Hyporheic water is thought to infiltrate at the head of a riffle which in turn is complemented by upwelling back to the stream at the tail of the riffle in a pool-riffle-pool (PRP) sequence. Heat tracing is a potentially useful method to characterize these hyporheic flow paths and quantify associated fluxes. Temperature was monitored within a PRP sequence for several days. Temperature in the hyporheic zone reflected the diel temperature change in the river but not uniformly. The observed thermal pattern exhibited deeper penetration of thermal oscillations below the head pool and shallower penetration below the tail pool. This pattern is consistent with the conceptual model of hyporheic exchange over a PRP sequence. One-dimensional analytical heat transport models were used at different points below the PRP sequence to estimate distributed vertical fluid fluxes. The calculated fluxes exhibit a trend that follows the expected distribution for a PRP sequence but modified for a losing stream. Deviation of both magnitude and distribution of fluxes from the conceptual ‘downwelling-to-upwelling’ model is partly due to the dominantly losing conditions at the study site but the trends are consistent with a losing stream undergoing hyporheic exchange. Violation of the assumptions in the analytical models most likely adds error to flux estimates. For this study, flux estimation methods using a temperature time series amplitude analysis more closely matched field measurements than phase methods. / text

L’alimentation en eau potable des 1 300 000 habitants de la Métropole de Lyon provient essentiellement de réserves souterraines, puisées sur le site du champ captant de Crépieux-Charmy. Ce captage est un système complexe de par sa superficie (375 ha), le nombre d’ouvrages de pompage (111 puits et forages), le système de réalimentation artificielle (12 bassins d’infiltration), la présence de différents bras du Rhône en interaction avec l’eau souterraine, mais également du fait de la complexité lithologique naturelle du sous-sol. La compréhension des interactions entre les compartiments de ce système est nécessaire pour assurer la pérennisation quantitative et qualitative de la ressource.La caractérisation des écoulements repose sur trois outils essentiels : l’observation, l’expérimentation et la modélisation numérique.L’observation, basée sur les nombreuses données acquises in-situ, met en évidence le rôle prépondérant de l’exploitation hydrique du site sur les écoulements (pompages et bassins). La réalimentation artificielle met en jeu, annuellement, un volume d’eau qui équivaut à la moitié du volume puisé sur l’ensemble du site, et entraîne un réchauffement non négligeable de la nappe en période estivale. Les cartes piézométriques et thermiques à l’échelle du champ captant permettent de visualiser les évolutions spatiales et temporelles des écoulements. D’après l’analyse de données, le dôme hydraulique créé par la réalimentation artificielle (et destiné à obtenir une barrière hydraulique de protection contre une contamination accidentelle des eaux de surface) semble perdurer au maximum 1 à 2 jours après l’arrêt de l’alimentation des bassins. Un indice d’infiltrabilité est défini pour déterminer la capacité d’infiltration de chaque bassin : tenant compte des diverses variables affectant la vitesse d’infiltration, une diminution temporelle de l’indice d’infiltrabilité reflète le colmatage progressif de la couche de sable de fond de bassin. Cet indice est de ce fait un outil d’aide à la décision pour la priorisation des bassins à réhabiliter.Le volet expérimental se décline en deux points : la caractérisation des fonds de bassins par essais d’infiltration (gain d’infiltrabilité par renouvellement du sable, couche compactée sous le sable caractérisée par une forte anisotropie de sa conductivité hydraulique) et la caractérisation des sens d’écoulement par traçage thermique à l’échelle d’un bassin. Un dispositif expérimental, créé de part et d’autre d’un des bassins permet de suivre l’évolution piézométrique et thermique lors des cycles de remplissage. La création des 31 ouvrages de ce dispositif expérimental a permis de mieux caractériser la lithologie en présence, de valider la présence de la zone non saturée règlementaire au droit du bassin, de confirmer l’existence d’écoulements sous le Vieux-Rhône mais aussi de mettre en évidence le fonctionnement 3D des écoulements.Enfin, un modèle numérique a été créé pour simuler les transferts