En contexte insulaire volcanique, les aquifères du domaine côtier présentent de très fortes hétérogénéités liées à leur structure, à la disparité de leurs recharges et à l'influence des conditions en aval. Les travaux envisagés ici consistent à élaborer une méthodologie adaptée à différentes configurations hydrogéologiques dans l'optique de mieux imager et comprendre l'évolution du biseau salé. L'acquisition des données est effectuée sur différents sites présentant des configurations hydrogéologiques variées sur le plan de la recharge, de la structure de l'aquifère et de la géomorphologie de la limite en aval. Un réseau d'observation est mis en place sur la côte ouest de l'île de La Réunion, dans la zone littorale allant de L'Ermitage à Saint-Leu. Cette zone est particulièrement intéressante dans le sens où elle présente les types de limites en aval les plus communes aux îles volcaniques à savoir, des côtes rocheuses, des plaines d'arrière-récif et des plaines d'accumulation fluviomarine. Sur La Réunion et la Grande Comore, le milieu volcanique est investigué au moyen de méthodes géophysiques et par une analyse de séries temporelles hydrogéologiques. Les outils géophysiques employés confirment la présence d’un milieu souterrain hétérogène, avec la présence sporadique de chenaux d'écoulement souterrain préférentiel susceptibles de contrôler la dynamique des intrusions marines. Les simulations numériques effectuées par la suite corroborent ces observations. L'analyse des signaux enregistrés indique une forte influence des forçages hydro-climatiques externes sur les nappes côtières. Elle permet aussi de distinguer deux familles de comportement selon le contexte géologique des ouvrages instrumentés. Les résultats de ces travaux mettent en avant une méthodologie de gestion des nappes côtières adaptée au milieu volcanique. Ils contribuent également à l'orientation des programmes de prospection de la ressource en eau souterraine dans ces contextes très complexes. / In volcanic islands context, the aquifers of coastal areas have very strong heterogeneities related to their structure, the disparity of their recharge and the influence of the downstream boundaries (rocky coasts, detritic cones...). The works considered here consist to develop a methodology adapted to different hydrogeological configurations in the aim to better understanding the development of saltwater intrusions. Time series recording and geophysical investigations are carried out on various sites, with different hydrogeological conditions, on the west coast of Reunion Island and throughout Grande Comore Island. The groundwater observatory tested in the pilot study area of Reunion was exported to three others experimental sites situated in Grande Comore Island (Indian Ocean). The geophysical investigations reveal a very important lateral heterogeneity along the shoreline due to the existence of 3D volcanic structures such as palaeovalleys filled by recent lava flows. In coastal areas, these structures exert an important role towards the marine intrusion dynamics, like it was confirmed by numerical simulations. Time series recording has allowed the hydrodynamic characterisation of the coastal groundwater and has enhanced the understanding of low and high frequency variations of the groundwater resources quality

L'importance des enjeux liés à la qualité et à la connaissance de l'eau souterraine nécessite de caractériser le fonctionnement des nappes d’eaux souterraines. En hydrogéologie, les méthodes qui permettent de réaliser le modèle conceptuel d’un aquifère reposent généralement sur l’observation et la caractérisation du milieu, à partir notamment de la mise en place de forages et la réalisation de pompages d’essai. Cependant, ces méthodes présentent des limites pour caractériser la variabilité spatiale des aquifères hétérogènes. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement d’approches expérimentales qui utilisent des informations issues de traçage thermique ou salin pour la caractérisation des paramètres hydrauliques des milieux hétérogènes poreux. Ce choix expérimental a été justifié 1) par les difficultés de prise en compte des hétérogénéités hydrauliques dans les milieux poreux naturels et 2) pour une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu en situation contrôlée. Dans les travaux réalisés, nous avons tout d’abord proposé d’utiliser des mesures thermiques ponctuelles, puis obtenues dans l'infrarouge thermique pour estimer les paramètres hydrauliques en milieux poreux hétérogènes. Cependant, les méthodes de traçage thermiques étant limitées dans les zones faiblement perméables, nous avons fait évoluer notre approche en la combinant avec une méthode géophysique (Potentiel Spontané). Cette méthode, sensible aux écoulements des fluides et aux processus thermoélectrique et électrochimique, nous a permis de collecter des données temporelles intéressantes pour surveiller des variations thermiques ou saline provoquées dans les milieux. Les mesures obtenues ont été par la suite utilisées dans des algorithmes d’inversion pour estimer les distributions