune mesure n’est prise pour juguler le problème. Les modèles basés sur les réseaux de neurones artificiels sont apparus comme un moyen très puissant pour élaborer des relations prévisionnelles entre les différents indicateurs de la gestion des ressources en eau dans la région. Dans ce contexte de forte demande en eau, seule une démarche intégrée offre la possibilité de gérer ces ressources dans le respect du milieu naturel, des intérêts des citoyens et de ceux des acteurs économiques. Les recherches effectuées répondent à cette nécessité d’intégration, depuis la localisation et l’évaluation des ressources souterraines, jusqu’à la protection de leur qualité, mais tout en évaluant les éventuels effets néfastes. Dans cette recherche, un nouveau modèle de gestion intégrée de l'eau a été développé basé sur la relation de cause à effet abordant le cycle entier de l'eau. Des variables hydrologiques ont été développées et classées en cinq catégories qui sont d'ordre socio-économique, des contraintes de pollution, de qualité de l'eau, d'impact de l'activité humaine et de la gestion de l'espace urbain et agricole. Les variables pertinentes ont été caractérisées en utilisant les réseaux de neurones artificiels. Il a été démontré qu'une combinaison de mesures pratiques est nécessaire pour assurer la gestion durable de l'eau. / The region of Annaba, situated in the North East of Algeria, contains in its underground water resources that represent a significant enough interest to feed people, water for agriculture and industry. This site is currently undergoing a gradual anthropogenic pressure becomes worrisome. Indeed, the continuous operation of the water has caused deterioration of water quality and negatively influenced the hydrodynamic equilibrium of the aquifer. It has also ensured the emergence of salt wedges even threatening in the short term and exploitation of the water and the proper functioning of wetlands.Based on the analytical results obtained for series of samples of more or less regular intervals, performed on the main measurement networks, we tried to identify key factors influencing the evolution of the physico-chemical water and delineate the advancing salt wedge. In this research, simulation models have proved to be very powerful tools to understand the hydrodynamic functioning of aquifers in the region of Annaba, situated north east of Algeria, taking into account the heterogeneity of environments. They have also highlighted a vulnerability of aquifers in coastal areas where there is inflow of the sea and stream chloride concentration large enough. The negative impacts on groundwater and ecosystems can become catastrophic if nothing is done to curb the problem.Models based on artificial neural networks have emerged as a powerful way to develop predictive relations between the different indicators of the management of water resources in the region. In this context of strong demand for water, only an integrated approach offers the possibility to manage these resources while respecting the natural environment, citizens' interests and those of economic actors. The research meets this need for integration, since the location and evaluation of groundwater resources, to protect their quality, but while evaluating the potential adverse effects. In this research, a new model of integrated management of water has been developed based on the relation of cause and effect addressing the entire cycle of water. Hydrological variables were developed and classified into five categories which are socio-economic constraints of pollution, water quality, impact of human activity and management of urban space and agriculture. The relevant variables were characterized using artificial neural networks, risk assessment on human health and the expert opinion. It has been demonstrated that a combination of practical measures necessary to ensure the sustainable management of water.