d’eau et de chaleur, sur l’ensemble du site de captage. Cet outil permet d’identifier et de quantifier les sources d’alimentation de la zone de captage, de mettre en évidence la protection partielle des ouvrages de pompage par les dômes hydrauliques créés par les bassins, et de montrer la complexité des relations nappe-rivière, notamment leur dépendance au niveau d’eau. D’ores et déjà opérationnel pour des temps longs (supérieurs à 15 jours), l’outil numérique proposé est exploitable pour des scénarios d’évolutions climatiques ou d’évolutions de l’exploitation du site. Pour les temps inférieurs à deux semaines, le modèle nécessite une amélioration de la connaissance des interactions nappe-rivière et des transferts thermiques (prise en compte du non-équilibre thermique local).Mots clés : Hydrogéologie, réalimentation artificielle, essais d’infiltration, traçages thermiques, modélisation hydro-thermique 3D. / The supply of drinking water for the 1,300,000 inhabitants of Lyon Metropole mainly comes from underground reserves in the well field of Crépieux-Charmy. This well field is a complex system because of its surface area (375 ha), the number of pumping wells (111 wells), the artificial recharge system (12 infiltration ponds), the interaction between the Rhône River and groundwater, as well as its natural lithological complexity. Understanding the interactions between the compartments of this system is necessary to ensure quantitative and qualitative sustainability of the water resource.The characterization of field-scale flows is based on three essential tools: observation, experimentation and numerical modelling.The observations, based on a lot of operational field data, highlight the influence of site operation on the flows (pumping and basins). Annually, artificial recharge requires a volume of water which accounts for half of the volume pumped on the whole site. This also leads to a significant rise in water table temperatures during summer periods. Piezometric and water temperature maps at the well field scale allow for visualization of the spatial and temporal evolutions of the flow directions. According to the data analysis, hydraulic domes created by the artificial recharge (and designed to provide a hydraulic barrier to protect against accidental contamination of superficial water) seem to persist for a maximum of 1 to 2 days after water supply of the basins has been stopped. An infiltration index has been defined in order to determine the infiltration capacity of each basin. It takes into account the multiple variables affecting the infiltration rate. The temporal evolution of the infiltration capacity of each basin illustrates the fouling of the basement sand layer. The infiltration index is also a decision support tool for the prioritization of basins to be rehabilitated.The experimental component is divided into two parts: basins characterization by infiltrometer tests (increase of infiltration by renewal of the sand layer, compacted layer under the sand characterized by a strong anisotropy of its hydraulic conductivities) and characterization of the flow direction by heat tracing at scale of an infiltration pond. An experimental system, created on both sides of one of the basins allows tracking of the evolution of piezometric and water temperature during filling cycles.The creation of the 31 piezometers of this experimental system enabled better characterization of the lithology of the ground, to validate the conservation of the unsaturated zone under the basin, to confirm the existence of flows under the Vieux-Rhône River, and to highlight the three-dimensional flows.A digital model has been created to reproduce water and heat transfer on the entire well field. This tool is used to identify and quantify the sources of water of the water catchment area, to highlight the partial protection of the pumping wells by the hydraulic domes, and to show the complexity of the groundwater-river relationship, in particular their dependence on the water level. Already operational on long periods (over 15 days), the proposed digital model is useful for scenarios of climate change or changes in operational conditions. For periods shorter than two weeks, the model requires an improvement in the knowledge of groundwater-river interactions and heat transfer (taking into account the local thermal non-equilibrium).Key words: Hydrogeology, artificial recharge, infiltrometer tests, heat tracing, 3D hydro-thermal modelling.

