Thèse 3 cycle--Hydrogéologie--Montpellier, 1976. / Bibliogr. p. 95-102.

La zone non saturée joue un rôle clé sur le transfert des pesticides et la qualité des eaux souterraines. Les connaissances sur les processus d’écoulement et de rétention dans les matériaux géologiques de la zone non saturée au-delà des sols sont toutefois parcellaires. Le transfert du glyphosate et du S-métolachlore (SMOC), et de leurs métabolites AMPA, ESA-métolachlore (MESA) et OXA-métolachlore (MOXA) est étudié en colonne pour deux matériaux fluvio-glaciaires issus d’un aquifère de l’Est lyonnais : un sable, S-x, et un mélange bimodal de graviers et de sables, Gcm,b. Pour des conditions de non-saturation en eau, l’écoulement dans les colonnes est fractionné en deux zones, eau mobile et eau immobile, d’importance variable suivant le solide. La sortie du SMOC est retardée par rapport au traceur de l’eau ; son bilan de masse déficitaire traduit une rétention de la molécule lors de son transfert. A l’inverse, le MESA et le MOXA se comportent comme le traceur de l’eau. Le glyphosate et l’AMPA sont très peu mobiles dans la colonne de Gcm,b (seul matériau étudié) avec des quantités éluées inférieures à 1% de la quantité appliquée. La modélisation montre que le transfert des molécules est affecté de manière variable suivant le matériau par la cinétique physique d’échange entre les zones d’eau mobile et immobile et par la cinétique chimique des molécules. Cette cinétique chimique est décrite par des expérimentations complémentaires de sorption en batch. La caractérisation des matériaux révèle la présence d’oxydes et de minéraux argileux qui pourrait expliquer leur forte réactivité, qui s’avère parfois supérieure à celle des sols de la zone d’étude. / Vadose zone play a key role in pesticides transfer and groundwater quality. Knowledge’s about leaching and retention processes in the vadose zone below the shallow soil zone are still poorly understood. Transfer of glyphosate, S-metolachlor (SMOC), and their metabolites AMPA, ESA-metolachlor (MESA) and OXA-metolachlor (MOXA) is studied in unsaturated columns filled with two glaciofluvial materials collected in the East of Lyon: a sand, S-x, and a bimodal gravel, Gcm,b. Experiments show water fractionation into mobile and immobile compartments with variable importance according to material column. SMOC outflow is delayed compared to the conservative tracer. SMOC mass balance is in deficit revealing retention in columns. At the opposite, complete mass elution associated with retardation factors close to unity shows that there is no adsorption of MESA and MOXA in either lithofacies. Glyphosate and AMPA mobility is very low in the one Gcm,b column studied with amounts in leachates inferior to 1% of applied. Modelling show pesticides and metabolites transfer is affected by both flow regionalisation and non-equilibrium sorption. Chemical kinetic of sorption mechanisms is studied with complementary batch experiments. The high glaciofluvial materials reactivity, in some cases upper than soil reactivity from the study site, could be attributed to oxides and clay minerals.