Les milieux discontinus se caractérisent par une substitution totale ou partielle de la porosité primaire par une porosité secondaire portée par les fractures et failles. Les écoulements y sont souvent marqués par une forte ségrégation due aux contrastes de conductivité avec la matrice environnante, ainsi qu'entre les discontinuités. L'appréhension de leur géométrie constitue un enjeu majeur en hydrogéologie des milieux discontinus. La distinction entre milieux fracturés et milieux faillés est cruciale en modélisation hydraulique du fait que ceux-ci s'abordent de manières diamétralement opposées: les milieux fracturés forment des réseaux dont les propriétés hydrauliques macroscopiques sont envisagées à travers un schéma d'homogénéité statistique (fractal ou euclidien), privilégiant typiquement une représentation stochastique dans un continuum équivalent. Inversement, les failles sont des structures hydrauliques de grande dimension à l'échelle du réservoir et en nombre restreint. Elles doivent être considérées intrinsèquement dans les modèles d'écoulement comme des unités hydrauliques majeures bi-ou tridimensionnelles discrètes en interaction continue avec la matrice environnante, au sein desquelles les écoulements sont explicitement représentés de manière déterministe. C'est l'approche privilégiée dans cette thèse. L'incapacité des modèles hydrauliques conventionnels à reproduire les comportements transmis par les milieux discontinus est reconnue depuis plusieurs décennies. Les auteurs ont recherché des extensions de ces modèles, dont la plus notable est le modèle Generalized Radial Flow (Barker, 1988) qui introduit le paramètre dimension d'écoulement n et le concept de comportement non-radial (i.e., n ≠ 2). Ce modèle reproduit efficacement les signaux transmis par les milieux discontinus, toutefois sa signification physique est incertaine et les conditions hydrodynamiques associées au développement de dimensions non-radiales demeurent énigmatiques. Il en résulte une très faible applicabilité du modèle GRF malgré le très fort potentiel diagnostique renfermé par le paramètre n. On montre que ce paramètre décrit l'évolution géométrique de l'équipotentielle frontale au cours du test hydraulique transitoire. Le comportement non-radial serait donc produit par tout système dont la géométrie -ou les propriétés hydrauliques -produisent une évolution transitoire de cette surface admettant des modifications de forme progressives et régulières. On peut s'attendre à ce que ce phénomène soit engendré par les interactions transitoires entre une faille et sa matrice. Le premier volet de cette thèse se consacre à la vérification de cette hypothèse. La production de comportements non-radiaux n = 1,5 par le discontinuum faille verticale-matrice est démontrée par la modélisation numérique tridimensionnelle aux éléments finis. L'outil numérique a permis de contraindre quantitativement les conditions hydrodynamiques associées à ce comportement. Celui-ci découle du ralentissement du regime de diffusion au sein de la faille, engendré par l'approvisionnement matriciel. Par ailleurs, l'observation des modalités d'apparition des dimensions d'écoulement dans les milieux discontinus naturels (base de données de quarante-et-un essais de pompages) a fait ressortir des signatures complexes presque systématiquement composées de plusieurs périodes radiales et non-radiales, dont aucun modèle hydraulique existant ne peut rendre compte. Ces signatures multiphasées montrent une excellente homogénéité spatiale attestée par les tests d'interférences (six sites considérés). Un autre volet de cette thèse s'attache à explorer les moyens diagnostiques renfermés par une telle complexité et variabilité des comportements naturels à travers une approche numérique expérimentale recherchant des extensions du modèle à faille verticale analysé précédemment vers des configurations géométriques et hydrauliques moins idéalisées: faille inclinée jusqu'au stade horizontal, milieu composite (faille à l'interface), anisotropie. Plusieurs comportements élémentaires ont été élaborés, très bien corroborés par les signatures naturelles dont une interprétation avancée en termes de conditions d'écoulement discontinu est rendue possible. Ces résultats constituent une amélioration significative des modèles hydrauliques en milieux faillés, toutefois on montre que le potentiel diagnostique du paramètre dimension d'écoulement demeure très faiblement exploité. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Aquifères, Failles, Essais de pompages, Modélisation numérique.

L'étude hydro géologique du massif du Rissiou et de sa couverture sédimentaire a été menée à partir d'observations réalisées sur les émergences de surface et sur les venues d'eau rencontrées pendant le percement des diverses galeries de l'aménagement EDF de Grand'Maison. Après une étude détaillée de la fracturation du massif cristallin du Rissi ou, il est montré qu 'il n 'existe pas une nappe unique mais une juxtaposition de réseaux aquifères, en accord avec l'état de la fissuration et dont les sources constituent les trop pleins: L'hétérogénéité des discontinuités détermine les vitesses d'écoulements , le temps de séjour dans l'encaissant et les caractères physicochimiques et isotopiques des eaux. La juxtaposition de la couverture sédimentaire beaucoup moins permléable, au massif cristallin, se fait par l'intermédiaire d'un accident tectonique majeur localement drainant qui détermine l'indépendance des systèmes hydrogéologiques . Dans la couverture sédimentaire , seul le Trias est apparu aquifère, jouant le rôle de collecteur des eaux superficielles . Les caractères physicochimiques des eaux y sont essentiellement cond itionnées par la nature des terrains traversés et les variations hydroclimatiques de surface.