spatiales des propriétés hydrauliques. Les résultats obtenus nous ont permis de montrer l’efficacité de ces approches pour la caractérisation des milieux hétérogènes et par conséquent pour la modélisation des écoulements des fluides dans ces milieux. / The importance of issues related to the quality of groundwater requires characterizing the operation of groundwater aquifers. Hydrogeological methods used to carry out conceptual model of an aquifer are generally based on the observation and characterization of the medium, by using boreholes and carrying out of pumping test operations. However, these methods present some limitations in characterizing the spatial variability of heterogeneous aquifers. In this thesis, we develop experimental approaches that use information from thermal or saline tracing for the characterization of hydraulic parameters in heterogeneous porous media. The choice of using experimental approaches was justified 1) by difficulties of taking into account hydraulic heterogeneities in natural porous media and 2) for a better understanding of the phenomena involved in a controlled situation. In this work, we first proposed the use of punctual thermal measurements, then measurements obtained by using thermal infrared to estimate hydraulic parameters in heterogeneous porous media. However, as thermal tracing methods are limited in low permeability areas, we improved our approach by combining it with a geophysical method (Spontaneous Potential). This method, sensitive to fluid flows and thermoelectric and electrochemical processes, has allowed us to collect interesting temporal data to monitor thermal or saline variations in the media. The measurements obtained were then used in inversion algorithms to estimate the spatial distributions of hydraulic properties. The results obtained allowed to demonstrate the effectiveness of these approaches for the characterization of heterogeneous media and consequently for the modelling of fluid flows.

Cette étude porte sur l'impact des fuites de CO2 provenant d'un réservoir géologique de stockage de CO2 sur un aquifère d'eau douce. Elle se distingue des autres études, réalisées sur le même thème, par la recherche et l'application, depuis l'échelle du laboratoire jusqu'à celle d'un site pilote, de nouveaux outils de monitoring et d'approche isotopique destinés à la détection précoce de fuite de CO2. Afin de tester ces outils, des échantillons solides et liquides provenant de l'aquifèrestratégique de l'Albien du Bassin de Paris ont été prélevés, analysés et utilisés pour une étude expérimentale en batch. Cette expérience permet de contraindre et de comprendre précisément les interactions eau-roche-CO2 et les réponses isotopiques. Une application grandeur nature en Norvège a permis de mettre en place ce programme isotopique et de suivre l'évolution de la composition isotopique en distinguant les processus et phénomènes naturels et les processus reliés à l'injection de CO2. Ces deux cas d'étude appliqués au contexte de détection de fuite de CO2 ont permis de choisir les outils isotopiques les meilleurs comme indicateurs indirects de la présence de CO2, dans le cas particulier des systèmes étudiés. L'efficience de ces outils isotopiques réside dans l'enregistrement de la trace laissée par la présence de CO2 au cours d'interactions eau/roche/CO2. L'utilisation de tels outils nécessite une méthodologie rigoureuse abordée dans ce manuscrit et nécessite d'être adaptée aux spécificités des sites envisagés. / This study deals with the impact of CO2 leakages out of geological storage into overlying freshwater aquifers. Compared to other existing studies, the major added value of this study lies, on the one hand, in the research of new monitoring tools and isotopic approach in the context of CCS aiming at early and sensitive detection of CO2 leakage and, on the other hand, in the application of these tools at the (limited) laboratory scale as well as at field scale. In order to test these tools, solid and liquid materials were sampled out of the major strategic drinking water Albian aquifer in the Paris Basin (France). We have then precisely characterized and used them within a batch experiment. This experiment yields interesting results which help understanding and constraining precisely the water-rock-CO2 interactions as well as the isotopic responses. A real scale application of the method was then performed in Norway. It was an opportunity to develop this isotopic program and to track the isotopic evolution composition, while differentiating the natural processes and the system response tothe CO2 injection. When applied to the detection of CO2 leakage context, the two case studies open the way for choosing the “best” isotopic tools as indirect indicators of CO2 presence in these specific systems. The efficiency of these isotopic tools comes from the recording of the CO2 footprint all along the water-rock-CO2 interactions. Using such tools imposes a rigorous methodology, which is tackled inthis manuscript. Furthermore, future application will require adapting to the specifics of a proposed site.