Les zones riveraines sont connues pour fonctionner comme des tampons efficaces, capable d’éliminer les nitrates des eaux souterraines avant leur rejet dans les ruisseaux adjacents. Ce rôle de tampon est particulièrement important dans les bassins versants agricoles où, l’azote supplémentaire, provenant des engrais, peut être lessivé dans les eaux souterraines. Sur les plaines côtières, les nitrates présents dans les eaux souterraines puis déchargés dans les ruisseaux peuvent potentiellement enrichir les eaux côtières. La transformation des nitrates par le processus de dénitrification permet d’améliorer la qualité de l'eau, cependant, la dénitrification incomplète produit du protoxyde d’azote (N2O), un gaz à effet de serre. Bien qu’un grand nombre de recherches aient été menées dans les régions tempérées, peu d'études ont été conduites dans les régions tropicales sur la capacité des zones riveraines à éliminer les nitrates des eaux souterraines. Dans les zones agricoles de la région tropicale humide en Australie, les précipitations annuelles sont élevées, autour de 3000 mm, et les saisons humides et sèches sont clairement définies. La saison humide se caractérise par des précipitations de forte intensité et de longue durée, suivie par une saison sèche définie par de faibles précipitations sporadiques. Les questions fondamentales de cette thèse sont les suivantes: dans un paysage agricole tropical humide, les nitrates contenus par les eaux souterraines, sont-ils éliminés lors de leur passage dans une zone boisée riveraine avant d’être transportés vers le ruisseau ? Observe- t-on des différences temporelles et spatiales des flux de N2O émis par les sols de la forêt riveraine ?Cette étude se focalise sur une zone riveraine boisée, d’une largeur de 150 m, située au milieu des champs de canne à sucre, sur la plaine côtière adjacente à la lagune de la Grande Barrière de corail (inscrite au patrimoine mondial), localisée dans la région tropicale humide d'Australie.Pour acquérir une compréhension du mouvement des eaux souterraines sur le site riverain, l'hydrologie de la zone a été caractérisée par des mesures de la teneur en eau du sol et par la profondeur de la nappe phréatique (13 piézomètres). Durant la saison humide, le système était très dynamique, avec de grandes fluctuations des niveaux de la nappe phréatique et, à long terme, l’inondation des zones basses. Les rapides hausses de la nappe phréatique ont été attribuées à une recharge in situ élevée, au faible volume d’air contenu dans les pores (zone non saturée), au piégeage de l'air et à la recharge occasionnelle de la crique. Les baisses rapides de la nappe phréatique ont été attribuées aux importantes différences de hauteur au sein de la zone riveraine, différences dues, partiellement, à la topographie vallonnée du site. La saison sèche a été caractérisée par un système lent, avec une profondeur de nappe phréatique pouvant atteindre 4 mètres dans certains endroits. Les eaux souterraines arrivant dans la zone riveraine contenaient de faibles concentrations de nitrates (moyenne <0.03 mg NO3- N L-1 durant les deux saisons). Cependant, les concentrations ont augmenté (jusqu'à 50 fois) lors de la progression des eaux souterraines à travers la zone riveraine, suggérant que la zone riveraine était une source de nitrates pour le ruisseau adjacent. L'augmentation de nitrates a été attribuée à la nitrification ayant lieu dans les sols riverains de surface, processus favorisé par une importante productivité primaire nette, notamment de grandes quantités de litière (12.19 Mg ha-1 an-1). Par la suite, les nitrates générés par le sol riverain ont été lessivés dans les eaux souterraines par les précipitations, durant la saison humide. Ainsi, les nitrates dans les eaux souterraines proviennent de la nitrification et, potentiellement, du mélange avec des eaux souterraines profondes ayant des concentrations supérieures en nitrates. [...] / Riparian zones have been widely reported to function as effective buffers, removing nitrate (NO3-) from groundwater before it is discharged into adjacent streams. This is particularly important in agricultural catchments where additional nitrogen (N) from fertilisers may be leached into groundwater. On coastal plains, NO3- in groundwater discharged into streams can potentially enrich coastal waters. The permanent removal of NO3- through denitrification can improve water quality, however incomplete denitrification produces nitrous oxide (N2O), a greenhouse gas.Despite copious research in temperate regions, little study has been conducted on the capacity of riparian zones to remove NO3- from groundwater in the tropics. In agricultural areas of the Australian humid tropics, annual rainfall is high, around 3000 mm, and wet and dry seasons are clearly defined. Wet seasons are characterised by rainfall of high intensity and duration, followed by a dry season producing sporadic small amounts of rainfall. The overarching questions of this thesis are: in an agricultural landscape in the humid tropics, is NO3- in groundwater removed as it enters a forested riparian zone and is transported towards the stream? And, are there temporal and spatial differences in patterns of N2O emissions produced from the riparian forest?This research is focused on a forested riparian zone 150 m wide, located amongst sugarcane fields, on the coastal plain adjoining the World-Heritage listed Great Barrier Reef lagoon, in the Australian humid tropics. To gain an understanding of the movement of groundwater through the riparian site, the hydrology of the riparian zone was characterized using measurements of soil water content and water table depth (13 piezometers). In the wet season the system was highly dynamic with large fluctuations in water table levels and long-term inundation of low lying areas. Rapid water table rises were attributed to high in-situ recharge, low air-filled pore space (unsaturated zone), air entrapment and occasional recharge from the creek, and the rapid falls to the steep local hydraulic gradients. The dry season was characterised by a slow moving system with depth to watertable up to 4 m at high locations.Groundwater entering the riparian zone was found to have low concentrations of NO3- (mean <0.03 mg NO3-N L-1 over both seasons), however, concentrations increased (by up to 50 fold) as groundwater progressed through the riparian zone, suggesting the riparian zone was a potential source of NO3- to the adjacent creek. The addition of NO3- was attributed to nitrification in riparian surface soils, driven by large net primary productivity, including large amounts of litterfall (12.19 Mg ha-1 y-1). Nitrate generated in riparian soil was subsequently leached into groundwater in the wet season during rainfall events. Nitrate was also derived from nitrification in groundwater and, potentially, from the mixing of deeper groundwater of higher NO3- concentrations [...]