Le bassin molassique de Carpentras est constitué de formations miocènes sablo-argileuses présentant de nombreuses variations de faciès. Il renferme un réservoir aquifère complexe aux caractéristiques hydrodynamiques intrinsèques médiocres (perméabilité comprise entre 10-4 et 10-7 m.s-1) mais dont la puissance est importante (600 m d'épaisseur). La qualité chimique de l'eau est excellente (naturellement potable) ; l'exploitation est facile et bon marché. Depuis les années 1960, le nombre de forages a augmenté rapidement et sans contrôle. En 2006, on compte des milliers d'ouvrages sur 600 km2. Dans un contexte de rationalisation des usages de l'eau, il est apparu nécessaire de faire un état des connaissances et d'actualiser celles-ci pour construire un schéma de fonctionnement du système aquifère.<br />Ce travail aborde la géologie, l'hydrodynamique et l'hydrochimie du bassin. Chaque élément fait l'objet d'une revue bibliographique critique et est approfondi par l'acquisition et l'analyse de données nouvelles. L'étude géophysique des bordures du bassin par tomographie de résistivité électrique permet de proposer un schéma de l'organisation des corps sédimentaires. Le suivi mensuel du niveau de l'eau dans 51 ouvrages pendant 20 mois révèle l'influence saisonnière très nette des pompages. Enfin deux campagnes de prélèvements et d'analyses des ions caractéristiques des eaux du bassin (100 éch.) ont été menées en 2004 et 2005. La comparaison des résultats avec ceux acquis en 1985 et 1996 permet une approche spatio-temporelle des concentrations (évolution de la contamination nitratée, temps de séjour).<br />On aboutit à un modèle hydrogéologique simple mais complet. La modélisation est alors utilisée comme un outil de synthèse des informations et des hypothèses de fonctionnement. Elle permet ainsi une visualisation générale du fonctionnement de l'aquifère et met en évidence les éléments qui nécessiteraient des investigations supplémentaires pour améliorer la compréhension.

Sur le bassin Méditerranéen, l'utilisation des ressources en eau est en constante augmentation depuis plus de cinquante ans. Avec les trois quart des ressources en eau d'origine superficielle, l'exploitation des eaux souterraines apparaît comme une des solutions à la raréfaction de l'eau. Les aquifères karstiques semblent répondre à cette démarche car ils possèdent une réserve en eau importante et facilement renouvelable. L'hydrosystème Cesse-Pouzols, situé dans le Sud de la France, regroupe le bassin versant karstique de la Cesse (275 km²) et l'aquifère karstique de Pouzols. A la limite entre les Corbières au Sud, la Montagne Noire au Nord et le chaînon de St-Chinian à l'Est, sa géologie et sa géométrie sont complexes car héritées des grands évènements tectoniques du Languedoc Roussillon. Durant le quaternaire, l'enfoncement et les changements de cours de la Cesse, ont permis au réseau karstique de se développer, laissant apparaître des zones de pertes et résurgences. La synthèse de l'évolution hydro-géomorphologique du bassin a permis d'établir un premier schéma de fonctionnement hydrogéologique. La description des réseaux de mesures présents et nouvellement installés a permis de regrouper l'ensemble des données pluviométriques, débitmétriques et piézométriques disponibles sur cet hydrosystème permettant l'amélioration des connaissances du site par une analyse hydrodynamique et hydrochimique. Ces analyses ont permis d'identifier les interactions entre eau de surface et eau souterraine, la présence d'une réserve en eau importante au travers d'une bonne conductivité hydraulique ainsi qu'une forte capacité de stockage, une zone de recharge située à l'altitude moyenne du contact entre les terrains calcaires Tertiaires et les terrains Primaires de la Montagne Noire ainsi qu'un mélange entre des eaux très anciennes et des eaux récentes a également été mise en évidence notamment grâce à l'utilisation des isotopes stables de l'eau et