Sur l’île de Majorque (Espagne), l’exploitation en continue de la nappe aquifère a favoriséla formation d’un biseau salé et l’épuisement de la ressource en eau potable. En 2002, un projet nommé ALIANCE, financé par l’Union européenne, a été lancé pour permettre une meilleure caractérisation des réservoirs. L’objectif est de concevoir un plan de gestion durable des ressources en eau dans les zones côtières aquifères sujets aux problèmes d’intrusion d’eau salée. Dans cet optique, un site expérimental près de la ville de Campos (Majorque) a été créé, avec la mise en place de plusieurs puits au sein d’un milieu karstique carbonaté. Des études pétrophysiques sur des échantillons ont été réalisées ainsi que différentes prospections géophysiques dans la zone saturée (tomographie puits à puits). Ce type d’études est utile pour déterminer certaines propriétés réservoirs telles que la porosité, mais sont limitées à la zone saturée au voisinage des puits. Ainsi, une étude sismique 3D haute résolution a été réalisée pour localiser les principaux réflecteurs, leurs répartitions sur la zone et imager les hétérogénéités du réservoir dans la zone non saturée. L’acquisition et le traitement de données sismiques lors de prospection de subsurface est une tâche difficile en raison de plusieurs facteurs, notamment logistique et technique. Cependant, cette acquisition 3D haute résolution a été optimisée pour imager une structure peu profonde, à savoir une centaine de mètres. Différentes stratégies de traitement de données ont été appliquées pour éliminer de manière efficace le bruit sur les données, et une technique de calcul de correction statique, basée sur l’inversion des temps de premières arrivées, a été mise au point. Différents attributs sismiques ont été extraits et utilisés pour la caratérisation du réservoir. La propagation des ondes sismiques est limitée par la nature des roches carbonatées et la création d’ondes de Rayleigh. Un obstacle majeur rencontré lors du traitement des données sismiques a été la présence d’ondes de Rayleigh de fortes amplitudes, d’une part due à l’utilisation d’une source en surface et d’autre part en raison des hétérogénéités de petite tailles. Un "mute" de ces ondes de surface a été réalisé avant d’imager la structure profonde. De multiples problèmes d’interférences sont également dus aux nombreuses hétérogénéités, à l’atténuation rapide du contenu hautes-fréquences des signaux et au contraste d’impédance avec les couches sous-jacentes. L’interprétation finale nous amène à observer que le réflecteur principal est très irrégulier sur une zone d’étude de petite taille à l’échelle d’un réservoir. L’analyse de différents attributs sismiques révèle clairement des structures et hétérogénéités typiques des systèmes karstiques. / Continuous water extraction and intrusion of salt water in the coastal aquifer of the islandof Mallorca (Spain) is depleting the fresh water aquifers. In 2002 a project named ALIANCE,funded by European Union, was initiated for better reservoir characterization and to devisethe sustainable management plan of the water resources in coastal aquifers suffering from salt water intrusion. For this purpose an experimental site near the Campos town on the island of Mallorca (Spain) was developed. Several wells on the site were drilled and cored. Extensive studies are carried out to characterize the reservoir by studying the well cores. Different geophysical tomographic studies are also carried out for these drilled wells in the saturated zone. Laboratory study of cores, petrophysical studies and several tomographic studies were helpful to construct the reservoir porosity system and other reservoir properties. But these all studies are restricted to saturated zone and in the vicinity of the wells. High resolution 3D seismic survey is carried out on this site to locate the different characteristic reflectors, their spatial presence over the area and reservoir heterogeneity in the unsaturated zone. Seismic data acquisition and processing for the shallow surveys is a difficult task due to number of factors including logistic and technical. Nonetheless high resolution 3D seismic survey is acquired with optimized parameters to image the required zone. Different data processing strategies are applied to get a noise free high resolution image. A technique for static correction calculation based on the delay time inversion is developed.Energy penetration in the subsurface was hampered due to carbonate rock nature and forced generation of Rayleigh waves. The processing of the seismic data was difficult due to overwhelming high amplitude Rayleigh waves that are generated partly due to use of the surface source and partly due to the small scale heterogeneities. Rayleigh wave muting is performed to obtain the meaningful image. Due to heterogeneities, attenuation of high frequency content of the signals and impedance contrast of the underlying layers result in interference. Different seismic attributes are extracted and used for reservoir characterization. From the interpretation of data it is evident that even for this small area the shape of the main reflector varies considerably in the area. Seismic attributes reveal karsts and other structural heterogeneities in the area.