A travers l’exemple himalayen, nous étudions les mécanismes influençant la composition en osmium des sédiments durant l’érosion, le transport sédimentaire et le dépôt dans les zones estuariennes. Au niveau du bassin himalayen de la Kali Gandaki, les relations observées entre les concentrations en osmium et les quantités de carbone organique confirment le rôle important des schistes noirs appartenant aux TSS (non radiogéniques) et au LH (radiogénique) malgré leurs faibles répartitions géographiques. Cependant, la composition fortement radiogénique mesurée dans les sédiments du Gange n'est pas couplée a un enrichissement en 187Os dont la quantité moyenne est comparable à celle mesurée dans la croûte continentale. La signature isotopique du Gange résulterait d'un appauvrissement en Os non-radiogénique, témoignant d'une forte dilution par des sédiments dérivés de l'érosion des roches cristallines de l'HHC. Nous montrons à travers l’étude de sédiments estuariens que le comportement de l’osmium en contact avec l’eau de mer est complexe et des échanges sont possibles à l’interface. Le développement analytique réalisé en parallèle des études sur les sédiments a permis de documenter pour la première fois la composition en osmium des eaux souterraines. L’étude des aquifères de la plaine du Bengale montre que les eaux souterraines possèdent des concentrations en osmium significativement plus élevées que les eaux de rivière ou l’eau de mer. Si ce résultat est généralisable aux aquifères mondiaux, un flux global de l’ordre de 170 kg d’osmium par an pourrait être apporté à l’océan. Cet apport est significatif et impliquerait la réévaluation du bilan océanique mondial et une diminution significative du temps de résidence de l’osmium dans les océans. Ce résultat n’est pas anodin puisqu’il pourrait en partie réconcilier le temps de résidence estimé par bilan de masse océanique et les variations glaciaires-interglaciaires observées par le rapport 187Os/188Os dans de nombreux enregistrements marins / Using the Himalayan example, this study documents the systematics controlling the osmium composition of sediments during weathering processes, sedimentary transport and sediment deposition in tidal areas. The relationships observed between osmium concentrations and organic carbon contents in sediments of the Himalayan Kali Gandaki catchment underscore the role of black shales from the TSS (mostly unradiogenic) and LH (highly radiogenic) Himalayan units, despite their limited geographic distribution. However, the highly radiogenic composition displayed by Ganges sediments is not coupled to an enrichment in 187Os in these sediments, which on average are comparable to that of typical continental crust. Instead, the Ganges radiogenic signature results from an impoverishment in non-radiogenic osmium, reflecting a strong dilution by erosion products of crystalline rocks of the HHC unit. Moreover, based on the study of rivers in the tidal zone, we document the complex behavior of osmium at the salt/fresh water transition, potentially involving exchange between sediments and dissolved osmium. Analytical development performed concurrently with the sediment studies allowed the first measurements of groundwater osmium compositions. Groundwaters of Bengal plain aquifers have osmium contents significantly higher than those previously documented for river water or seawater. If this result can be generalized to other aquifers a global osmium groundwater flux to the ocean of about 170 kg per year could be expected. This contribution is significant and would require a reevaluation of both the osmium marine budget and the residence time of osmium in the ocean. This result could partially reconcile the diverging marine Os residence times estimated from mass balance and from glacial-interglacial variations in the 187Os/188Os marine record