les gaz anthropiques (CFCs et SF6). Afin d'estimer un volume maximum prélevable et de proposer une gestion active de l'hydrosystème Cesse-Pouzols, une modélisation conceptuelle globale journalière basées sur le GR4J a été développée. Puis, il a été choisi de développer ce modèle par intégration des interactions surface/souterrain et par la prise en compte des écoulements lents et rapides. Le GR5J ainsi développé, montre des résultats significativement supérieurs au GR4J. La prise en compte des interactions entre les réservoirs de l'aquifère a permis d'élaborer un GR7J. Toutefois, le GR7J ne présente pas d'amélioration nette par rapport au GR5J et fait état d'une « sur-paramétrisation » face aux données disponible aujourd'hui. Le GR5J a donc été utilisé dans la détermination du volume maximum prélevable d'eau souterraine. Malgré les limites de modélisation, le GR5J a été appliqué afin d'illustrer la méthodologie proposée. Le volume prélevable pour l'aquifère de Pouzols est estimé entre 4,5 et 6 millions de m3 par an. Toutefois ce chiffre doit être modulé en fonction de l'établissement du futur débit biologique de la Cesse et de la valeur des prélèvements de surface présents dans le cours pérennes de la rivière. / During the past fifty years, water use has been on a constant increase over the Mediterranean basin, Three quarters of water withdrawals come from superficial water resources. Thus, groundwater resources appears as a solution to surface water rarefaction. karstic groundwater constitutes an important and easily renewable reserve. The Cesse-Pouzols hydrosystem, located in the South of France, is composed by the karstic basin of the Cesse (275 km ²) and the karstic aquifer of Pouzols. At the borderline between the Corbières in the South, the Montagne Noire in the North and the thrust of St-Chinian in the East, its geology and geometry are complex and it inherits from big tectonic events of Languedoc Roussillon. During the quaternary era, karstic network developed owing to changes the Cesse changements of direction , generating zones of losses and resurgences. The synthesis of the basin hydro-geomorphologic evolution allowed establishing a first scheme of its hydrogeological functioning. The description of current networks and newly installed tools allowed collectingrainfall , flow and water table data available on this hydrosystem thusimproving knowledge of the site by a hydrodynamic and hydrochemical analysis. Thanks to these analyses (i) correlations between surface and groundwater were identified as well as(ii) the presence of an important groundwater reserve through a good hydraulic conductivity, (iii) a strong stocking capacity, (iv) a zone of reload located on the medium altitude of contact between the tertiary carbonate formation and the Primary formation of the Montagne Noire. A mixture between very ancient waters and recent waters was also highlighted notably thanks to the use of stable isotopes of water and anthropogenic gases (CFCS and SF6). In order to estimate the maximum volume of groundwater that could possibly be pumped and to offer an active management of the hydrosystem Cesse-Pouzols, a daily conceptual modelling was developed, based on the hydrological model GR4J. It was chosen to develop this model by integration of surface water/groundwater interacations and by the recognition of slow and quick flows. A GR5J model was so developed. The recognition of correlations between the reservoirs of the aquifer allowed setting up a GR7J model. However, GR7J does not introduce net improvement in comparison to GR5J and mentions one «over - parameterization» according to today's available data. The GR5J model was therefore used Maximum volume of groundwater pumped in Pouzols aquifer is estimated between 4,5 and 6 millions of m3 per year. However, this figure must be modulated according to the future environmental flow of the Cesse and to the value of the present samples of the river.