Dans un contexte global d'augmentation de la population, les réserves en eau des nappes phréatiques sont de plus en plus sollicitées. Pour pallier à cette exploitation, des systèmes d’infiltration artificiels ont été mis en place pour recharger les nappes avec de l’eau de surface. Néanmoins, ces systèmes subissent des pertes d’efficacité liées au colmatage du support d’infiltration par des processus physiques, chimiques ou biologiques. Face à ce phénomène, le travail de thèse a pour but de tester la faisabilité d’une technique d’ingénierie écologique par introduction d’un gastéropode, V. viviparus, pour limiter le colmatage de l’interface eau/sédiment de bassins d’infiltration utilisés pour recharger artificiellement l’aquifère sous-jacent au Rhône. Par des approches expérimentales, deux volets ont été abordés, (1) la dynamique des interactions biofilm/brouteur et les conséquences sur l’état physiologique du gastéropode et (2) la dynamique des interactions biofilm/gastéropode et les conséquences sur les propriétés hydrauliques et écologiques de l’interface eau/sédiment. Les résultats ont mis en évidence que (1) V. viviparus pouvait se maintenir dans les bassins d’infiltration aux différentes saisons, (2) V. viviparus pouvait limiter le colmatage biologique de l’interface eau/sédiment soit par ses actions trophiques (broutage), soit par des actions physiques (déplacement, pelletisation) et (3) V. viviparus n’a pas eu d’effet positif sur l’infiltration lorsque le colmatage était chimique. Pour conclure, V. viviparus apparait comme un bon candidat pour des solutions d’ingénierie écologique visant à restaurer des interfaces eau/sédiment, colmatées par un biofilm phototrophe. Ce travail ouvre des perspectives sur l’utilisation de solutions basées sur la nature à plus large échelle spatiale (e.g. pilote) et à des milieux naturels comme les zones humides / With the global increase of the population, groundwater reserves are increasingly exploited. To circumvent this problem, managed aquifer recharge systems using surface water are used worldwide. Nevertheless, the hydraulic performance of these systems is often altered by physical, chemical or biological clogging. This work aim to test the sustainability of ecological engineering solution based on the introduction of the gastropod, V. viviparus, to attenuate the clogging of the water/sediment interface of infiltration basins use for the recharge of the Rhône river aquifer. Two sections have been addressed with experimental approaches, (1) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the physiological state of the gastropod and (2) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the hydraulic and ecological properties of the water/sediment interface. Results show that (1) V. viviparus is able to survive in the infiltration basins at contrasted seasons, (2) V. viviparus can attenuate the biological clogging of the water/sediment interface, ether by trophic interaction (grazing) or physical actions (crawling activity, pelletization), and (3) V. viviparus has no positive effect on infiltration in case of chemical clogging. To conclude, V. viviparus appears to be a good candidate for ecological engineering solutions aiming to preserve and restore water/sediment interface impacted by biological clogging. This work provides useful information for the study of natured based solutions at larger scale (experimental pilot) and in natural ecosystems as wetlands

Cette étude concerne le delta du Nestos (Grèce du Nord) et les deltas dont la formation est plutôt influencée par l'action fluviatile et l'action de la houle. Les forages et les sondages électriques ont permis de constater, pendant le dernier stade de l'évolution du delta, une translation de l'écoulement du Nestos d'Ouest en Est. Ceci est aussi vérifié par l'analyse des conditions géomorphologiques et fut déterminant pour le régime hydrogéologique des deux secteurs du delta. Après l'aménagement de la rivière, commence la phase de destruction du delta. Les barrages naturels des îles de Thassopoula et Thassos n'ont pas permis la formation des profils sous-marins typiques, sauf dans le cas des côtes orientales. L'effet de la houle a donné trois types de côtes. Le transport des sédiments et la formation de la plate-forme sous-marine sont influencés par la présence des îles ci-dessus mentionnées. L'analyse morphométrique du delta exprime la distribution du volume des sédiments et indique que la convexité ou la concavité des côtes et des profils sous-marins résulte de cette distribution. Plus encore, cette analyse peut être utilisée pour la connaissance des conditions hydrogéologiques, avant la réalisation de recherches précises. Les analyses minéralogiques des sédiments et la détermination des fossiles ont complété la connaissance sur la formation du delta, et les conditions paléoécologiques. L'étude des conditions hydrogéologiques a été faite, pour les marbres, des bordures du delta, à l'aide de la géologie, des mesures du d~bit des sources et l'analyse des courbes, des analyses chimiques et isotopiques et de l'analyse tectonique des affleurements des marbres. Cette étude pour les systèmes aquifères de la plaine deltaïque, qui résultent par la formation du delta, est basée sur les essais de pompage, ainsi que sur les analyses chimiques et isotopiques. Dans ce domaine, on a essayé de critiquer les méthodes d'essais de pompage dans les conditions hétérogènes du delta et dans les conditions d'utilisation des forages qui exploitent toutes les couches aquifères traversées. En tenant compte des pertes de charge dans les forages, en essayant d'établir une corrélation entre le Débit Spécifiques des forages et la Transmissivité on est arrivé à établir un cadre d'application des méthodes des essais de pompage sous les conditions ci-dessus mentionnées. L'étude inclut encore la description des conditions hydrogéologiques et hydrochimiques de la nappe phréatique et du système des nappes profondes, leurs variations et leurs conditions d'alimentation.