L’hydrologie, la géochimie et la météorologie du petit bassin versant glaciaire à pergélisol continu du glacier Austre Lovén (10 km2, Spitsberg occidental, 79°N) ont été étudiées au cours des trois années hydrologiques 2010, 2011 et 2012 en vue de mieux définir le rôle des eaux souterraines de la nappe supra-pergélisol dans les flux d’eau et de solutés en sortie de bassin.Le travail de thèse a montré que la période d’écoulement survient en moyenne sur une période de 141 jours (σ = 4,5 jours) comprise entre les 9-10 mai et 26-27 octobre. La lame d’eau moyenne est de 0,940 m.a-1 (σ = 0,156 m.a-1) et se répartie à 79 % en eau de fonte (54 % de fonte de neige et de glace sur le glacier, 18 % de neige sur les versants et 7 % de neige dans la zone proglaciaire), 18 % en hauteurs de précipitation efficace et 3 % en décharge sous-glaciaire pérenne. Les incertitudes sur la quantification des composantes de l’écoulement et de la lame d’eau écoulée elle-même ne permettent pas une quantification plus précise des flux en eau de la nappe supra-pergélisol. Cette étude montrerait donc qu’en termes de flux d’eau, la composante d’eau souterraine supra-pergélisol pourrait être négligeable et ne constituer qu’un réservoir de transit de l’eau. En effet, le suivi piézométrique montre que la nappe dégèle et regèle à des profondeurs similaires malgré la présence d’épisodes de recharge. Ces recharges qui surviennent majoritairement au profit d’épisodes pluvieux importants (hauteurs cumulées sur 2 à 8 jours supérieures à 20 mm) se déchargent lentement par une alimentation de la rivière par la nappe. Les suivis thermiques du sous-sol ont enfin permis d’établir que le toit du pergélisol supposé se situe à une profondeur de 2,50 m pour une puissance de nappe pouvant atteindre plus d’1,70 m, soit 70 % de la couche active. Par ailleurs, les données thermiques montrent des températures du sous-sol à moins de 0,5°C de la température de dégel, laissant supposer une dégradation prochaine du pergélisol avec par conséquent un accroissement de l’épaisseur de l’aquifère de la nappe supra-pergélisol (couche active).Les données de géochimie montrent une augmentation de la minéralisation des eaux de surface du bassin par des contributions d’eau souterraine le long des cours d’eau, preuve que les eaux de la nappe supra-pergélisol impactent les flux de solutés aux exutoires. Les analyses en chimie élémentaire (n = 178) conduites sur les différents composants du système hydrologique montrent que les eaux du bassin possèdent un faciès sulfaté-bicarbonaté calcique à bicarbonaté-sulfaté calcique lié à l’altération des carbonates et des sulfures des moraines récentes et dans l’altération d’aluminosilicates dans les moraines plus anciennes. Les données d’isotopie du strontium (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr  ; n = 8) corroborent un apport du calcium dissous par les aluminosilicates de par leur signature radiogénique. Les teneurs en ¹³C du CID des eaux (n = 30) sont cohérentes aussi bien avec un système ouvert sur le CO₂ du sol (à -20 ‰) et le CO₂ atmosphérique (entre -6,5 et -8 ‰) qu’avec un système fermé sur le CO₂ où la signature de δ ¹³C des carbonates marins (à 0 ‰) peut s’imposer par dissolution. Les données d’isotopie de la molécule d’eau (n = 592) ont permis d’identifier les signatures des différentes familles d’eau composant l’hydrosystème et de proposer un modèle de mélange entre 4 pôles expliquant les signatures des eaux aux exutoires du bassin versant : eaux de fonte, précipitations estivales, eaux sous-glaciaires et eaux de la nappe supra-pergélisol. Le couplage entre les teneurs en ¹⁸O et SO²₄⁻ des eaux aux exutoires confirme ce modèle de mélange, le renforçant même