Technique émergente de gestion intégrée des ressources en eau pour résoudre des problèmes de gestion en zones arides, la Recharge Artificielle de Nappe RAN n'est pas appliquée aux aquifères carbonatés à cause des problèmes de karst. Son application au karst devrait cependant s'imposer. Cette thèse a analysé les conditions de recharge naturelle et artificielle, pour proposer une méthodologie d'Analyse de la faisabilité de Recharge Artificielle des aquifères Karstiques (ARAK) afin de définir des sites favorables à une recharge artificielle depuis la surface. 4 critères indépendants (Epikarst, Roche, Infiltration et Karst) sont considérés, indexés dans chaque maille à partir des données géologiques et topographiques, cartographiés selon une méthode d'indexation multicritère. L'indice de rechargeabilité intrinsèque, combinant ces critères, décrit l'aptitude de l'aquifère à être rechargé depuis sa surface, à l'échelle du système, puis à celle des sites les plus favorables. Un facteur de faisabilité technico-économique, mesurant les difficultés techniques et économiques d'une opération de recharge, est ensuite calculé à chaque site. Développée pour prendre en compte les aspects théoriques et pratiques rencontrés en identifiant les sites de RAN à partir de la surface, cette méthodologie devrait servir d'outil de gestion durable des ressources en eau karstique. La méthode ARAK a été testée sur l'aquifère karstique littoral de Damour, Liban, capté pour l'e au potable de Beyrouth, dont l'exploitation non contrôlée a conduit à une intrusion marine. Plusieurs sites de recharge à partir de la surface ont été identifiés. Mais le facteur technico-économique a révélé des difficultés techniques. La solution proposée consiste en une galerie horizontale, pour injecter l'eau de la rivière. Les établissements de l'eau considèrent qu'un tel projet offrira une solution intéressante pour satisfaire la demande en eau et combattre l'intrusion d'eau salée. / Managed Aquifer Recharge MAR is an emerging sustainable technique used to solve water management problems. MAR presents great interest for karst aquifers, however known to present a high heterogeneity. MAR remains till date marginal in karst aquifers. Accordingly, the present work presents a methodology for Aquifer Rechargeability Assessment in Karst ARAK. The aim of ARAK is to determine the ability of a karst aquifer to be artificially recharged from its surface; and the best sites for implementing the recharge. Based on multi-criteria indexation analysis, ARAK considers 4 criteria: Epikarst, Rock, Infiltration, Karst. The criteria are indexed at each mesh of the 2 D grid domain, from geological and topographic data. ARAK computes the intrinsic rechargeability index, describing the rechargeability of a karst aquifer, on the regional scale, then on the identification of rechargeable sites. Subsequently, a feasibility factor, weighting the techn ical and economic difficulties of a recharge operation, is applied to the selected sites. The methodology, developed to reconcile the problems encountered to identify sites for MAR in karst, provides a useful tool to help water authorities to determine the potential of MAR in karst aquifers. ARAK was applied to Damour site (Lebanon). This coastal aquifer, source of water supply for Beirut, was salinated by its uncontrolled exploitation. A MAR system in Damour region should remediate to it. The four ARAK criteria were indexed and mapped. The final map showed that the aquifer is favorable to a recharge operation, and identified several potential rechargeable sites. However, the feasibility factor indicated that major difficulties hinder the use of infiltration ponds. The solution proposed consists of drilling a horizontal gallery for injecting river water. Water authorities consider that an aquifer recharge project could offer solutions for the shortage in water supply and the sea water intrusion.