Dans ce travail, nous étudions un schéma élément fini que nous appliquons à un modèle décrivant l'intrusion saline dans les aquifères côtiers confinés et libres. Le modèle est basé sur l'approche hydraulique qui consiste à moyenner verticalement le problème initial 3D, cette approximation repose sur une hypothèse d'écoulement quasi-hydrostatique qui, loin des épontes et des sources, est vérifiée. Pour modéliser les interfaces entre l'eau douce et l'eau salée (respectivement entre la zone saturée et la zone sèche), nous combinons l'approche 'interface nette' à l'approche avec 'interface diffuse' ; cette approche est déduite de la théorie de champ de phase, introduite par Allen-Cahn, pour décrire les phénomènes de transition entre deux zones. Compte tenu de ces approximations, le problème consiste en un système fortement couplé d'edps quasi-linéaires de type parabolique dans le cas des aquifères libres décrivant l'évolution des profondeurs des 2 surfaces libres et de type elliptique-prabolique dans le cas des aquifères confinés, les inconnues étant alors la profondeur de l'interface eau salée/eau douce et la charge hydraulique de l'eau douce. Dans la première partie de la thèse, nous donnons dans le cas d'un aquifère confiné, des résultats d'estimation d'erreur d'un schéma semi-implicite en temps combiné à une discrétisation en espace de type élément fini Pk Lagrange. Ce résultat utilise entre autre un résultat de régularité du gradient de la solution exacte dans l'espace Lr(ΩT), r > 2, ce qui permet de traiter la non-linéarité et d'établir l'estimation d'erreur sous des hypothèses de régularité raisonnables de la solution exacte. Dans la seconde partie de la thèse, nous généralisons l'étude précédente au cas de l'aquifère libre. La difficulté principale est liée à la complexité du système d'edps paraboliques mais à nouveau, grâce au résultat de régularité Lr(ΩT), r > 2 établi pour les gradients des surfaces libres, nous montrons que le schéma est d'ordre 1 en temps et k en espace pour des solutions suffisamment régulières. Nous concluons ce travail par des simulations numériques dans différents contextes (impact de la porosité et de la conductivité hydraulique sur l'évolution de l'interface, pompage et injection d'eau douce, effet des marées) validant ainsi le modèle et le schéma. Puis nous comparons les résultats à ceux obtenus avec un schéma volume fini construit à partir d'un maillage structuré. / In this work, we study a finite element scheme we apply to a model describing saltwater intrusion into coastal aquifers confined and free. The model is based on the hydraulic approach of vertically averaging the 3D original problem, this approximation is based on a quasi-hydrostatic flow hypothesis which, instead of the walls and springs, is checked. To model the interface between freshwater and salt water (respectively between the saturated zone and dry zone), we combine the approach net interface (approach with the diffuse interface) ; This approach is derived from the phase field theory introduced by Allen-Cahn, to describe the phenomena of transition between two zones. Given these approximations, the problem consists of a strongly couple to edps parabolic quasi-linear system in the case of unconfined aquifers describing the evolution of the depths of two free surfaces and elliptical-parabolic type in the case confined aquifer, the unknowns being then the depth of salt water / fresh water and the hydraulic load of fresh water. In the first part of the thesis, we give in the case of a confined aquifer, error estimation results of a semi-implicit scheme in a combined time discretization space finite element type Pk Lagrange. This result among other uses a regularity result of the gradient of the exact solution in the space Lr(ΩT), r > 2, which can handle the non-linearity and to establish the error estimate under assumptions reasonable regularity of the exact solution. In the second part of the thesis, we generalize the previous study to the case of the free aquifer. The main difficulty is related to the complexity of the system of parabolic edps but again, thanks to regularity result Lr(ΩT), r > 2 gradients established for the free surfaces, we show that the scheme is of order 1 time and space k for sufficiently regular solutions. We conclude this work by numerical simulations in different contexts (impact of porosity and hydraulic conductivity of the evolution of the interface, and pumping fresh water injection, tidal effects) thus validating the model and diagram. The we compare the results with those obtained using a finite volume scheme constructed from a structured mesh.