en termes de variations temporelles. La mesure de ³H-³He tendrait vers un temps de séjour court tandis que les premières mesures d’activité ¹⁴C (n = 15) sont faibles, renseignant une minéralisation des eaux par un carbone ancien. / The hydrology, geochemistry and meteorology of a small, Arctic glacial watershed under continuous permafrost conditions (Austre Lovén glacier catchment area of 10 km2, western Spitsbergen, 79°N) were studied during the three hydrological years 2010, 2011 and 2012 to better define the role of suprapermafrost groundwater on both water and solute fluxes at basin outlet. The runoff period occurs on average over a 141 days period (σ = 4.5 days) between May 9-10 and October 26-27. The mean total discharge is 0.940 m a-1 (σ = 0.156 m a-1) divided into 79 % of meltwater (54 % of snowmelt and icemelt from the glacier, 18 % of snowmelt from the slopes and 7 % of snowmelt from the proglacial area), 18 % of effective summer precipitation and 3% of perennial subglacial discharge. Uncertainties in quantifying the runoff components and the total discharge itself don’t allow more precise quantification of water fluxes from the suprapermafrost groundwater by water balance. This study would so show that the suprapermafrost groundwater component would be negligible in the water balance and only constitute a transit tank for water. Indeed, the potentiometric level monitoring shows that the water-table thaws and freezes at similar depths despite recharge events occurring during summer. Those recharge events mainly occur in favor of important rain events (cumulative amounts on 2 to 8 days higher that 20 mm). The water-table discharges towards rivers. The monitoring of ground temperature indicates that the frozen ground (supposed permafrost) top is located at a maximum depth of 2.50 m for a groundwater thickness reaching up to 1.70 m, or 70 % of the active layer. Thermal data show ground temperatures between 0 and - 0.5°C, close to thaw temperature, which let suppose a permafrost degradation between 2.50 and 3.40 m deep is about to occur due to climate warming. Consequently, the suprapermafrost groundwater aquifer (active layer) is expected to thicken. Geochemical data show an increase of the basin surface water mineralization by groundwater contribution along the rivers, proof of a suprapermafrost groundwater impact on the solutes fluxes at the outlets. Elementary chemical analyses (n = 178) performed on the different components of the hydrological system show that basin waters have a sulfate-bicarbonate calcium to bicarbonate-sulfate calcium type linked to carbonates dissolution and sulfides (pyrite) oxydation in the recent moraines and to aluminosilicates weathering in older moraines. Strontium isotopic data (87Sr/86Sr; n = 8) are consistent with a contribution in dissolved calcium from aluminosilicates according to their radiogenic signature. The ¹³C contents of water DIC (n = 30) are consistent just as well with a system open on the soil CO₂ (at -20 ‰) and the atmospheric CO₂ (between -6.5 et -8 ‰) than with a system closed on the CO₂ where the δ ¹³C of marine carbonates (at 0 ‰) control the δ ¹³C signature by dissolution. Isotopic data of the water molecule (n = 592) are helpful to separate the signatures of the different water masses of the hydrosystem and to propose a 4 end-members mixing model explaining the river water signature: meltwaters, summer precipitations, subglacial water and suprapermafrost groundwater. The coupling between river water contents in ¹⁸O and SO²₄⁻ confirms this mixing model, even reinforcing it in terms of temporal variations. The unique measurement of ³H-³He tends to a short residence time while the first ¹⁴C activity data (n = 15) are low, giving a water mineralization by an old carbon.