La France est dépendante en gaz naturel dont elle importe 98% de sa consommation. Comme pour plusieurs autres pays (Etats-Unis, Canada, Grande Bretagne, Autriche, Allemagne, etc.), le stockage de gaz est principalement réalisé afin de pallier aux variations saisonnières de consommation. Grâce aux spécificités géologiques de notre territoire, ce stockage se fait essentiellement aux niveaux d’aquifères très profonds (-500 à 1000 mètres). Le gaz naturel contient en majorité du méthane mais également des traces d’autres composés tels que les BTEX (Benzène, Toluène, Ethylbenzène et les trois isomères du Xylène) qui sont connus pour leur toxicité. Ces hydrocarbures monoaromatiques peuvent se solubiliser dans l’eau de formation aux niveaux des interfaces eau/gaz. Leur biodégradation est bien moins rapide en anaérobiose qu’en aérobiose mais un potentiel d’atténuation naturelle des BTEX par les communautés microbiennes indigènes a déjà pu être démontré lors de travaux antérieurs. Cependant, bien que de nombreuses études aient été réalisées sur le sujet, les voies de dégradation anaérobie ne sont que partiellement connues et les connaissances concernant les microorganismes impliqués sont réduites, voire inexistantes. Le développement de biomarqueurs moléculaires in situ doit permettre d’évaluer rapidement le potentiel de dégradation des microorganismes d’un aquifère. Pour atteindre cet objectif, il est indispensable d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation et donc, d’isoler les microorganismes impliqués dans la dégradation de ces composés. Au cours de cette étude, des communautés microbiennes provenant d’échantillons d’eau de formation issue de trois aquifères distincts (nommés dans ce travail A, C et D) ont été étudiées à l’aide de trois approches différentes de microbiologie environnementale. L’ensemble de ces résultats ainsi que ceux de la littérature suggèrent l’ubiquité des bactéries sulfato-réductrices à Gram positif tels que les Desulfotomaculum dans les environnements profonds. Les résultats obtenus lors de ce travail de doctorat suggèrent le rôle prépondérant de microorganismes affiliés au genre Desulfotomaculum dans la dégradation des BTEX en aquifères très profonds et représentent une avancée dans la compréhension des phénomènes d’atténuation naturelle des BTEX dans ce type d’environnement. / France is dependent on natural gas and imports 98% of its consumption. Like in many other countries (The United States of America, Canada, Great Britain, Austria, Germany, etc.), gas storage is primarily performed to compensate for seasonal variations in consumption. Geological characteristics of our territory allow to store essentially natural gas into deep aquifers (-500 to 1000 meters). Natural gas contains mostly methane, but also traces of other compounds such as BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene and the three isomers of Xylene) which are known to be toxic. These mono-aromatic hydrocarbons are soluble in water. Anaerobic biodegradation is much slower than aerobic processes however potential for anaerobic BTEX natural attenuation by indigenous microbial communities has already been shown previously. Although many studies have been done on the topic, the anaerobic degradation pathways are only partially known and the knowledge of microorganisms involved is low or nonexistent. The development of in situ molecular biomarkers will allow rapid evaluation of the potential degradation of aquifer microorganisms. To achieve this goal, a better understanding of the mechanisms of degradation is crucial and requires isolation of microorganisms involved in the degradation of these compounds. In this study, microbial communities sampled from formation waters of three distinct aquifers (named in this work A, C and D) were studied using three different environmental microbiology approaches. All these results and those from the literature suggest the ubiquity of sulfate-reducing bacteria such as Gram positive Desulfotomaculum in deep environments. The results obtained during this PhD suggest the importance of microorganisms related to the genus Desulfotomaculum in BTEX degradation in deep aquifers. This work represents a step forward in understanding the phenomenon of natural attenuation of BTEX in this kind of environment.

La recherche a porté sur les contraintes reliées à la modélisation des écoulements des eaux souterraines en aquifère côtier. Dans ces aquifères, la présence concomitante d’eaux douces et d’eaux salées modifient les patrons d’écoulement classiquement représentés par l’équation de Darcy. L’influence de la salinité de l’eau sur ses propriétés (densité) et sur la perméabilité du milieu complexifie la représentation mathématique des équations d’écoulement et la résolution des systèmes d’équations. Par ailleurs, l’influence des hétérogénéités du milieu rend plus difficile et hasardeux le paramétrage des modèles et leur calibration. Pour ce faire, nous avons proposé d’utiliser les résultats d’investigations géophysiques et isotopiques des eaux. Une meilleure description du milieu souterrain et l’imagerie de l’interface eau douce/eau salée peut en effet aider à un meilleur paramétrage et à une validation accrue de la simulation des écoulements des nappes côtières. Les mesures géochimiques telles celles des isotopes du radium ont aidé à la validation des flux et concentrations simulés. Notre approche a été appliquée sur la partie aval de la nappe de la Crau. La comparaison des résultats simulés par le modèle aux données de terrain résultant des suivis réalisés ont montré l’intérêt et l’applicabilité et la validation de notre approche méthodologique / The research has focused on the constraints related to the modeling of groundwater in coastal aquifer. In these aquifers, the concomitant presence of freshwater and saltwater alters the flow patterns typically represented by the Darcy equation. The influence of salinity on density and permeability complex the mathematical resolution of flow equations. Moreover, the influence of heterogeneities of aquifer makes it more difficult and risky the model parameterization and its calibration. We propose to use fort that the results of both geophysical and isotopic investigations. Thus, we hypothesize that the description of the subsurface and the imaging of the freshwater/saltwater can help to setup and validate the simulation of groundwater in coastal aquifers. Also we have shown that geochemical measurements such as radon may help to validate the simulated flow. Our approach was applied on the downstream part of the Crau aquifer. The comparison of simulated results to data resulting from monitoring has shown the usefulness and applicability of our approach.