Cette étude s'intéresse sur la simulation numérique des aires d'alimentation des puits d'eau potable sous l'influence d'une interface eau douce-eau salée (SWI), aux Îles-de-la-Madeleine, au Québec. Trois approches sont étudiées pour représenter l'interface, une entièrement dispersée (ID) considérant l'écoulement des eaux souterraines à densité variable et le transport advectif-dispersif, et les approches simplifiées de l'interface horizontale (IH et MODFLOW) et de Ghyben-Herzberg (GH). Le modèle d'éléments finis 3D SALTFLOW est utilisé pour toutes les simulations, en appliquant l'approche de la probabilité de captage (CP), basée sur le transport advectif-dispersif en mode arrière, pour définir les aires. Une analyse de sensibilité est d'abord appliquée à un domaine rectangulaire 3D simplifié avec un puits de pompage foré dans un aquifère de grès hautement perméable. Cette étude d'analyse de sensibilité porte sur l'influence de la conductivité hydraulique, la profondeur de la crépine et l'augmentation du taux de pompage sur la taille et la forme des aires. Les aires d'alimentation définies avec l'approche de CP sont comparées selon les différentes représentations de l'interface eau douce-eau salée énoncées dans cette étude. L'approche est ensuite appliquée à un sous-domaine 3D hétérogène sur l'Île du Cap aux Meules, qui comprend dix puits de pompage. Pour les conditions considérées dans cette étude, les aires de CP délimitées avec l'IH ou GH sont approximativement égales à 5% des aires simulées avec l'ID. Cependant, les aires ID sont généralement plus grandes comparées à celles simulées avec le traçage de particules basé sur le modèle MODFLOW, en raison des différences dans le modèle conceptuel et l'effet de la dispersion hydrodynamique dans l'approche de CP. L'effet du type d'interface diminue en s'éloignant du littoral. Le CP est une approche potentiellement utile pour définir les aires des aquifères insulaires avec l'intrusion d'eau salée. L'avantage de cette approche de CP est qu'elle inclut les incertitudes à travers le terme de dispersion permettant aux décideurs de choisir des niveaux de risques acceptables. / This study focusses on the numerical simulation of water well capture zones under the influence of a freshwater-saltwater interface (SWI), in the context of groundwater protection on the Magdalen Islands, Québec. Three approaches for representing the interface are investigated, a fully dispersed interface considering density-dependent groundwater flow and advective-dispersive transport, as well as the simplified approaches of a Ghyben-Herzberg interface and a horizontal interface. The 3D finite element model SALTFLOW is used for all simulations, including application of the capture probability (CP) approach, based on backward-in-time advective-dispersive transport, for defining the capture zones. A sensitivity analysis is first applied to a simplified 3D rectangular domain with a single well pumping within a highly permeable sandstone aquifer. Probability capture zones are compared under the different representations of the saltwater interface, highlighting the influence of hydraulic conductivity, the depth of the well screen, and an increase of the pumping rate on the capture zone size and shape. The approach is then applied to a 3D sub-domain of the Island of Cap aux Meules, including ten pumping wells within a heterogeneous system. For the conditions considered in this study, capture zones predicted using the capture probability approach assuming a Ghyben-Herzberg or horizontal interface had surface areas within about 5% of the capture zones simulated using a dispersed interface. These capture zones, however, were generally larger compared to those simulated using advective particle tracks based on a MODFLOW model, due to differences in the conceptual model and to the effect of hydrodynamic dispersion in the CP approach. The effect of the type of interface on the capture zone decreased away from the coastline. Capture probability is a potentially useful approach for defining capture zones in island aquifers under saltwater intrusion as it includes uncertainty through dispersion allowing decision-makers to choose acceptable levels of risk. It is concluded that the Ghyben-Herzberg and horizontale Interface simplifications are acceptable approaches, considering the inherent uncertainties in the conceptual models.