Les aquifères de socle fracturés très répandus en Bretagne, constituent des formations géologiques hétérogènes renfermant des ressources en eau. Ces structures sont souvent constituées d'une zone altérée et d'une zone fracturée. La zone altérée est peu épaisse et proche de la surface, elle est constituée de roches altérées envahies par l'eau souterraine qui y circule rapidement des hauts topographiques du bassin versant vers l'exutoire. L'eau y présente des temps de résidence courts (<20 ans) et est souvent polluée par les nitrates. La zone altérée située plus en profondeur et plus épaisse est constituée de roches dures traversées par des fractures. L'eau circule exclusivement au travers de fractures et lentement, le temps de résidence de l'eau y est donc long (>40 ans). Dans cette zone, l'eau est plus minéralisée et souvent riche en fer en Bretagne. Ces différentes circulations d'eau, induisent des conditions chimiques contrastées dans les zones altérée et fracturée, mais leur effet sur l'écosystème microbien des eaux souterraines n'a jamais été exploré. Cette étude montre que les circulations hydrologiques influencent à l'échelle régionale et locale la structuration des communautés microbiennes au sein des eaux souterraines d'aquifères de socle. La position d'une eau souterraine le long des voies de circulations des eaux souterraines dites « boucles hydrologiques » contrôle directement la structure des communautés microbiennes via le contrôle de la succession des donneurs et accepteurs d'électrons disponibles. Les communautés microbiennes analysées montrent une prédominance de Nitrobacter. Dans l'eau souterraine récente (<20 ans) donc principalement dans la zone altérée, les Nitrobacter. sont surtout des Comamonadaceae et Oxalobacteraceae, microorganismes versatiles et capables de dénitrifier. Dans l'eau souterraine ancienne (>40 ans) et isolée donc dans la zone fracturée, ce sont en grande majorité des Gallionellaceae, microorganismes microaérophiles spécialisés dans l'oxydation du fer(II). La prédominance des Gallionellaceae dans la zone fracturée suggère un écosystème profond basé sur l'oxydation du fer(II). Cependant, ce processus suppose une arrivée minimale d'oxygène dans la partie profonde, via par exemple un mélange avec une masse d'eau récente oxygénée. La proportion de Gallionellaceae dans les différentes eaux analysées montre une corrélation positive avec le degré de mélange des eaux anciennes avec des eaux récentes, jusqu'à une limite de 20% d'eau récente. Le suivi temporel de la dynamique des communautés d'un aquifère avant et au début de la recharge a montré dans la zone altérée des conditions chimiques très fluctuantes et une communauté microbienne très changeante mais toujours constituée de nombreux potentiels dénitrifiants. Dans la zone fracturée, la communauté dominée par les Gallionellaceae est relativement stable, malgré des changements chimiques ponctuels substantiels et un degré de mélange transitoire important (jusqu'à 60% d'eau récente) au début de la recharge. Les Gallionellaceae semblent donc capables de résister à des changements ponctuels et importants des conditions chimiques. Les eaux souterraines de la partie profonde des aquifères, bien qu'isolées, restent relativement connectées à la surface ce qui permet probablement le maintien de l'écosystème microbien profond. / Hard-rock aquifers are heterogeneous geological structure very widespread in Britany that have the property to store groundwater. These aquifers are often made of a weathered zone and a fractured zone. The weathered zone is a rather thin layer close to the surface and is constituted of weathered rocks submerged in groundwater. In this zone, groundwater circulates rapidly from the upper parts of the watershed to the aquifer outlet, thus shows short groundwater residence time (< 20y) and is often polluted by nitrates. The fractured zone is located deeper and is thicker. It is composed of fresh rocks crossed by fractures in which groundwater exclusively flows with a very slow velocity, thus groundwater residence time in this zone is rather long (>40 y). In the fractured zone, groundwater is much more mineralized and often rich in iron, in Britany. The differences of flow velocities in the weathered and the fractured zones are responsible for contrasted chemical conditions in these two zones, but the influence of groundwater flow velocity on the microbial ecosystem in groundwater remains largely unexplored. This work shows hydrologic circulations influence the microbial community structuration in hard-rock aquifer groundwater at regional and local scales. Position of a groundwater along a hydrologic flowpath or a “hydrological loop” directly controls microbial community structure through the control of the successively available electron donors and acceptors. The analyzed microbial communities show a predominance of Betaproteobacteria. In recent groundwater (< 20y) thus particularly in the weathered zone, Betaproteobacteria are mainly Comamonadaceae and Oxalobacteraceae, which are generalists able to do denitrification. In old and isolated groundwater (> 40y) thus particularly in the fractured zone, Betaproteobacteria are mainly Gallionellaceae, which are microaerophilic iron-oxidizer. The predominance of Gallionellaceae in the fractured zone suggests a deep ecosystem based on iron oxidation. However, this process implies a minimal input of oxygen in the deeper part, for instance via mixing with recent oxygenated groundwater. Proportion of Gallionellaceae in the different analyzed groundwater shows a positive correlation with the degree of mixing between old and recent groundwater, up to a limit of 20% of recent groundwater. The temporal microbial community dynamics in a single aquifer, before and during the beginning of recharge, demonstrated in the weathered part very fluctuant chemical conditions and a shifting microbial community that remains always composed of numerous potential denitrifiers. In the fractured part, microbial community is dominated by Gallionellaceae and remains rather stable, despite the punctual but substantial changing of the chemical conditions and degree of mixing (up to 60% of recent groundwater) at the beginning of the recharge. Gallionellaceae seem thus able to resist to important and punctual chemical conditions changings. Groundwater in the deeper part of aquifers, even isolated, remains relatively connected to surface, likely allowing the deep microbial ecosystem to maintain.

Les facteurs qui régissent l'intensité et la répartition de la recharge naturelle et artificielle dans les aquifères cristallins altérés et fracturés sont mal connus. Ce sont cependant les caractéristiques déterminantes de ce type de roche—ces roches sont très hétérogènes—qui rendent difficile l’estimation des flux dans ces milieux ainsi que des propriétés hydrauliques qui les contrôlent. La première partie de ce manuscrit fournit un état des connaissances sur la recharge des eaux souterraines et ses méthodes d’estimation, permettant de comprendre les défis scientifiques et sociétaux abordés dans cette thèse. La deuxième partie présente les travaux numériques et expérimentaux menés pour approfondir notre compréhension de la dynamique des flux d’eaux souterraines dans ces milieux hétérogènes à plusieurs échelles. Le premier axe de recherche porte sur les processus de recharge naturelle à l’échelle du bassin versant. La recharge diffuse a été modélisée avec un modèle physique simple d’infiltration et comparée à des estimations préalables de recharge totale. Nos résultats illustrent la forte dépendance de la recharge aux précipitations et à l’irrigation, et l’importance de la recharge focalisée. Les facteurs responsables de la distribution spatiale de la recharge sont aussi étudiés. Le deuxième axe est basé sur le suivi de la mise en eau d’un bassin de recharge artificielle dans un site hautement monitoré et bien équipé. Ces observations ont été interprétées avec des modèles analytiques et numériques. Ces modèles ont mis en évidence l’existence de flux préférentiels horizontaux, mais aussi d’une compartimentation latérale qui entrave la propagation des intrants de recharge. / The factors governing the intensity and distribution of natural and artificial recharge in weathered and fractured crystalline aquifers are poorly understood. However, it is the defining characteristics of this type of rock—these rocks are very heterogeneous—that make the estimation of fluxes and the hydraulic properties controlling them difficult. The first of its two parts provides the theoretical framework on groundwater recharge processes and its estimation methods for comprehending the scientific and societal challenges discussed in this thesis. The second part presents the numerical and experimental work carried out to deepen our understanding of the dynamics of groundwater flows in these heterogeneous underground environments at several scales. The first line of research focuses on natural recharge processes at the watershed scale. Diffuse recharge was modeled with a simple physical infiltration model and compared to previous estimates of total recharge. Our results highlight the strong dependence of recharge on rainfall and irrigation, and the importance of focused recharge. The factors responsible for the spatial distribution of recharge are also studied. The second axis is based on the monitoring of the filling of an artificial recharge basin at a highly monitored and well-equipped site. These observations were interpreted with analytical and numerical models to improve our knowledge of flow dynamics in fractured crystalline rocks at the medium scale. These models illustrated the existence of preferential horizontal flows, but also of a lateral compartmentalization that hinders the propagation of recharge inputs.