Les systèmes aquifères constituent la partie souterraine du cycle hydrologique. Ils transfèrent les pluies infiltrées à travers les sols sur des distances variables. Après un temps caractéristique de l’ordre du mois au millier d’années, les eaux souterraines regagnent la surface en alimentant les rivières et en satisfaisant en partie l’évapotranspiration. Les aquifères sont ainsi une ressource en eau majeure pour l’Homme et les écosystèmes. La prédiction de leur réponse aux pressions anthropiques et climatiques se heurte à deux difficultés (1) la faible densité d’informations directes sur les milieux géologiques et leur grande hétérogénéité (2) la complexité des échanges entre la surface et la profondeur. L’enjeu est donc de développer des modèles représentant au mieux les processus aux différentes échelles spatiotemporelles. Pour aborder cette question, nous étudions le contenu informatif de différents types d’observables (piézométrie, débit de rivière, déformation de surface...) afin de déterminer comment ils peuvent améliorer la paramétrisation des modèles. Notre travail s’appuie sur la modélisation hydrologique du site de Ploemeur (échelle locale) et du bassin du Rhin (échelle continentale). Dans les deux cas, des modèles simples sont développés en utilisant des solutions analytiques et numériques. Le modèle ModFlow a également été couplé à un modèle hydrologique. À petite échelle, les résultats illustrent l’intérêt de différents types de données transitoires pour contraindre les processus. À grande échelle, le modèle développé ainsi que les observables permettent d’affiner le rôle des systèmes aquifères dans la disponibilité de l’eau en surface. Les deux approches illustrent un contrôle des flux à différentes échelles par la topographie, la géologie et l’hétérogénéité. / Groundwater systems (GW) constitute an important part of the hydrological cycle. GW transfer water infiltrated through soils on variable distances. After a characteristic time ranging from the month to thousand of years, GW reach the surface supporting rivers and evapotranspiration. Thus, they are a major resource for human and ecosystems. PredictingGWresponse to human and climate pressures is limited by (1) the scarcity of direct information on the highly heterogeneous geological media (2) the complexity of surface-depth exchanges. So, it seems necessary to develop models representing at best the processes at different spatiotemporal scales. To address this issue, we study the informative content of different observation types (piezometry, streamflow, surface deformation. . . ) to assess how they can improve models parametrization. Our work is based on GW modeling of the Ploemeur site (local scale) and of the Rhine basin (continental scale). For both approaches, simple models are developed, using analytical or numerical solutions. Also, the ModFlow model was coupled to an hydrological model. At small scale, results show the interest of temporal and multidisciplinary data to better constrain processes. At large scale, the developed model, as well as observations, allows to precise the role ofGWfor water availability on surface. Both approaches highlight a flows control at different scales by topography, geology and heterogeneity.