Les Îles-de-la-Madeleine sont situées dans le golfe du Saint-Laurent et donc sont entourées d'eau salée. En raison d'une absence d'un réseau hydrique de surface important, l'eau douce souterraine est l'unique source d'eau potable pour les Madelinots. L'eau douce souterraine de l'archipel est contenue dans un aquifère perméable de grès rouge et existe sous forme de lentille qui flotte par densité sur l'eau salée souterraine. En raison de cette configuration, l'exploitation de cet aquifère nécessite des stratégies de gestion complexes en raison de sa vulnérabilité à l'intrusion saline dans les puits de pompage. Compte tenu de l'absence d'eau de surface sur l'archipel, l'étude des résurgences d'eau souterraine en milieu marin est essentielle, car elle représente la décharge principale des eaux souterraines. Le terme résurgence d'eau souterraine fait référence à tout fluide qui au terme de son parcours dans l'aquifère émerge en surface dans la mer. L'objectif principal du projet de recherche est de cartographier les résurgences d'eau souterraine aux îles de la Madeleine. Durant l'automne 2020, une campagne de terrain a été menée pour localiser les zones de résurgences à l'aide de relevés infrarouges et photogrammétriques sur trois sites de l'archipel. Les relevés infrarouges aéroportés permettent de localiser des résurgences d'eau souterraine via l'observation de contrastes de température de surface à un temps donné. 13 relevés ont été effectués et des gradients de température significatifs ont été localisés entre 3 et 10 mètres du rivage et des gradients de température plus faibles ont pu être observés plus au large. L'instrumentation d'une plage d'un des sites d'étude avec des systèmes de piézomètres multiniveaux a statué la présence d'un écoulement souterrain vers la mer, validant la présence de résurgences d'eau souterraine dans le milieu marin. Malgré l'apparente simplicité de la méthode, l'interprétation de ces relevés infrarouges s'est avérée difficile. Le défi principal de l'interprétation des relevés est que l'étendue et la signature thermique des résurgences dans le contexte des îles étaient inconnues. Afin d'étayer l'analyse, des simulations numériques ont été réalisées avec le modèle Heatflow-Smoker qui simule le transport couplé de chaleur et de masse. Un domaine 2D de 300x35m a été développé pour représenter une lentille d'eau souterraine dans une zone côtière. Le modèle est informé par les données recueillies durant la campagne de terrain. La température de surface du milieu marin est calculée à partir des sorties du modèle hydrogéologique, combinées à un bilan analytique d'énergie thermique de surface. Le scénario de base représentant un contexte hydrogéologique similaire à celui des îles de la Madeleine a confirmé la présence de résurgence via le transport de chaleur avec une étendue à proximité de la côte (~5 m). Une étude paramétrique a été réalisée par la suite pour évaluer l'impact de différentes variables sur les résurgences d'eau souterraine en régime permanent et transitoire. La bathymétrie, les milieux humides et l'écoulement souterrain horizontal se sont avérés être des facteurs d'influence importants sur l'étendue et la signature thermique des résurgences d'eau souterraine. À la lumière de ces résultats, démontrer une corrélation entre les résurgences et la température de surface d'un milieu marin est possible, mais nécessite un cadre d'interprétation rigoureux pour valider la présence de résurgences. / The Magdalen Islands in the Gulf of St. Lawrence are surrounded by salt water, and because of a lack of surface water, fresh groundwater is the only source of drinking water for its inhabitants. Fresh groundwater in the archipelago is contained within a permeable red sandstone aquifer, and exists as a lens that overlies the denser saline groundwater. Because of this configuration, exploitation of this aquifer requires complex management strategies due to potential saline intrusion in the pumping wells. Given the absence of any surface water bodies on the archipelago, the study of submarine groundwater discharge (SGD) is essential since it represents the main natural discharge for groundwater. SGD is driven by differences in hydraulic head, and causes fresh groundwater to flow from the aquifer into the marine environment. Interest in studying submarine groundwater discharge (SGD) around the archipelago has recently