Der Zustrom von Grundwasser zu Seen (lacustrine groundwater discharge, LGD) kann signifikante Auswirkungen auf Qualität und Quantität des Seewassers haben. Viele Ansätze zur Identifikation und Quantifizierung von LGD basieren auf Temperaturunterschieden zwischen Grund- und Seewasser und der Messung des damit einhergehenden Wärmetransports. Ziel der Doktorarbeit ist es, Signalfortpflanzung und -ausbreitung des Grundwasserzustroms von der Punktskala an der Sediment-Wasser-Grenzfläche über den Wasserkörper bis zur Grenzfläche Wasseroberfläche-Atmosphäre zu untersuchen. Getestet wird die Hypothese, dass das im Verhältnis zum Umgebungswasser wärmere und daher leichtere Grundwasser in der kalten Wassersäule aufsteigt und die Detektion von LGD an der Wasseroberfläche mit thermalen Infrarot Aufnahmen (TIR) erlaubt. Zunächst wird mit der hierarchical patch dynamics ein Konzept entwickelt, das eine angemessene Kombination multipler Techniken zur Erfassung von Wärme- und Wasserflüssen anbietet (Kap. 2). Dabei werden verschiedene räumliche Skalen und ökohydrologische Grenzflächen abgedeckt. Darauf basierend werden in einem Mesokosmos-Experiment unterschiedliche LGD-Raten durch den Zustrom von warmem Wasser am Grund eines Outdoor-Pools simuliert (Kap. 3 und 4). Ein Glasfaserkabel (fibre-optic distributed temperature sensing, FO-DTS) wird in verschiedenen Tiefen installiert, um das Wärmesignal des Grundwasserzustroms unter verschiedenen Bedingungen zu verfolgen. Mit einer TIR-Kamera wird die Temperatur des Oberflächenwassers aufgezeichnet. Die Aufnahmen werden mit FO-DTS-Temperaturen von 2 cm unter der Wasseroberfläche validiert. Die Anwendung von TIR und FO-DTS ermöglicht die Detektion von LGD in der Wassersäule und an der Grenzfläche Wasseroberfläche-Atmosphäre. Wolkenbedeckung und der Tagesgang der Netto-Strahlung kontrollieren den Auftrieb von LGD und die Zuverlässigkeit der TIR-Ergebnisse. Die besten Ergebnisse werden bei Bewölkung und nachts erzielt. / Lacustrine groundwater discharge (LGD) can have significant impacts on lake water quantity and quality. There is a need to understand LGD mechanisms and to improve measurement methods for LGD. Approaches to identify and quantify LGD are based on significant temperature differences between GW and lake water. The main goal of this PhD thesis is to trace heat signal propagation of LGD from the point scale at the sediment-water interface across the overlying water body to the water surface-atmosphere interface. The PhD thesis tests the hypothesis that the positive buoyancy of warm GW causes upwelling across the cold water column and allows detection of LGD at the water surface by thermal infrared imaging (TIR). First, a general conceptual framework is developed based on hierarchical patch dynamics (HPD). It guides researchers on adequately combining multiple heat tracing techniques to identify and quantify heat and water exchange over several spatial scales and ecohydrological interfaces (Chapter 2). Second, the conceptual framework is used for the design of a mesocosm experiment (Chapters 3 and 4). Different LGD rates were simulated by injecting relatively warm water at the bottom of an outdoor mesocosm. A fiber optic distributed temperature sensing (FO-DTS) cable was installed in a 3D setup in the water column to trace the heat signal of the simulated LGD under different weather conditions and over entire diurnal cycles. Finally, a TIR camera was mounted 4 meters above the mesocosm to monitor water surface temperatures. TIR images were validated using FO-DTS temperature data 2 cm below the water surface (Chapter 4). The positive buoyancy of relatively warm LGD allows the detection of GW across the water column and at the water surface-atmosphere interface by FO-DTS and TIR. Cloud cover and diurnal cycle of net radiation strongly control the upwelling of simulated LGD and the reliability of TIR for detection of LGD at the water surface-atmosphere interface. Optimal results are obtained under overcast conditions and during night.