Afin de prévenir la surexploitation des eaux souterraines et de résoudre les conflits d'usage, deux solutions ont traditionnellement été proposées par les économistes : le marché et l'Etat. Aujourd'hui, compte tenu de l'implication croissante des usagers dans la gestion de l'eau, une telle dichotomie ne semble plus opérante. Face à cette mutation, notre recherche vise à reconsidérer la gouvernance des eaux souterraines, dans une perspective de développement durable. Nous appelons gouvernance, le compromis qui s'établit entre la coordination des actions individuelles (approche marchande) et deux formes distinctes d'action collective que nous dénommons action collective d'intérêt public (intervention publique) et action collective d'intérêt communautaire. La coordination des actions individuelles est analysée sous l'angle d'une critique de la théorie des droits de propriété et de la ‘‘nouvelle économie des ressources'', puis par le biais d'une confrontation de points de vue sur le fonctionnement des marchés de l'eau. Par ailleurs, l'examen attentif de l'action collective d'intérêt public nous permet d'identifier trois formes distinctes : hiérarchique, incitative et participative. Nous engageons ensuite une réflexion sur l'action collective d'intérêt communautaire, en mobilisant conjointement l'institutionnalisme et le courant de la propriété commune. L'étude de la gouvernance des eaux souterraines en France (et plus particulièrement de la nappe de Beauce) révèle la nécessité d'organiser l'information et de favoriser la communication au sein des communautés d'usagers. A cette fin, nous proposons la construction et l'utilisation du logiciel NAPTIC, qui cherche à confronter les valeurs et les pratiques, pour accompagner la concertation sur la gouvernance durable des eaux souterraines.

La principale difficulté pour l'intégration de la biodégradation des éthènes chlorés dans la gestion des aquifères pollués reéls réside actuellement dans la disponibilité d'outils de quantification adaptés. Un modèle de transport réactif simplifié est développé pour évaluer la biodégradation des éthènes chlorés et sa pérennité grâce à la prise en compte du rôle majeur de la dynamique de l'environnement redox. Pour cela, il simule les contaminations organiques dans leur intégralité (les éthènes chlorés, mais aussi les composés organiques susceptibles d'influer significativement sur le milieu redox), et reste compatible avec le degré de reconnaissance d'un site réel grâce à l'introduction de variables globalisées adaptées. Le cas d'application, sur le site de Sermaise (Essonne, France), montre le caractère opérationnel du modèle et les apports concrets obtenus en matières de compréhension des phénomènes sur le site et d'aide à la décision.

Pour pré-identifier le fonctionnement d'un pilote de dénitrification au sein d'un aquifère karstifié, des investigations hydrodynamiques, hydrochimiques et biologiques ont été menées sur le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers. La caractérisation de la géométrie des écoulements par mesures de température conclut, en ambiant et en pompage, à l'existence de connexions préférentielles entre les plans karstiques. Malgré ces écoulements complexes, la connectivité entre les puits est élevée avec une restitution de soluté pouvant atteindre 90 %. La présence de bactéries dénitrifiantes hétérotrophes autochtones est vérifiée. Sans stimulation exogène, ces bactéries sont inactives au droit du SEH. Les contrastes de concentrations en nitrates s'expliqueraient alors par des processus de dilution entre masses d'eaux, l'écoulement divergent régional et les activités anthropiques dans la zone de recharge de la nappe. La stimulation des bactéries dénitrifiantes sur un pilote ex situ implanté sur le SEH permet de proposer des modèles homogénéisés de transport intégrant les effets de dénitrification en présence d'un biofilm. L'implantation du biofilm dans le milieu génère un système hétérogène à porosités multiples caractérisé par une forte variabilité des vitesses d'écoulement. Le modèle double continuum écoulement rapide vs. écoulement lent testé pour expliquer cette hétérogénéité semble le plus à même d'être transposé à l'hydrodynamique du SEH. Sur le pilote ex situ, la cinétique d'ordre 1 mimant la dénitrification est indépendante des conditions hydrodynamiques. Il importe maintenant de conduire l'expérience à l'échelle d'un doublet de puits pour valider ces résultats.