increased due to its potentially significant effects on marine ecosystems, contaminant pathways, as well as on the refinement of water budgets for the islands' groundwater resources. The main objective of this study is to map the SGD at the Magdalen Islands using thermal infrared remote (TIR) sensing. During the autumn of 2020, an experimental field campaign was conducted to locate potential SGD zones using infrared and photogrammetric surveys at three different sites on the archipelago. Unmanned aerial thermal infrared surveys can detect SGD based on temperature contrasts at a given time in marine environments. Thirteen surveys were carried out and significant temperature gradients were located 3 to 10 meters from the shore while smaller temperature gradients were observed further from the shore. Some multilevel piezometers were installed on a beach at one of the study sites (Ch.du Bassin Est, île de la Grande-Entrée) and showed small hydraulic gradients, validating limited groundwater flow rates into the marine environment. Despite the apparent simplicity of the method, the interpretation of these surveys has proven challenging, including unexplained seasurface temperature (SST) contrasts as well as the extent of the SGD. In order to support the analysis, numerical simulations were conducted with the Heatflow-Smoker model which simulates coupled density-dependent flow, heat and mass transport. A 300x35 m vertical 2D domain is used to represent a groundwater lens in a coastal area with saltwater intrusion and is informed by data collected during the field campaign. SST is computed from the 2D hydrogeological model results, combined with an analytical sea surface thermal energy budget. The base case scenario representing a hydrogeological context similar the Magdalen Islands confirmed small SGD locations close to the shore. A parametric study was performed to evaluate the impact of different variables, including bathymetry, coastal swamps, and physical parameters, on SGD and SST, under steady state and transient tidal conditions. Bathymetry, swamps and horizontal groundwater flow showed to be the important drivers of SGD. In light of the results, proving correlations between SGD and SST is possible but requires a rigorous interpretation framework to validate the presence of SGD.

L'équilibre densitaire entre l'eau douce et l'eau salée dans les aquifères côtiers est un phénomène instable difficile à caractériser. La validation des modèles hydrogéologiques 2D/3D reste alors délicate sur la seule base de données ponctuelles d'observation en forages. Dans ce but, la tomographie de résistivité électrique (ERT) constitue une technique d'investigation pertinente pour la caractérisation haute résolution de la distribution 2D/3D du sel au sein de l'aquifère.<br />Une méthodologie de validation croisée entre les modèles géo-électriques et les modèles d'écoulement densitaire a été développée. Dans un premier temps, l'interprétation par modélisation inverse des mesures ERT fournit des informations pertinentes pour la structuration et le paramétrage des modèles hydrogéologiques (géométrie du réservoir, vitesses d'écoulement, etc.). Dans un deuxième temps, une validation qualitative est obtenue par comparaison entre la distribution des salinités interprétée d'après les résultats du modèle géo-électrique d'inversion et celle simulée par le modèle d'écoulement densitaire. Enfin, une validation quantitative est obtenue par comparaison entre la réponse géo-électrique théorique des salinités simulées par le modèle hydrogéologique (préalablement transformées en résistivité par application d'un modèle hydro-pétrophysique) et les mesures ERT acquises sur le terrain.<br />La fiabilité de la méthode a été précisée par des analyses de sensibilité conduites sur les différents modèles utilisés (géo-électrique, hydrogéologique et hydro-pétrophysique) et son applicabilité a été testée sur trois contextes hydrogéologiques et climatiques différents. Ainsi, aux Îles-de-la-Madeleine (Canada), les remontées salines sous les captages d'eau ont été caractérisées. Sur l'îlot M'Ba (Nouvelle-Calédonie), les variations spatiales de la recharge contrôlant le développement de la lentille d'eau douce ont été évaluées. Enfin, sur le tombolo de Pikine (Sénégal), les phénomènes évapotranspiratoires et concentrateurs intenses affectant les dépressions inter-dunaires ont été quantifiés.