L’objectif de la thèse vise à déterminer les facteurs et processus qui contrôlent l’origine et la qualité des eaux souterraines alluviales et ainsi à mieux comprendre le fonctionnement et la vulnérabilité des aquifères alluviaux qui occupent une place prééminente dans le paysage hydrogéologique mondial tant pour leur rôle économique - production d'eau potable, développement agricole - que pour leur rôle écologique. Des mesures hydrodynamiques, hydrochimiques (ions majeurs, traces, molécules phytosanitaires et pharmaceutiques) combinées à des déterminations isotopiques (oxygène-18, deuterium, carbone-13) ont ainsi été effectuées sur 19 points incluant puits, piézomètres et eaux de surface, de février 2011 à novembre 2012, afin d’évaluer l’origine et la qualité de l’eau souterraine dans l’aquifère alluvial de la rivière Allier, un des principaux tributaires de la Loire. La zone d’étude, située près de la ville de Clermont-Ferrand (France), joue par ailleurs un rôle socio-économique majeur, la nappe alluviale de l’Allier constituant la principale ressource en eau potable pour une population d’environ 100 000 habitants. D’un point de vue hydrodynamique, l'eau souterraine circule généralement du sud au nord, avec une alimentation naturelle à partir des coteaux adjacents, dans la partie non-pompée de l'aquifère. Dans la zone de pompage, cette circulation naturelle est modifiée par le pompage qui fait pénétrer l’eau de la rivière Allier dans l’aquifère. La recharge de l’aquifère dépend alors de quatre pôles de mélange : pluie, rivière Allier, coteaux adjacents et partie sud, non-pompée, de l’aquifère. Les résultats chimiques et isotopiques obtenus permettent de cartographier la contribution de chaque pôle de mélange. [...] Ces résultats mettent en évidence la vulnérabilité de l’aquifère face aux pollutions. Les parties méridionale et orientale du site sont affectées par des arrivées d’eaux de qualité médiocre démontrant l’importance de la définition d’un périmètre de protection adaptée. Près de l’Allier, une attention particulière doit être portée non seulement aux pollutions ponctuelles qui peuvent se produire sur le cours de la rivière, mais également aux pollutions chroniques liées notamment aux rejets des stations d’épuration pourvoyeurs de polluants tels les molécules pharmaceutiques. Toutes les informations acquises devront être incluses dans les stratégies de gestion d'eau souterraine afin protéger la durabilité de cette ressource de valeur. Les résultats s’appuient sur les investigations menées sur la nappe alluviale de l’Allier, néanmoins la méthodologie utilisée et sa transposition à des systèmes analogues est l’une des perspectives majeures de cette étude. / Hydrodynamic, hydrochemical (major ions, traces, pharmaceuticals and pesticides), and isotopic investigations (oxygen-18 and deuterium) were carried out on 19 points, including boreholes, piezometer, surface water, and springs from February 2011 to November 2012, to assess groundwater quality in the unconfined shallow alluvial aquifer of the Allier River (one of the main tributary of the Loire River). The study area, located near the city of Clermont-Ferrand (France), plays an important socio-economic role as the alluvial aquifer is the major source of drinking water for about 100 000 inhabitants. The objective of the project aims at understanding the functioning and the vulnerability of alluvial aquifers that occupy a pre-eminent position in the hydrogeologic landscape both for their economic role - production of drinking water and agricultural development - and for their ecological role. Moreover, this study also targets at determining the factors and processes controlling shallow groundwater quality and origin. The water circulates from the south, with a natural alimentation from the hills in the non-pumped part of the alluvial aquifer. In the pumping zone, this general behaviour is altered by the pumping that makes the water from the Allier River enter the system in a large proportion. Four end-members have been identified for the recharge of the alluvial groundwater: rainfall, Allier River, surrounding hills’ aquifer and the southern non-pumped part of the alluvial system. Results indicate that, despite the global Ca-HCO3 water type of the groundwater, spatial variations of physico-chemical parameters do exist in the study area. Ionic concentrations increase from the Allier River towards east due either to the increase in the residence time or a mixing with groundwater coming from the aquifer’s borders. Stable isotopes of the water molecule show the same results: boreholes close to the river bank are recharged by the Allier River (depleted values), while boreholes far from the river exhibit isotopic contents close to the values of hills’ spring or to the southern part of the alluvial aquifer, both recharged by local precipitation. One borehole (B65) does not follow this scheme of functioning and presents values attesting of a probable sealing of the Allier River banks. Based on these results, the contribution of each end-member has been calculated and the functioning of the alluvial system determined. According to this general scheme of functioning, origins of pollution (agricultural, urban) have been determined and clues to the protection of such hydrosystems defined.